機(jī)械切削領(lǐng)域陶瓷刀具研究進(jìn)展及趨勢

周晨　楊巍

摘 要：在高速度、低切削力的切削加工領(lǐng)域中，陶瓷刀具的使用日益普遍，是一個新興的極具發(fā)展?jié)摿Φ难邪l(fā)方向。陶瓷刀具不僅可以在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下為生產(chǎn)實際創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，還可以節(jié)省數(shù)量可觀的能源，從而達(dá)到能夠節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的目的。本文將介紹當(dāng)前以剛玉基（Al2O3）和氮化硅基（Si4N3）為代表的陶瓷切削刀具的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：陶瓷刀具；機(jī)械切削；進(jìn)展；氧化鋁基；氮化硅基

1 引言

高速度、低切削力的切削加工是當(dāng)前機(jī)械加工領(lǐng)域研究的熱點問題，而解決這一問題的關(guān)鍵是開發(fā)出性能符合要求的新型刀具材料，以及建立一套基于此類刀具材料成熟的可用于實際生產(chǎn)的切削運動理論體系[1]。目前已開發(fā)出適用于高速切削領(lǐng)域的以Al2O3基和Si4N3基為代表的陶瓷刀具，有用于切削Al-Si合金等有色合金的聚晶金剛石刀具；也有用于切削加工鑄鐵、淬硬鋼等黑色金屬的聚晶氮化硼刀具；還有碳氮化鈦等類型的刀具材料。陶瓷刀具可以加工普通低速刀具難以加工的超硬材料，其穩(wěn)定工作的溫度高于普通低速切削刀具，這從高速切削的加工角度講是極為有利的優(yōu)勢。本文將主要介紹以剛玉基（Al2O3）和氮化硅基（Si4N3）為代表的陶瓷切削刀具的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢。

2 陶瓷刀具的研究現(xiàn)狀

目前，在高速度、低切削力加工領(lǐng)域中陶瓷刀具材料是一個被人們廣泛重視的發(fā)展方向。陶瓷切削刀具材料具有刀具硬度高、耐磨性能優(yōu)異、物理化學(xué)性能穩(wěn)定（室溫至切削溫度的范圍）、在高溫下不易與被加工金屬材料粘合，以及與被加工金屬材料切削摩擦系數(shù)低、在切削高溫狀態(tài)下不易氧化等優(yōu)異的性能。目前，以德國、日本為代表的先進(jìn)工業(yè)國家陶瓷刀具使用量占切削加工刀具的5%～10%，并且呈逐年增大趨勢[2]。剛玉基（Al2O3）和氮化硅基（Si4N3）刀具是當(dāng)前具有代表性的兩大體系的陶瓷切削刀具。

2.1 氧化鋁基陶瓷刀具

剛玉基陶瓷刀具具有氧化鋁基陶瓷刀具材料加工金屬時不易黏刀、在高溫下切削工作穩(wěn)定等優(yōu)勢。但同時也存在韌性低，在加工過程中呈現(xiàn)出脆性較大等不足。因此，需要利用彌散強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化等方式吸收切削過程中的沖擊能量以提高韌性、降低加工脆性。當(dāng)采用軟質(zhì)點強(qiáng)化時，在提高韌性的同時，加速了刀具的磨損。因此，需要采用硬質(zhì)點強(qiáng)化的方式在保證高硬度、高耐磨性的同時提高切削韌性。目前，常用WC、TiC及碳化硅晶須等進(jìn)行氧化鋁基陶瓷刀具的韌性強(qiáng)化。

在Al2O3基陶瓷刀具中加入合適的碳化鈦（TiC），可以極大地提高剛玉基陶瓷刀具韌性低的問題。因此，這種刀具被普遍地采用，是使用較為廣泛的一種陶瓷刀具材料。研究表明，其可以被用來加工鑄鐵、碳鋼和部分有色合金[3]。此外，在Al2O3基陶瓷刀具中加入TiB2、ZrO2以及SiC晶須等材料也可以很好地改善剛玉基陶瓷刀具韌性低的缺陷，從而使陶瓷刀具投入到實際生產(chǎn)中。美國、德國等開發(fā)出了一系列增強(qiáng)韌性的Al2O3基陶瓷刀具牌號，用于工業(yè)生產(chǎn)中，如：德國發(fā)布的SN60、美國發(fā)布的KYON2500等，這些陶瓷刀具均不同程度的提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)科研單位在剛玉基陶瓷刀具的研究開發(fā)過程中，研制出了LT-55、SG-4等型號的陶瓷刀具材料。

