陶瓷刀具材料的現(xiàn)狀

【摘 要】介紹了現(xiàn)階段使用的陶瓷刀具的分類、陶瓷刀具的各方面性能和陶瓷刀具的實(shí)際應(yīng)用范圍，回顧了部分陶瓷刀具的發(fā)展歷史，展望了陶瓷刀具未來的發(fā)展方向。認(rèn)為陶瓷材料在今后的工業(yè)生產(chǎn)中依然擁有較大的發(fā)展空間。

【關(guān)鍵詞】陶瓷；刀具；賽阿龍；立方氮化硼

0 引言

隨著工業(yè)水平的提升，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著數(shù)控機(jī)床的迅速升級，出現(xiàn)了各種各樣傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具難以加工的高硬度、高強(qiáng)度、耐磨、耐高溫等特性的具有高難度的新型加工材料。而陶瓷刀具作為新型的切削刀具材料，由于其不但擁有良好的高速切削性能，還能進(jìn)行干切削，滿足了實(shí)際的生產(chǎn)需求，使得陶瓷刀具在切削加工中起到了越來越重要的作用。陶瓷刀具的大量應(yīng)用也印證了新技術(shù)的不斷進(jìn)步。

1 氧化鋁基陶瓷

氧化鋁基陶瓷是目前市面上應(yīng)用最廣的陶瓷刀具材料。該系列刀具以氧化鋁為主體，通過添加的成分不同可分為純氧化鋁陶瓷、氧化鋁-碳化物系陶瓷、氧化鋁-金屬系陶瓷和氧化鋁-碳化物-金屬系陶瓷。其中的純氧化鋁陶瓷由于性能較差，切削時(shí)易崩刃，已逐漸被其他氧化鋁復(fù)合陶瓷取代。氧化鋁-碳化物系陶瓷是一種發(fā)展速度快、使用性能好的陶瓷刀具材料，具有相當(dāng)高的硬度和抗彎強(qiáng)度，而氧化鋁-金屬系陶瓷由于其抗氧化性差所以極少被采用。氧化鋁基陶瓷具有良好的耐高溫性和耐磨性，在高溫下仍可保持穩(wěn)定的化學(xué)性能，具有良好的抗粘結(jié)能力，工件表面粗糙度低。但是由于氧化鋁基陶瓷中含有大量鋁元素，使其與金屬鋁有較強(qiáng)的親和力，在加工鋁合金工件時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的磨損，故氧化鋁基陶瓷刀具不適合加工切削鋁合金工件。[1]

2 氮化硅基陶瓷

氮化硅基陶瓷刀具是從20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的非氧化物工程陶瓷刀具材料。它是以高純度的氮化硅為原料，添加MgO、AL2O3，Y2O3等為助燒結(jié)劑，通過熱壓成型燒結(jié)而成。具有較高的強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度、良好的耐磨性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱沖擊性，相對于以往陶瓷刀具要搞的疲勞強(qiáng)度，以及良好的斷裂韌性。在許多方面其性能都超過了氧化鋁陶瓷，但是在切削鋼材方面不如氧化鋁陶瓷效果好，因此不適合加工鋼材?，F(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的氮化硅基陶瓷種類有單一氮化硅陶瓷及氮化硅復(fù)合陶瓷。[1，4]

3 復(fù)合氮化硅—氧化鋁陶瓷

Si3N4-Al2O3-Y2O3復(fù)合陶瓷叫賽阿龍（Sialon）。最初由英國研制成功，是將氧化鋁和氮化硅熱壓燒結(jié)產(chǎn)生的固溶體。相比于氮化硅陶瓷，具有更好的耐熱性、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力、抗塑性變形和抗氧化性。賽阿龍?zhí)沾傻毒哌m合進(jìn)行高速切削、強(qiáng)力切削、斷續(xù)切削，而且不僅適合于干切削，也適合于濕切削。賽阿龍?zhí)沾墒羌庸よT鐵、鎳基合金、鈦基合金和硅鋁合金的理想道具。因?yàn)榕c鋼的化學(xué)親和力大，賽阿龍?zhí)沾傻毒卟贿m合加工鋼材。目前國際上對于該陶瓷刀具的研究非?；钴S，在各個(gè)方面的研制都取得了良好的成果。[2-5]

4 鈦基金屬陶瓷

鈦基金屬陶瓷是陶瓷和金屬的復(fù)合材料。作為以TiC為主要成分的合金，擁有和陶瓷相近的硬度和耐熱性，但有著比陶瓷更高的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，而且化學(xué)穩(wěn)定性好，具有良好的抗氧化性及抗月牙洼磨損和抗粘結(jié)能力。其中的80%是作為硬質(zhì)相的金屬碳化物，其余為作為粘結(jié)劑的鐵、鈷、鎳等金屬相。主要應(yīng)用于數(shù)控領(lǐng)域中，其可加工范圍覆蓋了大部分的種類的鑄鐵、金屬和非金屬材料，以及各種鋼材和耐熱合金等。為了配合生產(chǎn)可以制作成各種機(jī)類可轉(zhuǎn)位刀具或各種尺寸較小的整體復(fù)雜刀具使用。現(xiàn)在有著巨大潛力的鈦基金屬陶瓷，在將來也是數(shù)控領(lǐng)域中重要的刀具品種。[6]

