20世紀(jì)是刀具材料大發(fā)展的歷史時期――各種難加工材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，先進(jìn)制造系統(tǒng)、高速切削、超精密加工、綠色制造的發(fā)展和付諸實現(xiàn)，對刀具提出了全新要求，令刀具的品種、類型、數(shù)量和性能均比過去有了長足發(fā)展。反過來，刀具技術(shù)的革新又有力推動機(jī)械制造工業(yè)的一次又一次騰飛。
21世紀(jì)，刀具材料將有大發(fā)展。刀具材料與工件雙方交替發(fā)展和相互促進(jìn)，成為切削技術(shù)不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)律。在未來，刀具材料必將面臨工件材料性能提高、加工批量加大和制造精度提升的更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。材料科學(xué)的進(jìn)步，推動了刀具材料的發(fā)展；而刀具材料的發(fā)展，應(yīng)考慮原材料資源的制約。新品種的出現(xiàn)，新舊品種各自所占比重的變化以及它們之間相互競爭和相互補充的格局，將成為未來刀具材料發(fā)展的新特點。
材料資源并非“取之不盡”
縱觀各種刀具材料，除人造金剛石的原料為石墨（碳元素）外，其它品種都離不開碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。在現(xiàn)代刀具中，碳化物用得最多。在刀具材料的各個組份中，以Fe3C、WC、TiC、Mo2C、TiN、Al2O3、Si3N4等用量最大，此外還須用到金屬Co。在發(fā)展各種新型刀具材料時，主要考慮機(jī)械、物理性能的進(jìn)步和適應(yīng)工件加工的需要以及刀具材料與工件材料的匹配。而在很長一段時間里，人們忽略了資源的儲存。
高速鋼和硬質(zhì)合金都以W和Co為主要原料，其價格昂貴。中國富W少Co，而W資源除國內(nèi)使用外，還大量出口，當(dāng)今全球使用的W中約有75~80％來自中國，可是中國的W資源只夠用50年。中國使用的Co主要向國外購買，價格昂貴，況且全世界Co資源的儲存量也是有限的。這就警示我們在發(fā)展新型刀具材料時，還需充分考慮如何節(jié)約貴重資源。有些刀具材料組份，如Al2O3、Sl2O3、Si3N4、TiC等，雖然蘊藏豐富，但要付出工藝和制造的成本，故其價格亦不菲。
現(xiàn)代新型材料及其應(yīng)用展望
1. 高速鋼
在現(xiàn)代切削加工中，高速鋼的性能已不夠先進(jìn)，但因其穩(wěn)定性好，能接受成形加工，目前在刀具材料總消耗量中高速鋼刀具仍占到40％。傳統(tǒng)的普通高速鋼以鎢系的Wl8Cr4V和鎢鉬系的W6Mo5Cr4V2為代表。所有的高速鋼中，鉻含量均保持在3.5~4.5％，它是增大高速鋼淬透性的主要元素。而如若釩含量分類增加，鋼的耐磨性將隨之提高，但會使刀具接受刃磨困難，且脆性增加。鋁元素在鋼中能生成AL2O3、AlN；且起釘扎作用，阻止位錯，從而提高了材料的硬度和強度。
加入鈷元素后，可形成超硬高速鋼，鈷不形成碳化物，但能提高淬火溫度，增強二次硬化效果，提高高溫硬度。中國缺鈷資源，鈷價昂貴，因而研制了無鈷或少鈷的超硬高速鋼――它們的性能都能達(dá)到M42的水平。可以說，中國在發(fā)展無鈷、少鈷超硬高速鋼方面，做出了很大貢獻(xiàn)。值得一提的是，用粉末冶金方法制造高速鋼，可減少有害雜質(zhì)，消除碳化物偏析，提高鋼的硬度和韌性。粉末高速鋼的切能性能優(yōu)于熔煉高速鋼，國內(nèi)也掌握這方面的技術(shù)。
今后，中國應(yīng)發(fā)展和使用性能優(yōu)良的鎢鉬系或鉬鎢系高速鋼，少用鎢系高速鋼以節(jié)約W；發(fā)展和使用無鈷和少鈷超硬（高性能）高速鋼，盡量不用高鈷高速鋼（如M42，HSP-15）。
中國已大量使用涂層高速鋼刀具，亦已掌握涂層工藝，但粉末合金高速鋼刀具尚屬空白。在工業(yè)先進(jìn)國家，粉末冶金高速鋼刀具已占高速鋼總量的10％，因其性能優(yōu)越，可有效提高刀具壽命和設(shè)備利用率，所以盡管這種刀具的價格較貴，仍能在總體上降低加工成本。近年，國內(nèi)個別鋼廠和工具廠已能制造粉末冶金高速鋼，如能保證質(zhì)量且性能穩(wěn)定，應(yīng)推薦機(jī)械制造廠采用。筆者認(rèn)為，中國應(yīng)大力研制粉末冶金高速鋼。
2. 硬質(zhì)合金
硬質(zhì)合金是碳化物（WC、TiC等）的粉末冶金制品，新型硬質(zhì)合金有下列6種。
?、偬砑覶aC和NbC的硬質(zhì)合金：添加后能有效地提高常溫硬度、高溫強度和高溫硬度，細(xì)化晶粒，提高抗擴(kuò)散和抗氧化的能力。此外，還能增強抗塑性變形的能力。
