陶瓷刀具材料的發(fā)展趨勢

楊晴　楊琳琳　楊凌霄

摘 要：在各類加工方法中，機(jī)械加工中的切削加工和磨削加工在機(jī)械制造過程中所占比重最大，用途最廣。隨著加工業(yè)的發(fā)展，難加工材料的使用日益增多，對加工效率和加工質(zhì)量的要求不斷提高，與之聯(lián)系密切的刀具材料的改進(jìn)，性能的提高，新型刀具材料的研制一直沒有間斷，且越來越受到重視。

關(guān)鍵詞：陶瓷；刀具；微納米

刀具在工作時，要承受很大的壓力，并與工件作用時因金屬塑性變形，接觸表面產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，為了使刀具在高溫高壓下，仍具有一定的切削性能和使用壽命，刀具材料應(yīng)具有一般材料所不具備的一些基本性質(zhì)。

1.高的硬度和耐磨性

2.足夠的強(qiáng)度和韌性

3.高的耐熱性

4.良好的熱物理性質(zhì)和耐熱沖擊性能

5.良好的工藝性能

6.經(jīng)濟(jì)性

常用的刀具材料有碳素工具鋼，合金工具鋼，高速鋼，硬質(zhì)合金，陶瓷，金剛石，立方碳化硼等，目前刀具材料中用的最多的是高速鋼和硬質(zhì)合金。伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械加工技術(shù)正朝著高效率，高精度的方向發(fā)展，許多新工藝，新技術(shù)得到了開發(fā)和應(yīng)用。高速切削加工既能減少切削力，又能產(chǎn)生帶狀切屑，提高加工質(zhì)量，對提高生產(chǎn)效率和降低成本有著重要的作用，是值得推廣的先進(jìn)加工技術(shù)。然而，高速切削時，刀具和工件之間將會出現(xiàn)劇烈碰觸，且相互擠壓的強(qiáng)場應(yīng)力很大，切削溫度急劇增高，切屑流速很快，主軸振動較大，要求材料具有高強(qiáng)度，高硬度，高耐磨性，高耐熱性和高抗熱震性等更為嚴(yán)苛的條件，一些新型刀具材料對于高速切削有著更大的優(yōu)勢。其中的陶瓷材料的高硬度，高強(qiáng)度，高抗熱震性，高抗氧化性和低的摩擦系數(shù)使其在高速切削中具有很大的優(yōu)勢。

1 微納米復(fù)合陶瓷刀具材料

陶瓷材料的塑性和韌性較差，但是目前Si3N4基陶瓷刀具材料研究的增韌補(bǔ)強(qiáng)方法，使新Si3N4基復(fù)合陶瓷刀具材料廣泛應(yīng)用于實(shí)際加工場合。多年來各國學(xué)者分別提出多種增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理，如顆粒彌散增韌，晶須增韌，相變增韌，協(xié)同增韌以及其他特殊工藝技術(shù)。顆粒彌散增韌是目前應(yīng)用最廣，最為成功的工藝，該工藝是在基體中加入高彈性模量的增強(qiáng)相顆粒，吸收部分?jǐn)嗔涯埽菙嗔秧g性增強(qiáng)不明顯。晶須增韌是利用基體材料中添加的晶須晶粒，在切削時產(chǎn)生的晶粒拔出，裂紋偏轉(zhuǎn)等增韌機(jī)制，使其具有優(yōu)良的高溫性能。晶須增韌陶瓷韌性較高，為其他類型陶瓷刀具材料的兩倍左右，主要Al2O3/SiCw等。相變增韌是利的馬氏體相引起的應(yīng)力誘導(dǎo)的相變增韌和微裂紋增韌，斷裂韌性增韌幅度大，但強(qiáng)度降低，高溫下增韌效果差。相變增韌的相變產(chǎn)生體積膨脹，當(dāng)主裂紋進(jìn)入微裂紋作用區(qū)后，誘發(fā)一系列小裂紋，產(chǎn)生新的斷裂表面，從而吸收主裂紋擴(kuò)展的能量。協(xié)同增韌主要集中在晶須增韌和相變增韌的協(xié)同及晶須增韌與顆粒增韌的協(xié)同等方面，使陶瓷具有優(yōu)良的綜合性能。

新Si3N4基微納米復(fù)合陶瓷刀具是在Si3N4陶瓷基體中加入碳化鈦，碳氮化鈦—氮化鈦等納米級顆粒作為第二增強(qiáng)相，硬度提高很多，強(qiáng)度和斷裂韌度仍保持較高的水平。

1）自潤滑陶瓷刀具材料

自潤滑陶瓷刀具材料可以減小高速切削中的磨損，對切削過程有著積極的影響。目前，陶瓷刀具實(shí)現(xiàn)自潤滑功能有三種方式：

2）原位反應(yīng)

陶瓷刀具在高速切削時的摩擦熱引起刀具材料的化學(xué)反應(yīng)，在其表面原位生成具有潤滑作用的反應(yīng)膜，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)陶瓷刀具的自潤滑，該方法僅在較高的切削溫度下有效。

3）對刀具表面進(jìn)行涂覆潤滑涂層

對陶瓷刀具進(jìn)行自潤滑涂層或表面離子注入，形成具有自潤滑功能的表面。該方法對刀具的鋒利性和抗剝落性影響較大。

2 添加固體潤滑劑

將固體潤滑劑加入陶瓷刀具基體材料中燒結(jié)，制成自潤滑陶瓷刀具材料，具有較寬的工作溫度和較高的穩(wěn)定性。

3 梯度功能陶瓷刀具材料

梯度功能陶瓷刀具材料可以看作是涂層陶瓷材料的一種，更可視為是涂層基體梯度化研究的延伸。功能梯度材料（FGM）最初用于金屬和陶瓷材料組合中，用連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面，起到緩和熱應(yīng)力功能，提高抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。

4 添加稀土元素的陶瓷刀具材料

目前，已研制出一種稀土補(bǔ)Al2O3/（W，Ti）C新型陶瓷刀具材料。稀土元素的添加能以凈化界面，提高界面結(jié)合強(qiáng)度以及納米質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化的作用機(jī)制顯著提Al2O3/（W，Ti）C陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度。

通過對一些新型刀具材料的分析和探討，可以為發(fā)現(xiàn)更多新型加工方法和刀具材料提供基礎(chǔ)。除了陶瓷材料，還有立方碳化硼，硬質(zhì)合金等材料可以利用上述原理制成新型刀具材料，另外，上述原理也可以交叉利用，例如制成梯度自潤滑陶瓷刀具材料等。新型刀具材料的前景十分廣闊，研究還在進(jìn)行，我相信會有越來越多的新型刀具材料出現(xiàn)，帶來加工產(chǎn)業(yè)的重大革新！

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

楊晴（1995—），女，漢族，河南省駐馬店市人，單位：鄭州大學(xué)機(jī)械工程與自動化專業(yè)。

楊琳琳（1992-），女，漢族，河南省南陽市人。單位：鄭州大學(xué)機(jī)械工程及自動化專業(yè)。

楊凌霄（1993—），男，漢族，浙江省寧?？h人，單位：鄭州大學(xué)機(jī)械工程與自動化專業(yè)。