金屬陶瓷刀具材料研究進(jìn)展

李少峰 劉維良 彭牛生 張小鋒

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，景德鎮(zhèn)：333001）

1 前言

在工業(yè)界，金屬加工用切削刀具是一種非常重要的產(chǎn)品。常用刀具材料分為以下幾類：（1）高速鋼材料；（2）硬質(zhì)合金材料；（3）陶瓷刀具材料；（4）超硬刀具材料[1]，它們的力學(xué)性能比較如表1。

陶瓷材料以其優(yōu)異的耐熱性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性成為目前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。在高速切削領(lǐng)域和切削難加工材料方面扮演著越來越重要的角色。

陶瓷刀具的優(yōu)越性體現(xiàn)在：（1）可加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的高硬材料；（2）不僅能對高硬度材料進(jìn)行粗、精加工，也可進(jìn)行銑削、刨削、斷續(xù)切削和毛坯粗車等沖擊力很大的加工；（3）耐用度比傳統(tǒng)刀具高幾倍甚至幾十倍，減少了加工中的換刀次數(shù)，保證被加工工件的小錐度和高精度；（4）高速切削或?qū)崿F(xiàn)“以車、銑代磨”，切削效率比傳統(tǒng)刀具高。由于它具有耐高溫、耐磨、抗高溫蠕變、導(dǎo)熱系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)低、耐化學(xué)腐蝕性好等特點，在其他材料性能不能滿足要求的條件下而得到廣泛的應(yīng)用。

近年來，陶瓷刀具產(chǎn)業(yè)取得了快速的發(fā)展，現(xiàn)代陶瓷刀具材料多為復(fù)合材料。目前應(yīng)用于刀具的陶瓷材料主要為氧化鋁系、氮化硅系、硼化鈦系和金屬陶瓷等系列[3]。而其中的金屬陶瓷基復(fù)合材料是上世紀(jì)三十年代逐漸發(fā)展起來的一種新型材料[4]。金屬陶瓷是一種由金屬或合金與一種或幾種陶瓷相所組成的非均質(zhì)復(fù)合材料，其中后者約占15%～85%（體積）[4-6]。

金屬陶瓷刀具的硬度比硬質(zhì)合金刀具高，抗氧化性能好[7]，并且斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度比非金屬陶瓷刀具高[4]，其更適合于對淬火鋼、高強(qiáng)度鋼以及鑄鐵的加工，因此有必要進(jìn)行高性能金屬陶瓷刀具材料的研究，促進(jìn)其實際應(yīng)用。金屬陶瓷刀具不僅可以大大提高生產(chǎn)效率，還可以解決高速鋼與硬質(zhì)合金刀具的主要成分鎢資源在全球范圍內(nèi)的資源枯竭問題[8]。

表1 幾種刀具材料的力學(xué)性能比較[2]Tab.1 Comparison of mechanical properties between different cutter materials

表2 T i C和WC的性能對比[18]Tab.2 Comparison of properties between TiC and WC

刀具材料雖然種類繁多，根據(jù)統(tǒng)計資料，目前主要刀具材料仍然是高速鋼和硬質(zhì)合金材料，但從發(fā)展趨勢來看，金屬陶瓷刀具材料所占比例逐年增加，是近幾年來研究的熱點。

2 金屬陶瓷刀具的研究現(xiàn)狀

根據(jù)金屬陶瓷中主要非金屬相的種類，金屬陶瓷刀具材料可分為如下幾種：

2.1 氧化物基金屬陶瓷

A12O3基金屬陶瓷材料可用作高速切削刀具材料，并且在高溫條件下可以應(yīng)用。

A12O3-金屬陶瓷刀具[9-11]：在基體中加入少量(10wt%以下)的金屬(如Cr、Al、Ni、CO、MO、W、Ti等)可以提高陶瓷基體的斷裂韌性，但由于其抗氧化性能差、耐磨性不足、蠕變強(qiáng)度低等缺點，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。

A12O3-金屬-碳化物(氮化物)陶瓷刀具[12-15]：以A12O3微細(xì)粉與TiC、粘結(jié)金屬Co、Ni等進(jìn)行熱壓燒結(jié)，經(jīng)檢測其有很高的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度，其斷裂韌性達(dá) 5.2MPa·m1/2，硬度 21Gpa，抗彎強(qiáng)度達(dá)900MPa，因此有較好的切削性能，適于加工合金鋼、錳鋼、鑄鋼、淬火鋼或鎳及陶瓷等非金屬材料。

A12O3-金屬-碳氮化物陶瓷刀具具有優(yōu)良的紅硬性、耐磨性、導(dǎo)熱性、高強(qiáng)度和高韌性等優(yōu)點性能，抗彎強(qiáng)度為1200～1300MPa，硬度為HV1800-1900，斷裂韌性達(dá)5～6MPa·m1/2。不僅適合切削加工高硬度淬火鋼、高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋼、不銹鋼以及各種合金鋼和碳鋼，還可以加工高硬度的各種合金鑄鐵[16-17]。