鐘金豹[4]通過研究在氧化鋁基體上加入納米級別的ZrO2的顆粒，研制出了基于相變增韌和硬質(zhì)點彌散強(qiáng)化的剛玉基陶瓷材料A15Zc和A20Z（c+m）。力學(xué)性能實驗表明：A15Zc和A20Z（c+m）兩種陶瓷刀具材料的維氏硬度均在16～17 GPa范圍內(nèi)，抗彎強(qiáng)度分別為813 MPa和870 MPa，斷裂韌性分別為5.5 MPa·m1/2和5.9 MPa·m1/2。通過進(jìn)一步研究，將兩種刀具材料與市場上SG-4型號刀具在同一條件下切削45號鋼進(jìn)行抗磨損能力對比，在低速時兩種型號刀具抗磨損能力與SG-4型號刀具近似，高速切削時兩種型號刀具抗磨損能力優(yōu)于SG-4型號刀具。將兩種刀具材料與SG-4型號刀具在同一條件下切削淬硬T10A，結(jié)果表明：SG-4型號無法穩(wěn)定切削材料，而研制的兩種刀具型號在低速時均可完成正常的切削加工過程。這表明納米ZrO2具有出色的相變增韌的效果，極大地提高了氧化鋁基體陶瓷刀具的切削韌性。

楊鑫[5]研究了用于切削加工核電站核主泵零部件的以ZrO2為增韌相，氧化鎂、氧化釔、氧化鑭為助燒結(jié)劑的A12O3基陶瓷刀具，并將其與硬質(zhì)合金刀具YG8、普通高速鋼刀具以及Ti（C，N）基刀具進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在同樣條件下加工零件，A12O3基陶瓷刀具加工出的零件表面精度高、光潔度好。通過進(jìn)一步實驗，將四種刀具在相同條件下切削奧氏體304鋼進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)A12O3基陶瓷刀具適用于高速度的半精加工和精加工切削，在高速度切削過程中A12O3基陶瓷刀具的切削力小、切削溫度低，這些特點對于A12O3基陶瓷刀具的高速切削過程都是有利的。

蘭俊思等[6]等研究了通過熱壓燒結(jié)（燒結(jié)溫度為1750 ℃）制備的SiCW-Ti（ C，N）-A12O3（ Y2O3） 陶瓷刀具。當(dāng)SiCW晶須含量為20%時，通過熱壓燒結(jié)制備的陶瓷刀具的切削性能參數(shù)：抗彎強(qiáng)度為820 MPa、維氏硬度為21.2 GPa、韌性為7.1 MPa·m1/2。SiCW晶須和Ti（ C，N）硬質(zhì)顆粒相的加入對于韌化剛玉基陶瓷刀具起到了復(fù)合增強(qiáng)韌性效果，比單純的晶須強(qiáng)化、硬質(zhì)顆粒相強(qiáng)化效果都好。這一研究結(jié)果表明，在保證熱穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，用多元復(fù)合強(qiáng)化微觀結(jié)構(gòu)來提高陶瓷刀具高速切削性能是一個值得開發(fā)的方向。

2.2 氮化硅基陶瓷刀具

氮化硅基（Si4N3）陶瓷刀具突出優(yōu)點是韌性好、抗熱震性能強(qiáng)、加工鑄鐵件性能好。熱壓氮化硅基陶瓷刀具的制備是通過在原材料Si4N3粉末基礎(chǔ)上加入增強(qiáng)切削性能的ZrO2等物質(zhì)熱壓燒結(jié)而成。與剛玉基陶瓷刀具相比，氮化硅基陶瓷刀具具有彈性模量低、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱系數(shù)高、抗熱震性能優(yōu)越，以及抗彎強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點。因此，可以更穩(wěn)定、更快速地切削鑄鐵等被加工材料，并且它能夠適應(yīng)某些更加復(fù)雜、更加惡劣的對陶瓷刀具性能要求更高的工況條件。但是與剛玉基陶瓷刀具相比，氮化硅基陶瓷刀具加工某些鋼材時，由于刀具加工界面與被加工材料界面反應(yīng)生成化合物而使刀刃易損壞，因此，氮化硅基陶瓷刀具有一定的加工范圍。國外科研單位在氮化硅基陶瓷刀具領(lǐng)域研制開發(fā)了諸多的型號，如LucasAyalon公司開發(fā)出的Sialon陶瓷刀具。國內(nèi)科研單位在氮化硅基陶瓷刀具的研究開發(fā)過程中，研制出了FT-80、ST-4等型號的陶瓷刀具材料。