5 氧化鋯基陶瓷

選擇二氧化鋯作為提高陶瓷性能的原因是二氧化鋯具有耐熱，耐磨，耐高溫，耐腐蝕，穩(wěn)定性高，導(dǎo)電性好，熱膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)。氧化鋯基陶瓷種類繁多，這是由于氧化鋯具有多種相態(tài)，而以不同的形態(tài)存在時(shí)具有不同的性能造成的。目前應(yīng)用最多有四方氧化鋯多晶體（TZP）、部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ）、以TZP或PSZ為基體的增韌陶瓷和以氧化鋯為分散相的復(fù)相陶瓷。這些不同種類的氧化鋯基陶瓷因?yàn)槠涓鳟惖膬?yōu)良性能在相應(yīng)的場合有著廣泛的應(yīng)用。而氧化鋯基陶瓷的優(yōu)異性能使得其成為應(yīng)用面最廣的氧化物陶瓷之一。[7，9-10]

6 納米陶瓷刀具

納米復(fù)合材料陶瓷是以陶瓷為基體把納米顆粒、納米晶須及纖維擴(kuò)散到其中來起到強(qiáng)化的作用，強(qiáng)化后的納米復(fù)合材料它力學(xué)性能、蠕變強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和耐高溫性能都得到了顯著的提高。在切削性能方面納米復(fù)合陶瓷刀具的耐磨性和切削速度顯著增強(qiáng)。目前使用納米技術(shù)制備的陶瓷刀具有：納米復(fù)合陶瓷刀具材料和納米涂層陶瓷刀具材料。其中納米涂層陶瓷刀具的涂層方法可以采用多種材料的不同組合來滿足不同的功能和性能的需求[11]。

7 涂層金屬陶瓷刀具

涂層金屬陶瓷刀具的涂層分為硬涂層和軟涂層，目前硬涂層包括TiN、TiC、Ti（CN）、TiALN、CrN等一系列金屬氮化物。其中TiN的應(yīng)用最廣泛。硬涂層是提高刀具的硬度和耐磨性。并且在一般情況下可進(jìn)行多層復(fù)合涂層。軟涂層主要以MoS為基的涂層。其作用是降低摩擦系數(shù)，且軟硬涂層還能復(fù)合使用。涂層刀具的出現(xiàn)，使刀具的切削性能得到了很大的增強(qiáng)。應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，特別應(yīng)用于數(shù)控加工領(lǐng)域。目前涂層金屬陶瓷刀具發(fā)展迅速，在陶瓷涂層的研究中，為了得到較厚的涂層，現(xiàn)在工業(yè)的一般做法是按照涂層的組分按一定的比例梯度配比進(jìn)行涂層，來消除金屬和陶瓷因?yàn)榕蛎浵禂?shù)的不同而產(chǎn)生的應(yīng)力，這樣既能加厚了涂層還能保證涂層與金屬的緊密結(jié)合以保證使用的可靠和穩(wěn)定性。目前這類陶瓷也有了成果如山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院已開發(fā)成功了陶瓷一硬質(zhì)合金復(fù)合刀片F(xiàn)H-1和FH-2以及復(fù)相梯度陶瓷刀具材料FG-1、FG-2等[7]。

8 有機(jī)改性陶瓷

有機(jī)改性陶瓷又稱為聚合陶瓷或有機(jī)改性硅酸鹽是由無機(jī)鹽和聚合物以分子和原子為基礎(chǔ)聚合而形成的復(fù)合材料，它也是以納米為基礎(chǔ)的。它的特點(diǎn)是：復(fù)合尺度達(dá)到納米水平，復(fù)合材料之間是以化學(xué)鍵相結(jié)合的，所以它的性能比起以往的陶瓷刀具可以說是又進(jìn)了一個(gè)臺階。并且制備有機(jī)改性陶瓷的溫度適中，最終產(chǎn)物的均勻融合度好，性能優(yōu)良，已普遍得到人們的重視，不過要想得到更加優(yōu)良的性能開發(fā)其潛在的用途還有待于進(jìn)一步研究[7]。

9 增韌陶瓷刀具

9.1 相變增韌陶瓷

自Garvie首先研制成功高韌性的氧化鋯陶瓷， 并提出相變增韌理論， 經(jīng)過了這么多年的精心研究，在相變增韌方面也取得了不少成果，如Mg（ Ca或 Y）–PSZ， Y （ Ce）–TZP，ZTA，TTZ ，ZTM，ZDC等。其中TZP 和 PSZ 陶瓷屬于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷；相變增韌氧化鋯系（ TTZ） 陶瓷屬于耐磨陶瓷；而氧化鋯彌散陶瓷（ ZDC）是現(xiàn)在技術(shù)中比較經(jīng)濟(jì)適用的增韌方法。其增韌機(jī)理是通過控制燒結(jié)工藝使其內(nèi)部微觀組織產(chǎn)生增韌相以實(shí)現(xiàn)增韌的作用[8]。