2.2 碳化物基金屬陶瓷

WC基金屬陶瓷是迄今能保證材料高力學(xué)性能的最好的結(jié)構(gòu)組合和原子間相互作用的典型示例，其硬度和抗彎強(qiáng)度分別達(dá)到了89HRA和1500MPa。在碳化物基金屬陶瓷中，除WC外，TiC基金屬陶瓷的研究也相當(dāng)成熟。TiC陶瓷的熔點(3430℃)高于WC (2870℃)，耐磨性好，密度只有WC的1/3，線脹系數(shù)和抗氧化性比WC好，而且都能被Co潤濕，因此可用來替代目前廣泛使用的WC-Co基金屬陶瓷而大大降低成本，故引起了人們極大的研究興趣。兩者的性能比較如表2。

2.3 碳氮化物基金屬陶瓷

在碳氮化物基金屬陶瓷系中，Ti(C,N)基金屬陶瓷于1931年問世[19]，但是直到上世紀(jì)70年代才成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[18]。

Ti(C,N)基金屬陶瓷是在WC基金屬陶瓷和TiC基金屬陶瓷基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種具有高強(qiáng)度、高硬度以及優(yōu)良的高溫、耐磨性能的新型金屬陶瓷[20]。近年來,Ti(C,N)基金屬陶瓷的強(qiáng)度得到不斷提高,從700～800MPa提高到1800～2000Mpa。在燒結(jié)過程中，TiN使液相出現(xiàn)的溫度升高，在同一溫度下燒結(jié)時，Ti、Mo由于液相的相互擴(kuò)散而受到限制，從而抑制了晶粒的析出長大，提高材料的性能。液相中Mo濃度的上升和Ti濃度的減少，也抑制了脆性中間相的生成，使Ti(C,N)基金屬陶瓷獲得了比傳統(tǒng)TiC基金屬陶瓷更高的韌性和強(qiáng)度[2]（見表3）。

Ti(C,N)基金屬陶瓷的性能特點：(1)硬度很高；(2)有很高的耐磨性；(3)有較高的抗氧化能力；(4)有較高的耐熱性；(5)化學(xué)穩(wěn)定好[21]。

Ti(C,N)金屬陶瓷刀具材料的主要原料是鈦，鈦在地球上的貯量為傳統(tǒng)的WC基硬質(zhì)合金刀具材料的主要原料W的70倍，具有極大的成本和資源優(yōu)勢。因此，Ti(C,N)金屬陶瓷成為近期各國研究的主要刀具新材料之一。

表3 T i(C,N)和T i C基金屬陶瓷高溫性能對比[18]Tab.3 Comparison of high temperature properties between Ti(C,N)-based cermet and TiC-based cermet

2.4 硼化物基金屬陶瓷

硼化物基金屬陶瓷是在1980年代后期開始研究的，用來粘結(jié)硼化物的金屬主要有Co、Mo、Fe、Ni以及它們的合金。金屬硼化物具有高的導(dǎo)熱率和高溫穩(wěn)定性，可用于非常耐熱和耐蝕的條件。TiB2在溫度超過1100℃時力學(xué)性能超過其它所有陶瓷材料。目前在TiB2基金屬陶瓷中，研究較多的是 TiB2-Fe、TiB-Fe-Mo、TiB2-Fe-Cr-Ni等金屬陶瓷，認(rèn)為TiB2基金屬陶瓷是一種很有發(fā)展前途的硬質(zhì)相[22-23]。

3 金屬陶瓷刀具材料的制備方法

3.1 真空液相燒結(jié)法（常規(guī)制備方法）

真空液相燒結(jié)法是指粉料在真空條件下，在燒結(jié)過程中生成液相的一種燒結(jié)方法。真空液相燒結(jié)法主要包括球磨、干燥、造粒、壓制、燒結(jié)等幾個步驟，首先按試驗配方將試驗所用粉料稱量后，倒入尼龍球磨罐中并放入硬質(zhì)合金球，采用酒精濕磨。濕磨后將混合料放入遠(yuǎn)紅外烘箱中烘干，然后加入粘結(jié)劑進(jìn)行造粒，粉料經(jīng)造粒后，放入模具中進(jìn)行壓制成形，將壓制成形后的毛坯放入烘箱中進(jìn)行烘干，再放入真空爐中進(jìn)行脫脂，將脫脂后的試樣放入真空爐中進(jìn)行燒結(jié)。

3.2 機(jī)械合金化方法

機(jī)械合金化是在一個常溫下利用高效球磨過程完成的非平衡固態(tài)反應(yīng)過程。通常將欲合金化的原料粉末按一定的比例，機(jī)械混合于高能球磨機(jī)中，在長時間運(yùn)轉(zhuǎn)過程中將回轉(zhuǎn)能傳遞給合金粉末，粉末在球磨介質(zhì)的反復(fù)沖擊下經(jīng)歷反復(fù)的擠壓和粉碎過程，最后形成固態(tài)合金材料。目前利用機(jī)械合金化方法制備金屬陶瓷刀具還不是很成熟，但其作為一種新的復(fù)相金屬陶瓷制備方法，已經(jīng)引起了廣大材料工作者的關(guān)注[12]。

