Ti（C，N）金屬陶瓷刀具材料

張翠娟　彭新

摘 要：在現代機加工領域，高速切削加工已經成為加工的發展方向，提高切削速度將大大提高生產效率并提升零部件加工質量。除了機床性能對高速切削有較大的影響外，刀具材料的性能也決定了高速切削的能否得到更大的發展與應用。因此刀具材料的性能改良至關重要。文章重點闡述金屬陶瓷刀具材料的性能以及改良。

關鍵詞：高速切削；金屬陶瓷；性能改良；微波燒結

1 刀具材料概況

在現代工業生產中常用的刀具材料有工具鋼、硬質合金、超硬刀具材料（包括陶瓷，金剛石及立方氮化硼等）[1]。（1）常用作刀具的工具鋼包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼。（2）硬質合金。硬質合金大量應用在剛性好，刃形簡單的高速切削刀具上，隨著技術的進步，復雜刀具也在逐步擴大其應用。（3）涂層刀具材料。硬質合金或高速鋼刀具通過化學或物理方法在其上表面涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，而又不降低其韌性。（4）其它刀具材料如陶瓷刀具和人造金剛石等。

2 金屬陶瓷材料

金屬陶瓷材料是一種有金屬或者合金與同一種或幾種陶瓷所組成的非均質復合材料[2]。它具有優良的綜合力學性能，具有陶瓷的高強度、高硬度、耐磨損，耐高溫，又保持了金屬材質的塑性與韌性，有著十分廣泛的應用前景。在20世紀30年代人們就把金屬陶瓷材料應用于刀具中，但是做成的刀片還比較脆，主要用于精加工中。從上世紀70年代以來，TiN對TiC-Ni系有顯著作用被奧地利維也納大學kieffer等發現，Ti（C，N）基金屬陶瓷引起了人們的注意，TiC合金中開始引入硬質相氮化物，進一步在更大范圍內擴大了金屬陶瓷的應用。

3 Ti（C，N）基金屬陶瓷

3.1 Ti（C，N）基金屬陶瓷相組成

（1）Ti（C，N）基金屬陶瓷粘結相。Ti（C，N）基金屬陶瓷的主要成分是Ti（C，N），常用的粘結相為Co-Ni，起增強作用，同時有研究表明向Ti（C，N）基金屬陶瓷中添加少量的Al可起到彌散強化作用，改善材料的室溫和高溫力學性能，并提高材料的硬度、耐磨性和沖擊韌度，同時對于抑制刀尖變形也有顯著作用。也有研究采用5%～30%的Cr來代替Co，形成Cr-Ni粘結相，陶瓷材料的潤濕性可以得到極大改善，同時材料的高溫強度和高溫抗氧化性也將提高。通常控制Cr/（Ni+Cr）在0.02～0.4之間。

（2）硬質相。常用的硬質相有WC、AlN、Mo2C、ZrC、VC、HfC和Cr3C2等，通過相互作用進一步形成（Zr、Ti、Nb、W、V）固溶相，使得硬質相得到進一步強化。由于WC的彈性模量比Ti（C，N）和TiC高，Ti（C，N）基金屬陶瓷的強韌性可以通過添加WC進行改良，并且加入后能使硬質相晶粒得到細化，從而其橫向斷裂強度得到提高，使得WC成為其常用的一種添加劑。當加入的WC含量足夠多時，在基體中會產生WC非平衡的相，使得其熱膨脹系數大大減小，傳導率明顯增大，進而能明顯提高其抗熱震能力，達到克服其刀具的刀口易出現變形的缺陷。研究還發現，把含量合理的NbC和TaC等高熔點添加劑加入其中，同樣能能使硬質相晶粒得到細化，還能改善其抗氧化性、硬度和橫向斷裂強度，并且改善其高溫抗氧化能力效果比WC更好，但橫向斷裂強度和硬度的改善效果不如WC顯著。此外，研究還表明，把Hf等稀土元素加入其中也可以明顯改善其橫向斷裂強度，究其原因是氧很容易與稀土元素發生化學反應，在界面上與雜質結合生成稀土化合物和氧化物，使其晶界得到凈化，界面結合強度、潤濕性和燒結性得到良好的改善，從而使Ti（C，N）基金屬陶瓷的密度得到提高。

