新型陶瓷刀具材料的應(yīng)用

    刀具的性能是影響切削加工效率、精度、表面質(zhì)量等的決定性因素之一。在現(xiàn)代化加工過(guò)程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技術(shù)；隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，越來(lái)越多地采用超硬難加工材料，以提高機(jī)器設(shè)備的使用壽命和工作性能。而陶瓷刀具則以其優(yōu)異的耐熱性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，在高速切削領(lǐng)域和難加工材料方面顯示了傳統(tǒng)刀具無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。新型陶瓷刀具更由于有很高的硬度(HRA93～95)，從而可加工硬度高達(dá)HRC65的各類(lèi)難加工材料，免除退火加工所消耗的電力和時(shí)問(wèn)；可提高工件硬度，延長(zhǎng)機(jī)器設(shè)備的使用壽命。陶瓷刀具的主要原料AlO和Si是地殼中最豐富的成分，可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭的，因此新型陶瓷刀具的應(yīng)用前景十分廣闊。

1 氮化硅基陶瓷刀具

單一Si3N4陶瓷刀具

    此類(lèi)陶瓷刀具主要是以Mgo為添加劑的熱壓陶瓷。其硬度為9l～93HRA，耐磨性介于一般陶瓷和立方氮化硼之間，抗彎強(qiáng)度為0.7～0.85GPa，介于一般陶瓷和YT30之間，沖擊韌度相當(dāng)于Y130，耐熱性可達(dá)1300℃～1400℃，具有良好的抗氧化性。此外，Si陶瓷有自潤(rùn)滑性能，摩擦系數(shù)較小，抗粘接能力強(qiáng)，不易產(chǎn)生積屑瘤，且切削刃可磨得鋒利。能加工出良好的表面質(zhì)量，特別適合于車(chē)削易形成積屑瘤的工件材料，如鑄造硅鋁合金等。

復(fù)合Si3N4陶瓷刀具

    由于Si3N4陶瓷以共價(jià)鍵結(jié)合，晶粒是長(zhǎng)柱狀的，因此有較高的硬度、強(qiáng)度和斷裂韌性，同時(shí)它有較小的熱膨脹系數(shù)(=3×10-6/℃)，所以有較好的抗機(jī)械沖擊性和抗熱沖擊性。Si3N4刀具特別適合于鑄鐵、高溫合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬質(zhì)合金刀具高幾倍至十幾倍。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)鑄鐵缸體等加工中應(yīng)用越來(lái)越普遍。但是Si3N4陶瓷的硬度并不是特別高(HRA92.5)，在加工硬度較高的工件時(shí)，如冷硬鑄鐵(HS65-80)、高鉻鑄鐵(HS80-90)等，純Si3N4|陶瓷刀具的耐用度是較低的。為改善其耐磨性。加人TiCN、TiCN+TiN作為硬質(zhì)彌散相，以提高刀具材料的硬度，同時(shí)保留較高的強(qiáng)度和斷裂韌性，稱(chēng)為復(fù)合氮化硅陶瓷刀具。與單s3N4陶瓷刀具相比，復(fù)合氮化硅陶瓷刀具的抗氧化能力、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力和耐磨性都有了很大提高，且易于制造和燒結(jié)。是今后陶瓷刀具的重點(diǎn)發(fā)展方向。

Sialon陶瓷刀具

    目前許多國(guó)家競(jìng)相開(kāi)發(fā)一種新型Si基陶瓷刀具：賽隆(Sialon)刀具。賽隆刀具是英國(guó)LucasAyMon公司研制成功的一種單相陶瓷刀具，以Si3N4為硬質(zhì)相Al203為耐磨相，并添加少量助燒劑Y203，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成，有很高的強(qiáng)度和韌性(抗彎強(qiáng)度可達(dá)1200MPa，硬度達(dá)1800HV)，Sialon陶瓷刀具具有良好的抗熱沖擊性能，與Si3N4相比。Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力與耐磨性能更高。耐熱溫度較高達(dá)1300℃以上，具有較好的抗塑性變形能力。其沖擊強(qiáng)度接近于涂層硬質(zhì)合金刀具，巳成功應(yīng)用于鑄鐵和高溫合金等難加工材料的加工。目前國(guó)際上賽隆(Sialon)陶瓷材料的研究非常活躍，在改進(jìn)制備工藝，進(jìn)行復(fù)相、超細(xì)顆粒、自增韌．刀具材料等的研制方面巳取得了較好的成果。