3.3 放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)是利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生的瞬間高溫實現(xiàn)燒結(jié)的一種方法[24]。放電等離子燒結(jié)(SPS)可原位清除粒子表面的氧化物和吸附氣體，增強(qiáng)相界面的潤濕性，促進(jìn)原子擴(kuò)散和加速致密化過程的進(jìn)行；通過在石墨模具兩端加上高脈沖電流，可以進(jìn)行加熱和冷卻，大大縮短燒結(jié)時間，阻止晶粒長大，保留粉末的原始特性，從而獲得超細(xì)甚至納米結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷。多種燒結(jié)驅(qū)動力的存在可大大降低燒結(jié)溫度，加速致密化過程，從而在較短的時間內(nèi)獲得較高的致密度，甚至達(dá)到完全致密。此外，SPS燒結(jié)還能節(jié)約時間和能源，提高燒結(jié)設(shè)備的利用率[25]。

3.4 熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)是一種壓制成形和燒結(jié)同時進(jìn)行的粉體材料成形工藝方法，是將粉末裝在壓模內(nèi)，在專門的熱壓設(shè)備中加壓同時把粉末加熱到熔點以下，在高溫下單向或雙向施壓成形的過程。在燒結(jié)過程中，高溫高壓的交互作用使粉體顆粒的粘性、塑性流動及原子的擴(kuò)散得以加強(qiáng)；同時顆粒與顆粒間的接觸點因有較大的接觸電阻，在燒結(jié)時的強(qiáng)電流下產(chǎn)生電弧或局部大量發(fā)熱，而且在電磁場的作用下，進(jìn)一步加速了原子的擴(kuò)散，有利于燒結(jié)頸的形成和長大，具有催化和活化燒結(jié)功效，并有利于坯件的燒成，使燒結(jié)溫度降低、時間縮短、性能提高。熱壓燒結(jié)具有燒結(jié)時間短、溫度低、晶粒細(xì)、產(chǎn)品性能高等優(yōu)點，一般用于制造形狀簡單的制品[26]。

除上述方法之外，還有其他的制備方法。如：高溫自蔓延合成法、微波燒結(jié)、等離子噴涂法等[24-26]。

4 金屬陶瓷刀具的增韌機(jī)理

金屬陶瓷刀具的增韌方法有很多種，有顆粒增韌、晶須纖維增韌、相變增韌、延性相增韌等[28-29]，其中延性相增韌是目前研究的一種最有效的增韌方法，引起了大量科研工作者的廣泛關(guān)注。

在延性相增韌的陶瓷基復(fù)合材料中，延性相（金屬相）在陶瓷基體中的形態(tài)有彌散顆粒、連續(xù)或部分連續(xù)的網(wǎng)、纖維或板片狀等。金屬相在陶瓷材料中的主要增韌機(jī)理有裂紋橋接、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋屏障等。眾多研究表明其主要增韌機(jī)制是裂紋橋接，裂紋在陶瓷基復(fù)合材料中擴(kuò)展時，隨著裂紋的擴(kuò)展延伸，金屬相受到拉應(yīng)力，發(fā)生塑性變形且消耗很多能量，從而提高斷裂韌性。

金屬增韌相在材料中的形態(tài)對復(fù)合材料的力學(xué)性能也有明顯影響。當(dāng)金屬相為顆粒時，在裂紋面經(jīng)常被拔出；當(dāng)金屬相為網(wǎng)狀、片狀和纖維狀時，不易發(fā)生金屬相和基體的脫離，此時較弱的界面結(jié)合強(qiáng)度有利于界面局部分離，提高斷裂韌性。

5 對金屬陶瓷刀具的展望

金屬陶瓷材料刀具硬度高、耐磨損且具有高溫抗氧化能力，但也存在脆性高、韌性低等問題，因此，對金屬陶瓷刀具材料進(jìn)行增韌一直是提高性能突破的方向，其中通過添加納米粉體對刀具材料進(jìn)行改性，為金屬陶瓷刀具的增強(qiáng)增韌提供了新的途徑[30]。但是，純納米粉體因其易團(tuán)聚、成本高等缺點，在一定程度上限制了它在實際中的應(yīng)用，而以微米材料為基體、納米材料為添加相既可提高材料力學(xué)性能又可降低材料成本，是研究中的一個重要方向，也將促進(jìn)金屬陶瓷刀具的實際應(yīng)用[16]。然而，納米材料的最佳添加量及納米材料改性的機(jī)理仍然需要探討研究。晶粒超細(xì)化[6]和對材料進(jìn)行表面涂層處理[1]也是金屬陶瓷的一個發(fā)展方向。

隨著綠色環(huán)保觀念的流行，制備低成本、高性能的金屬陶瓷不但可以節(jié)約W、Co等稀有資源，對于完善金屬陶瓷材料性能有創(chuàng)新性的學(xué)術(shù)意義，而且對于金屬陶瓷刀具材料在切削加工行業(yè)中的推廣和應(yīng)用，以及促進(jìn)我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的實際意義。

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