9.2 纖維（ 晶須）增強(qiáng)陶瓷

陶瓷基體中含有一定長度的晶須以及類晶須狀的不連續(xù)彈性增韌相時(shí)， 斷裂過程中纖維的拔出、橋聯(lián)使裂紋擴(kuò)展的耗散能量增加， 從而提高了陶瓷的抗沖擊韌性。經(jīng)研究表明用兩種或兩種以上的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理對陶瓷的協(xié)同作用有很大的研究價(jià)值，這使人們對多組份陶瓷的組成工藝和結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系有了研究興趣。據(jù)了解SiCw是最普遍的增韌體。目前研究的材料有：SiC/ZrO2，J、SiC。/A12O3、SiCw/Si3N4等用以增強(qiáng)MoSi2， Al2O3，ZrO2， Si3N4， 以及玻璃及微晶玻璃等[8]。

9.3 顆粒彌散強(qiáng)化陶瓷

顆粒彌散復(fù)合陶瓷即用第二相顆粒的加入來使材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形時(shí)阻礙位錯(cuò)的滑移或產(chǎn)生蠕變?nèi)ゾ徑鈶?yīng)力集中，來達(dá)到增韌的效果，并且因二相粒子的種類數(shù)量、含量多少、分布情況、結(jié)晶形狀及尺寸大小的不同， 對基體材料的增強(qiáng)韌化程度和機(jī)理也不相同。目前研究的顆粒彌散陶瓷材料有SiC 彌散 Al2O3， TiC/Ni 復(fù)合材料， Al2O3-TiC 陶瓷， B4C 復(fù)合Al2O3基陶瓷， TiB2/Al2O3等[7]。

9.4 協(xié)同增韌陶瓷

協(xié)同增韌陶瓷是通過多種增韌機(jī)制的共同作用所引起的協(xié)同效應(yīng)來設(shè)計(jì)復(fù)相陶瓷。研究結(jié)果表明：各種增韌機(jī)理之間是可以相互作用的，但是不是每種增韌機(jī)理的疊加都會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效果，而且協(xié)同增韌的效果也不是幾種增韌效果的簡單相加。

10 立方氮化硼[12]

立方氮化硼（cBN）是一種人工合成的超硬材料，其硬度僅次于金剛石，具有很高的熱穩(wěn)定性，PcBN刀具在1000℃以下不會(huì)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，化學(xué)穩(wěn)定性好，導(dǎo)熱性好，摩擦系數(shù)低。在現(xiàn)代機(jī)械加工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。由于PcBN加工的對象種類繁多，因此刀具材料的選擇尤為重要。根據(jù)體系中是否加入結(jié)合劑，可以分為有結(jié)合劑的PcBN，表面鍍覆PcBN和純PcBN。

（1）有結(jié)合劑的PcBN

目前PcBN的結(jié)合劑有兩種類型。第一種，是由金屬及其合金組成的結(jié)合劑。這種結(jié)合劑對增強(qiáng)PcBN的韌性有良好的作用，缺點(diǎn)是在高溫條件下這種結(jié)合劑會(huì)軟化，耐磨性降低。第二種，是陶瓷與金屬合金組成的結(jié)合劑。這種結(jié)合劑解決了高溫條件下軟化的問題，可是抗沖擊性變差了，壽命變了短。目前來看，有結(jié)合劑的PcBN正朝著高斷裂韌性、高耐磨性方向發(fā)展。

（2）表面鍍覆PcBN

表面鍍覆PcBN是指在PcBN的表面，鍍覆陶瓷鍍層，如TiN，TiC，Tiw等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鍍層能夠提高PcBN刀具的切割性能。

（3）純PcBN

由于有結(jié)合劑的PcBN中存在非cBN的組分，降低了硬度和強(qiáng)度，因此就有了純PcBN的發(fā)展，但是純的PcBN又有一些新的問題，如韌性不足等。

11 結(jié)束語

新型陶瓷刀具材料優(yōu)勢明顯，發(fā)展空間非常巨大。通過對陶瓷刀具的材料、組分、制備工藝、增強(qiáng)機(jī)理、材料設(shè)計(jì)等方面的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性的基礎(chǔ)上，提高刀具材料的韌性和抗沖擊性能，制備出符合現(xiàn)代切削技術(shù)要求的材料。陶瓷刀具的研究和發(fā)展是一個(gè)比較熱門的話題，而陶瓷刀具的不斷發(fā)展和應(yīng)用必當(dāng)給機(jī)械加工業(yè)帶來一場新的變革，隨著性能更加優(yōu)良的陶瓷刀具的不斷開發(fā)和應(yīng)用，我國的機(jī)械制造業(yè)定會(huì)掀起一場非凡的革命。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]