杜路[7]采用高溫等離子燒結(jié)結(jié)合熱處理的方法，加入氧化鎂等作為助燒結(jié)劑制備了氮化硅陶瓷刀具材料。研究結(jié)果表明，當(dāng)YOCl﹕MgO加入量之比為0.8﹕1時，切削性能最好，其中，熱導(dǎo)率為90 W/m·K、抗彎強(qiáng)度為1063 MPa。此外，實驗還研究了加入不同種類的稀土氯氧化物的助燒結(jié)劑對氮化硅基陶瓷刀具致密性和切削性能的影響。結(jié)果表明：制備的氮化硼陶瓷刀具樣品結(jié)構(gòu)較為致密，并且陶瓷刀具樣品的熱導(dǎo)率隨著稀土元素原子半徑的下降而上升，熱導(dǎo)率的上升可以提高切削韌性，從而增強(qiáng)刀具的高速切削性能。另一方面加入稀土氯氧化物作為助燒結(jié)劑的陶瓷刀具樣品的抗彎強(qiáng)度均在1×103 MPa以上，表明稀土氯氧化物的助燒結(jié)劑可以提高陶瓷刀具材料的高速加工下的切削效果。

汪家華[8]研究了在氮化硅基陶瓷刀具表面涂覆氮化鈦和A12O3組成的表面涂層之后，氮化硅刀具切削性能的變化。研究結(jié)果表明，氮化鈦和A12O3組成的表面涂層可以起到抑制表面磨損的效果，因此涂覆該涂層的氮化硅刀具可以適應(yīng)更為復(fù)雜的工作條件：更高的切削速度、更高的工作溫度、更大的切削力，因此涂覆涂層能提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。實驗進(jìn)一步研究該刀具切削合金鋼AISI 4340的排屑情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)刀具切削金屬之后，切屑呈現(xiàn)規(guī)律性的從遠(yuǎn)離工件和刀具的方向脫落，證明該涂層刀具排屑性能良好。

鄒斌[9]研究了通過加入納米級別的氮化鈦和Si3N4W，采用熱壓燒結(jié)的方法制備了復(fù)合韌性加強(qiáng)的的氮化硅陶瓷刀具。該復(fù)合陶瓷刀具最佳燒結(jié)工藝：燒結(jié)溫度為1650 ℃、燒結(jié)壓力為3×107 MPa、保溫時間為0.5 h。經(jīng)過力學(xué)性能測試，其主要切削性能參數(shù)：抗彎強(qiáng)度為979 MPa、韌性為9.6 MPa·m1/2、維氏硬度為18 GPa。實驗進(jìn)一步研究了其增韌機(jī)理，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)中生成了SiAlON相，提高了刀具材料的韌性和高速切削性能。

3 陶瓷刀具的展望

在機(jī)械加工領(lǐng)域范圍內(nèi)，高速度、低切削力機(jī)加工是目前開發(fā)的熱點，通過高速切削可以達(dá)到節(jié)能減排并增加經(jīng)濟(jì)效益的雙重目的。當(dāng)切削速度高時，切削力就會下降，而切削溫度升高，影響刀具穩(wěn)定的切削過程。因此，從刀具材料考慮，開發(fā)出韌性好、耐磨性好、抗熱震性能好、熱穩(wěn)定性好的陶瓷刀具材料具有十分重要的意義。而從實際生產(chǎn)來說，建立一套成熟的可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實際的基于陶瓷刀具的高速切削理論同樣具有重大的意義。另外，從當(dāng)今信息化時代的發(fā)展來看，開發(fā)出一套成熟的基于計算機(jī)的輔助高速切削模擬仿真軟件，以及開發(fā)出陶瓷刀具材料的數(shù)據(jù)庫也是極為必要的。

我國是制造業(yè)大國，制造業(yè)的發(fā)展是常新的。對于機(jī)械高速切削加工領(lǐng)域，設(shè)計出以陶瓷刀具為代表的性能優(yōu)異的刀具材料，建立一套成熟的可用于生產(chǎn)實際的理論和開發(fā)出成熟的基于計算機(jī)的輔助開發(fā)設(shè)計軟件是我國制造業(yè)機(jī)械加工高速切削領(lǐng)域快速發(fā)展的三個關(guān)鍵點。

參考文獻(xiàn)

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[8] 汪家華. 涂層氮化硅刀具切削性能及其應(yīng)用擴(kuò)展研究[D]. 廣東工業(yè)大學(xué)， 2014.

[9] 鄒斌. 新型自增韌氮化硅基納米復(fù)合陶瓷刀具及性能研究[D]. 山東大學(xué)， 2006.