3.2 基本性能

Ti（C，N）基金屬陶瓷比TiC基金屬陶瓷的高溫強度更大、具有更好的硬度以及良好的導熱性、優良的耐沖擊性等優良性能，因而被用作高速切削刀具材料以及對難切削材料進行精加工和半精加工。經過近70年的發展，Ti（C，N）基金屬陶瓷的主要性能在以上方面得到了很好的改良。（1）具有良好的化學穩定性。使用其進行切削作業時，在工件、切屑和刀具接觸面上產生氧化鐵、鎳鉬酸鹽和M02O3薄膜，這一薄膜能形成干潤滑劑從而大大減少了摩擦。鋼與Ti（C，N）基合金之間粘結弱，即使溫度達到700-900°C高溫時時也不會有粘結出現，這樣作業時不會出現積屑瘤，使得其具有較低的加工表面粗糙度。（2）具有很大的硬度。其硬度可以與陶瓷刀具相差無幾，在通常情況下其硬度為91-93.5HRA，甚至高達94-95HRA。（3）耐熱性較高。在高溫情況下，其具有良好的耐磨性、強度和硬度性能，即使溫度高達1100°C-1300°C還能夠進行切削作業。一般情況下，其切削速度能夠達到300-400m/min，是WC基硬質合金切割速度的高3-4倍，就算對難以加工和高硬度材料進行切削施工時，其削速度仍然能夠達到200m/min。（4）抗月牙洼磨損和耐磨性能良好。對鋼料進行高速切削時其耐磨性是WC基硬質合金的4到5倍，具有極低的磨損率。（5）抗氧化能力高。通常情況下，Ti（C，N）基金屬陶瓷開始出現月牙洼磨損的溫度是1100-1200°C，還硬質合金開始出現月牙洼磨損的溫度是850°C-900°C，Ti（C，N）基金屬陶瓷比硬質合金的溫度高200-300°C。

3.3 Ti（C，N）基金屬陶瓷的微波燒結制備

車磊等研究表明，高氮（TiC0.5N0.5）合金和較低氮（TiC0.7N0.3的燒結工藝的差異巨大，性能較好的金屬陶瓷能夠在真空、氮氣和氬氣等條件下通過硬度較低的低氮（TiC0.7N0.3）合金得到，還只有以氮氣為燒結環境下得到的高氮（TiC0.5N0.5）合金才能具備良好的力學性能。張厚安等人研究表明，晶粒度小于500nm的金屬陶瓷可以通過微波燒結技術得到，這種金屬陶瓷具有較低的力學性能，但其組織致密。微波燒結技術因為其自身固有的加熱特性，能快速加熱到常規燒結難以達到的高溫。超細粉末采用高能球磨的方法十分有效，并且工藝簡單、產量高。張厚安等人研究發現，TiC0.7N0.3超細粉末可以采用球磨的方法進行制備。先按規定的成分和配比準備材料，然后采用混料機進行干混，接著采用球磨機進行濕磨和充分拌合，最后混合料干燥后對其進行冷壓成型。在HAMiLab-V3000微波高溫爐上對經碳管爐脫脂成型后的坯體進行微波燒結，就能夠得到（Ti（C，N）基金屬陶瓷。將Ti（C/N）粗粉經球磨磨成超細粉，并與TaC、Co、Mo2C、Ni、WC超細粉等混合后在添加納米（Si3N4 /BN）粉，按規定配備進行配料、濕磨、干燥、過篩，壓制成型后預燒結，微波氣氛中燒結成具有超細晶粒的金屬陶瓷。

4 結束語

綜上所述，發展和研制高可靠性高強韌性的Ti（C，N）基金屬陶瓷復合材料是Ti（C，N）基金屬陶瓷的今后的發展方向，要通過技術個性使其韌性和強度得到更大的提高。要進一步對不同功能、不同結構的納米級Ti（C，N）基金屬陶瓷復合材料進行研究；通過上述研究最終開發出通用性的Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具切削材料。

參考文獻

[1]肖詩綱.刀具材料及其合理選擇[M].北京：機械工業出版社，1990.

作者簡介：張翠娟（1981-），女，漢族，湖南益陽人，碩士研究生，研究方向：材料成型、數控加工。