?、诩?xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金：晶粒細(xì)化后可提高合金的硬度和耐磨性，適當(dāng)增加鈷含量后還可提高抗彎強度。普通刀具牌號和合金平均晶粒尺寸為2~3mm，細(xì)晶粒合金為1~2mm，亞微細(xì)晶粒合金為0.5~1mm，超細(xì)晶粒合金為0.5mm以下。我國硬質(zhì)合金刀具已達(dá)細(xì)晶粒和亞微細(xì)晶粒的水平。
?、跿iC基和Ti（C，N）基硬質(zhì)合金金屬陶瓷：在YT，YG，YW合金中，WC是主要成分，并以Co為黏結(jié)劑；TiC基合金則以TiC為主要成分，不含或少含WC，以Ni-Mo作黏結(jié)劑。
④添加稀土元素的硬質(zhì)合金：添加少量稀土元素，可有效提高合金的韌性和抗彎強度，耐磨性亦有一定提高。這類合金最適于粗加工刀具牌號，亦可用于半精加工牌號；在礦山工具、頂錘、拉絲模用硬質(zhì)合金中亦有廣闊發(fā)展前景。我國稀土元素資源豐富，在硬質(zhì)合金中添加稀土的研究有所領(lǐng)先。P，M，K類合金都已研制出添加稀土的牌號。
?、荼砻嫱繉佑操|(zhì)合金：涂層硬質(zhì)合金的表面硬度和耐磨性完全反映TiC等涂層材料自身的性能，故可提高刀具壽命和加工效率，降低切削力，提高已加工表面質(zhì)量。近20年來，涂層硬質(zhì)合金刀具有了很大發(fā)展，在工業(yè)先進(jìn)國家已在可轉(zhuǎn)位刀具中占50~60％以上。
?、尢荻扔操|(zhì)合金：這是近年來發(fā)展起來的新品種，各層成分可根據(jù)需要加以調(diào)節(jié)。
山特維克可樂滿的新款產(chǎn)品GC4220，得益于最新的牌號技術(shù)，拓寬了鋼銑削性能的界限。
綜述可知，各種硬質(zhì)合金全都在提高水平，擴(kuò)大其使用范圍。在21世紀(jì)中，硬質(zhì)合金刀具材料將重點在兩方面發(fā)展：一是細(xì)化晶粒，提高韌性與抗彎強度，從而擴(kuò)大應(yīng)用，進(jìn)一步代替高速鋼刀具。將晶粒尺寸達(dá)到納米級，抗彎強度可達(dá)到2.5~3.0GPa以上。二是發(fā)展金屬陶瓷，用TiC和Ti（C，N）代替WC，以節(jié)約W資源；用Ni和Mo代替Co，節(jié)約Co資源?，F(xiàn)在的問題是，金屬陶瓷的韌性尚遜于WC基硬質(zhì)合金，在這方面要加強研究，爭取突破。
3. 陶瓷
陶瓷刀具材料分為3類：氧化鋁基陶瓷；氮化硅基陶瓷；復(fù)合氮化硅－－氧化鋁陶瓷。陶瓷的高溫性能優(yōu)于硬質(zhì)合金，故適用于高速切削。Al2O3基和Si3N4基復(fù)合陶瓷都適合切削淬硬鋼、高硬鑄鐵及一般鑄鐵；Al2O3基復(fù)合陶瓷亦能有效地切削未淬硬鋼料，而Si3N4基陶瓷切削一般鋼材時磨損迅速。
陶瓷的硬度稍高于硬質(zhì)合金，但其脆性很大，韌性不足，可加工性很差，故應(yīng)用受到限制。今后的發(fā)展方向在于增韌，用細(xì)化原料的粒度，添加ZrO2、TiB2或SiC晶須等方法，可在一定程度上提高陶瓷材料的韌性。
4.超硬刀具材料
超硬材料是指金剛石和立方氮化硼（CBN），它們的硬度比其它刀具材料高出好幾倍。金剛石是自然界中最硬的物質(zhì)，CBN的硬度僅次于金剛石。近年來，超硬刀具材料發(fā)展迅速。
金剛石刀具材料分為5類：天然金剛石（ND）；人造聚晶金剛石（PCD）和人造單晶金剛石；人造聚晶金剛石復(fù)合片（PCD/CC）；金剛石薄膜涂層刀具（CD）；金剛石厚膜刀具（FCD）。ND的結(jié)晶各向異性，在進(jìn)行刀磨的使用時必須選擇適宜的方向。人造金剛石各向同性，其硬度低于ND，但強度與韌性高于ND。
金剛石刀具能夠有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鎢等有色金屬及其合金、陶瓷、硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和木材等，但金剛石忌切鋼鐵及其它鐵族金屬。
TFD綜合性能很好，兼有天然金剛石和人造聚晶金剛石的優(yōu)點，與基底結(jié)合牢固，便于多次重磨，故有良好應(yīng)用價值和發(fā)展前景。CBN的制造方法與PCD或PCD/CC相似。以六方氮化硼為原料，經(jīng)高溫高壓制成聚晶CBN或復(fù)合片CBN/CC。CBN主要用于加工淬硬鋼、高硬鑄鐵及其它硬金屬與非金屬材料。
可以預(yù)見，金剛石刀具在21世紀(jì)將有大發(fā)展，它除了不能加工鋼鐵和鐵族金屬以外，在非鐵金屬和非金屬材料的加工方面，有非常優(yōu)越的應(yīng)用價值。如汽車工業(yè)中的鋁硅活塞和航空航天工業(yè)中的有色金屬精密零件的加工都離不開金剛石刀具。筆者認(rèn)為，今后人造單晶金則石刀具和CD、TFD金剛石鍍膜（涂層）刀具將有較大發(fā)展。
近年，CBN的制造工有了改進(jìn)，成本有所降低；同時，通過改硬質(zhì)相和黏結(jié)相的配比和黏結(jié)材料的種，使其韌性顯著提高。近年，在汽