與Si3N4相似，Sialon陶瓷也具有2種晶體結(jié)構(gòu)，a-Sialon為等軸晶具有較高的硬度和耐磨性能，b-Sialon為柱狀晶斷裂韌性和熱傳導(dǎo)能力相對(duì)較好，(a+b)-Sialon復(fù)相陶瓷刀具綜合了兩相優(yōu)點(diǎn)，切削性能更優(yōu)異，重載條件下其耐磨性能優(yōu)于單相陶瓷刀具目前有2種制備自增韌a-Sialon陶瓷的方法：①通過(guò)控制成核過(guò)程的熱力學(xué)特點(diǎn)，在燒結(jié)體內(nèi)原位生長(zhǎng)柱狀-Sialon晶粒以得到自增韌Sialon陶瓷；②采用燃燒合成工藝，制備單相柱狀-Sialon粉體，將此粉體按照適當(dāng)比例添加到原料中制備自增韌-Sialon陶瓷。為降低燒結(jié)溫度，一般要加入各種燒結(jié)助劑。比較常用的燒結(jié)助劑有：Y2O3等氧化物和多種稀土元素，一般同時(shí)采用2種或2種以上的燒結(jié)助劑。

Sialon陶瓷刀具適用于高速切削、強(qiáng)力切削、斷續(xù)切削；不僅適合于干切削，也適合于濕式切削Sialon陶瓷可成功地用于鑄鐵、鎳基合金、鈦基合金和硅鋁合金的加工，是高速加工鑄鐵和鎳基合金的理想刀具材料。由于它和鋼的化學(xué)親和性大，Sialon陶瓷刀具不適合加工鋼。

Si3N4晶須增韌陶瓷刀具

晶須增韌陶瓷是在Si3N4基體中加入一定量的碳化物晶須而成，從而可提高陶瓷刀具的斷裂韌性。如我國(guó)北京方大高技術(shù)陶瓷有限公司生產(chǎn)的FD03刀片及湖南長(zhǎng)沙工程陶瓷公司生產(chǎn)的SW21牌號(hào)均屬這一類(lèi)。FD03刀片是在Si3N4陶瓷基體中加入了硬質(zhì)彌散顆粒TiC，SW21刀片是在Si3N4中加入了一定量的SiC晶須，故有較好的使用性能。國(guó)外一些切削專(zhuān)家認(rèn)為，用Si3N4基陶瓷切削鋼材效果不如Al2O3基復(fù)合陶瓷，故不推薦用其加工鋼材。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬鋼(60～68HRC)、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時(shí)具有較好的效果。

2 金屬陶瓷刀具

Ti(C.N)基金屬陶瓷刀具

    金屬陶瓷也叫硬質(zhì)合金或燒結(jié)碳化物，它是陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料以TiC為主要成分的合金，其硬度與耐熱性接近陶瓷而抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性比陶瓷高，其中金屬碳化物是硬質(zhì)相，一般占80%以上；其余為鐵、鈷、鎳等金屬相。作為粘結(jié)劑。日本對(duì)金屬陶瓷特別青睞，如今，在日本的金屬切削領(lǐng)域中。金屬陶瓷刀片已占可轉(zhuǎn)位刀片總數(shù)的30%，迄今仍在擴(kuò)大應(yīng)用范圍。而美國(guó)卻只占5%，但有人預(yù)示美國(guó)制造業(yè)中已經(jīng)能看到大量應(yīng)用金屬陶瓷的前景。

    金屬陶瓷硬度高，強(qiáng)度低，韌性低，因此不宜在有強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)的情況下使用。金屬陶瓷的導(dǎo)熱性、耐熱性、抗粘結(jié)性和化學(xué)穩(wěn)定性比高速鋼好得多，因此。在刀具材料中獲得了廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)在，金屬陶瓷的發(fā)展方向是超細(xì)晶�；�和對(duì)其進(jìn)行表面涂層。超細(xì)晶粒金屬陶瓷可以提高切削速度，也可用來(lái)制造小尺寸刀具。以納米TiN占2%～15wt%改性的TiC或Ti(CN)基金屬陶瓷刀具，硬度高、耐磨性好，其熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、耐蝕性、抗氧化性及高溫硬度、高溫強(qiáng)度等都有明顯優(yōu)勢(shì)。與硬質(zhì)合金刀具相比，該刀具的耐用度和使用壽命提高1～50倍，切削速度提高1.5～3倍，成本與其相當(dāng)或略高，而金屬切削加工費(fèi)用下降20%-40%與普通Ti(C.N)基金屬陶瓷刀具相比，該刀具可靠性更高。

