淺析特種陶瓷刀具材料

陶瓷材料因其高硬度與耐高溫特性成為新一代的刀具材料，但陶瓷也由于其人所共知的脆性受到局限，于是如何克服陶瓷刀具材料的脆性，提高它的韌性，成為近百年來(lái)陶瓷刀具研究的主要課題。陶瓷的應(yīng)用范圍亦日益擴(kuò)大。

　　工程技術(shù)界努力研制與推廣陶瓷刀具的主要原因，(一)是可以大大提高生產(chǎn)效率;(二)是由于構(gòu)成高速鋼與硬質(zhì)合金的主要成分鎢資源在全球范圍內(nèi)的枯竭所決定。20世紀(jì)90年代初估計(jì)，全世界已探明的鎢資源僅夠使用50年時(shí)間。鎢是世界上最稀缺的資源，但其在切削刀具材料中的消耗卻很大，從而導(dǎo)致鎢礦價(jià)格不斷攀升，幾十年中上漲好多倍，這在一定程度上也促進(jìn)了陶瓷刀具研制與推廣，陶瓷刀具材料的研制開(kāi)發(fā)取得了令人矚目的成果。

　　到目前為止，用作陶瓷刀具的材料已形成氧化鋁陶瓷，氧化鋁—金屬系陶瓷、氧化鋁—碳化物陶瓷、氧化鋁—碳化物金屬陶瓷、氧化鋁—氮化物金屬陶瓷及最新研究成功的氮化硼陶瓷，及氮化硅陶瓷刀具等材料。就世界范圍講，德國(guó)陶瓷刀具已不僅用于普通機(jī)床，且已將其作為一種高效、穩(wěn)定可靠的刀具用于數(shù)控制機(jī)床加工及自動(dòng)化生產(chǎn)線;日本陶瓷刀片在產(chǎn)品種類，產(chǎn)量及質(zhì)量上均具國(guó)際先進(jìn)水平;美國(guó)在氧化物—碳化物—氮化物陶瓷刀具研制開(kāi)發(fā)方面一直占世界領(lǐng)先地位。中國(guó)陶瓷刀具開(kāi)發(fā)應(yīng)用也取得許多重大成果。

　　1、氧化鋁陶瓷刀具：材料中采用純Al2O3等，添加物有利于加強(qiáng)Al2O3抗彎強(qiáng)度，但高溫性能有所降低，因此還是以純氧化鋁陶瓷材料為佳。

　　Al2O3陶瓷的室溫硬度與高溫硬度都高于硬質(zhì)合金材料。Al2O3陶瓷室溫條件下的抗彎強(qiáng)度雖然較低，但隨著使用中溫度的上升，其抗彎強(qiáng)度卻較少降低。依據(jù)該項(xiàng)特性用于高速切削卻頗為合適。Al2O3陶瓷在室溫與高溫時(shí)抗壓強(qiáng)度都很好，尤其可以克服一般高速鋼刀具及硬質(zhì)合金切刀刃易形成的變形及塌陷缺點(diǎn)。此外，Al2O3陶瓷在物理熱性質(zhì)及抗氧化，抗粘結(jié)性及化學(xué)惰性方面都可以大顯身手。不過(guò)氧化鋁陶瓷刀具在切削鐵合金及鋼件時(shí)，較易產(chǎn)生粘結(jié)磨損及缺口磨損。作為使用歷史最長(zhǎng)的刀具材料，氧化鋁陶瓷刀具最適于高速切削硬而脆的金屬材料，如冷硬鑄鐵或淬硬鋼;用于大件機(jī)械零部件切削及用于高精度零件的切削加工。氧化鋁陶瓷刀具在短，小零件，鋼件的斷續(xù)切削及Mg、Al、Ti及Be等單質(zhì)材料及其合金材料切削加工時(shí)效果較差，容易使刀具出現(xiàn)擴(kuò)散磨損或發(fā)生剝落與崩刃等缺陷，是其美中不足。

　　2、氧化鋁—金屬系陶瓷：為提高Al2O3陶瓷刀具韌性，材料中引入10%以下的Cr、CO、MO、W、Ti、Fe等金屬元素，由此形成Al2O3金屬陶瓷，這樣材料密度，抗彎強(qiáng)度強(qiáng)及硬度均有提高。但由于氧化鋁——金屬陶瓷刀具抗蠕變強(qiáng)度低，抗氧性差，后來(lái)推廣使用情況不佳。

　　3、氧化鋁—碳化物系陶瓷：系將一定比例的碳化物，如MO2C、WC、TiC、TaC、NbC和Cr3C2等加入到Al2O3陶瓷中，以改善Al2O3陶瓷刀具的性能。當(dāng)TiC含量為30%時(shí)，陶瓷刀具的耐用度獲得顯著提高，而熱裂紋深度也較小，目前國(guó)際上生產(chǎn)熱壓Al2O3—TiC陶瓷刀具均采用此配方。Al2O3—TiC陶瓷的抗彎強(qiáng)度，而熱沖擊性等均優(yōu)于Al2O3陶瓷刀具。