涂層金屬陶瓷刀具

    涂層金屑陶瓷目前發(fā)展速度非常迅速。涂層分為硬涂層和軟涂層，前者主要是金屬碳氮化物，包括TiN、TiC、Ti(CN)、TiAIN、CrC、CrN等。其中TiN的工藝最成熟。應(yīng)用最廣泛硬涂層主要是提高其硬度和耐磨性。一般可進(jìn)行多層復(fù)合涂層。后者主要是Mos基涂層，可以降低摩擦系數(shù)。另外，軟硬涂層可以復(fù)合使用。

納米TiN改性的TiC基金屬陶瓷刀具

    最近由美國(guó)學(xué)者開(kāi)發(fā)的納米涂層刀具是利用納米技術(shù)的一種新刀具。這種涂層方法采用多種材料的不同組合(如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合、固體潤(rùn)滑劑/金屬組合等)，以滿(mǎn)足不同的功能和性能要求。其中TiC/TiN復(fù)合涂層是典型涂層材料，它相對(duì)于在TiC基加入TiN硬質(zhì)合金而言，其抗彎強(qiáng)度得到進(jìn)一步的提高，刀具的硬度和韌性顯著增加。又因其具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤(rùn)滑性能，十分適合于于切削。但納米涂層的涂覆必須采用先進(jìn)的工藝，如封閉場(chǎng)不平衡磁濺射法(CFUMS)它要求精確的參數(shù)控制和先進(jìn)的設(shè)備等，必然造成刀具成本的大幅提高。同時(shí)受工藝和切削條件的影響，涂層的粘結(jié)強(qiáng)度可能不足，切削時(shí)涂層容易脫落。切削性能迅速降低或失效。

納米金屬陶瓷刀具成分為：53TiC-10TIN(nm)-18Mo-18Ni-1C，TiN納米粉粒度為30nm-50nm。實(shí)驗(yàn)表明，各力學(xué)性能的峰值分別對(duì)應(yīng)一定的納米TiN的添加量。據(jù)合肥工業(yè)大學(xué)試驗(yàn)，當(dāng)添加量體積數(shù)6%-8%時(shí)�？色@得較優(yōu)的綜合物理力學(xué)性能。

3 陶瓷刀具材料的研究思路和展望 

    根據(jù)Hall-petch關(guān)系，晶粒尺寸越小陶瓷材料的硬度和強(qiáng)度越高。當(dāng)晶粒尺寸小到100nm左右時(shí)，強(qiáng)度和硬度會(huì)有很大突破。但是納米粉的活性很大，界面反應(yīng)激活能較低，在燒結(jié)過(guò)程中極易長(zhǎng)大，盡管加入抑制劑，效果仍不理想，因此目前還沒(méi)有納米級(jí)陶瓷刀具材料研制成功的報(bào)道。納米改性、納米復(fù)合成功解決了晶粒的異常長(zhǎng)大問(wèn)題，納米級(jí)粒子釘扎或進(jìn)入位錯(cuò)區(qū)使基體晶粒內(nèi)形成亞晶界，導(dǎo)致基體晶粒細(xì)化。納米改性、納米復(fù)合及超細(xì)晶粒陶瓷刀具材料的研究與開(kāi)發(fā)將是今后刀具材料發(fā)展的主要方向。

陶瓷刀具材料是一種最有前途的高速切削刀具材料，在生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用前景。目前，它已引起世界各國(guó)的重視。在德國(guó)約70%加工鑄件的工序是用陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%～10%。我國(guó)陶瓷刀具的發(fā)展也十分迅速，研究與開(kāi)發(fā)水平與國(guó)際相當(dāng)。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬質(zhì)合金有更好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在高速條件下切削加工并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)問(wèn)，比用硬質(zhì)合金刀具平均提高效率3～10倍。它實(shí)現(xiàn)以車(chē)代磨、以銑代拋的高效“硬加工技術(shù)”及“干切削技術(shù)”，提高零件加工表面質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)干式切削，對(duì)控制環(huán)境污染和降低制造成本有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

    新型陶瓷刀具材料具有其它刀具材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展空問(wèn)非常大。通過(guò)對(duì)陶瓷刀具材料組分、制備工藝與材料設(shè)計(jì)的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性和紅硬性的基礎(chǔ)上，極大的提高刀具材料的韌性和抗沖擊性能，制備符合現(xiàn)代切削技術(shù)使用要求的適宜材料�？梢灶A(yù)料，隨著各種新型陶瓷刀具材料的使用。必將促進(jìn)高效機(jī)床及高速切削技術(shù)的發(fā)展，而高效機(jī)床及高速切削技術(shù)的推廣與應(yīng)用，又進(jìn)一步推動(dòng)新型陶瓷刀具材料的使用。