　　4、氧化鋁—碳化物金屬陶瓷刀具：系在Al2O3—TiC陶瓷材料中，采用MO、Ni(或CO、W)等金屬作為粘結(jié)相熱壓而成的陶瓷刀具材料。由于金屬粘結(jié)Al2O3晶粒和碳化物晶粒二者相互穿插的骨架組成，具有較高的聯(lián)接強(qiáng)度，因此形成較好的切削性能。這類陶瓷刀具最適用于加工淬硬鋼、合金鋼、錳鋼，冷硬鑄鐵、鑄鋼，鎳基或鉻合金，鎳基和鈷基金合等。另外還可用于非金屬材料如纖維玻璃，塑料夾層及陶瓷材料的切削加工。由于氧化鋁——碳化物金屬陶瓷抗熱震性能良好，故可適用于銑削，刨削，反復(fù)短暫切削或其它間斷切削等，亦可采用切削液進(jìn)行濕式切削等。

　　5、氧化鋁—氮化物金屬陶瓷：此種陶瓷刀具材料基本性能與加工范圍與Al2O3——碳化物金屬陶瓷材料相當(dāng)，不過(guò)由于以氮化物取代碳化物，因此它具有更好的抗熱震性能與更適用于間新切削。但是其抗彎強(qiáng)度與硬度都比添加TiC的金屬陶瓷低一些，對(duì)它的研究與深度開(kāi)發(fā)仍在繼續(xù)中。

　　6、氮化硼陶瓷刀具：最近日本住友電氣公司開(kāi)發(fā)研制出一種硬度更高的陶瓷刀具材料——粘合性立方晶氮化硼陶瓷(CBN)燒結(jié)體。該燒結(jié)材料系在壓力為7—80pa，在2300～2400℃超高溫高壓下燒結(jié)10分鐘后制成。這項(xiàng)技術(shù)還包括在原料制備階段，為提高CBN純度將微粉直徑磨細(xì)等獨(dú)特的軟件技術(shù)。將粒徑為0.5mm以下的微粒結(jié)合成一體，即研制出CBN含有率達(dá)到100%的燒結(jié)氮化硼陶瓷材料。

　　采用氮化硼材料制成的陶瓷刀具，在對(duì)硬度甚高的鑄鐵進(jìn)行切削加工時(shí)，刀具的頭端不會(huì)發(fā)生常見(jiàn)的受熱龜裂與缺屑。根據(jù)不同條件，與含有其它結(jié)合材料的CBN燒結(jié)體相比較，氮化硼陶瓷刀具的使用時(shí)間可延長(zhǎng)10倍以上，成為一種可作斷續(xù)切削的材料。尤其在汽車(chē)工業(yè)加工中，hBN燒結(jié)體作為可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等鑄鐵硬質(zhì)材料加工的切削材料，在機(jī)械加工方面有廣闊的用途。

　　此前的燒結(jié)體由于含有顆粒結(jié)合劑，因此不能形成如CBN那樣高的硬度與熱傳導(dǎo)率等獨(dú)特的性質(zhì)。如CBN直接轉(zhuǎn)換技術(shù)，由于其顆粒度太粗而不適合用作高速切削工具。

　　7、氮化硅陶瓷刀具：氮化硅陶瓷刀具具有低密、高強(qiáng)、高硬的物理性能。它的室溫硬度值已超過(guò)了最好的硬質(zhì)合金刀具的硬度，這大大提高了它的切削能力和耐磨性，可以加工高硬度的各類硬鋼和硬化鑄鐵。其抗彎強(qiáng)度已超過(guò)高速綱而與普通硬質(zhì)合金相當(dāng)。氮化硅陶瓷刀具的斷韌性值優(yōu)于其它系列刀具達(dá)6～7mpaVm。氮化硅陶瓷刀具的抗熱性能指標(biāo)高達(dá)600～800℃，明顯優(yōu)其它系列陶瓷刀具(300～400℃)，其切削速度也比硬質(zhì)合金刀具高3～10倍。因此，在高強(qiáng)度斷續(xù)零件的加工方面，顯示出其優(yōu)越的性能。

　　氮化硅陶瓷刀具包括：純氮化硅陶瓷刀具和氮化硅復(fù)合陶瓷刀具。

　�、偌兊�化硅陶瓷刀具，其硬度HRA91～92，抗彎強(qiáng)度700～900Mpa，斷裂韌性4.2～5.2MpaVm，耐熱性可達(dá)1300～1400℃，其熱膨脹系數(shù)為3.0×10-6/℃，有良好的抗氧化性能。②氮化硅復(fù)合陶瓷刀具;它是在氮化硅基體中添加Al2O3、Y2O3、TiC、TiN和MgO等成分，利用復(fù)合強(qiáng)化效應(yīng)，冷壓燒結(jié)制成的陶瓷刀具，其性能優(yōu)于熱壓的純氮化硅陶瓷刀具。

　　如在氮化硅中添加Al2O3燒結(jié)的陶瓷刀具，兼有Al2O3和SiN4的特性，其熱硬性比硬質(zhì)合金刀具和氧化鋁陶瓷刀具都高，刀尖溫度高于1000℃仍可正常高速切削，其最大優(yōu)點(diǎn)是提高切削速度，加大進(jìn)給量，提高金屬切除率，延長(zhǎng)刀具壽命。氮化硅陶瓷刀具特別適合于切削加工各種鑄鐵和高溫合金等，但不能加工產(chǎn)生長(zhǎng)屑的鋼材。

　　總而言之，隨著特種陶瓷材料研變與開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，陶瓷刀具在金屬切削加工業(yè)中的應(yīng)用比例不斷擴(kuò)展。隨著航空、航天工業(yè)的發(fā)展要求，必須滿足提高Ti合金和Ni基高溫合金等工件材料切削效率的要求，特種陶瓷刀具材料將會(huì)作出更大的貢獻(xiàn)。