機械切削領域陶瓷刀具研究進展及趨勢

周晨　楊巍

摘 要：在高速度、低切削力的切削加工領域中，陶瓷刀具的使用日益普遍，是一個新興的極具發展潛力的研發方向。陶瓷刀具不僅可以在保證產品質量的前提下為生產實際創造巨大的經濟效益，還可以節省數量可觀的能源，從而達到能夠節能減排、保護環境的目的。本文將介紹當前以剛玉基（Al2O3）和氮化硅基（Si4N3）為代表的陶瓷切削刀具的研究進展及發展趨勢。

關鍵詞：陶瓷刀具；機械切削；進展；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前機械加工領域研究的熱點問題，而解決這一問題的關鍵是開發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的切削運動理論體系[1]。目前已開發出適用于高速切削領域的以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展及發展趨勢。

2 陶瓷刀具的研究現狀

目前，在高速度、低切削力加工領域中陶瓷刀具材料是一個被人們廣泛重視的發展方向。陶瓷切削刀具材料具有刀具硬度高、耐磨性能優異、物理化學性能穩定（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低、在切削高溫狀態下不易氧化等優異的性能。目前，以德國、日本為代表的先進工業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定等優勢。但同時也存在韌性低，在加工過程中呈現出脆性較大等不足。因此，需要利用彌散強化、第二相強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。當采用軟質點強化時，在提高韌性的同時，加速了刀具的磨損。因此，需要采用硬質點強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及碳化硅晶須等進行氧化鋁基陶瓷刀具的韌性強化。

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中。美國、德國等開發出了一系列增強韌性的Al2O3基陶瓷刀具牌號，用于工業生產中，如：德國發布的SN60、美國發布的KYON2500等，這些陶瓷刀具均不同程度的提高了生產效率和經濟效益。國內科研單位在剛玉基陶瓷刀具的研究開發過程中，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點彌散強化的剛玉基陶瓷材料A15Zc和A20Z（c+m）。力學性能實驗表明：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，抗彎強度分別為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，結果表明：SG-4型號無法穩定切削材料，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、氧化鑭為助燒結劑的A12O3基陶瓷刀具，并將其與硬質合金刀具YG8、普通高速鋼刀具以及Ti（C，N）基刀具進行比較，發現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。通過進一步實驗，將四種刀具在相同條件下切削奧氏體304鋼進行比較，發現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（燒結溫度為1750 ℃）制備的SiCW-Ti（ C，N）-A12O3（ Y2O3） 陶瓷刀具。當SiCW晶須含量為20%時，通過熱壓燒結制備的陶瓷刀具的切削性能參數：抗彎強度為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）硬質顆粒相的加入對于韌化剛玉基陶瓷刀具起到了復合增強韌性效果，比單純的晶須強化、硬質顆粒相強化效果都好。這一研究結果表明，在保證熱穩定性基礎上，用多元復合強化微觀結構來提高陶瓷刀具高速切削性能是一個值得開發的方向。

2.2 氮化硅基陶瓷刀具

氮化硅基（Si4N3）陶瓷刀具突出優點是韌性好、抗熱震性能強、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粉末基礎上加入增強切削性能的ZrO2等物質熱壓燒結而成。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、熱膨脹系數低、導熱系數高、抗熱震性能優越，以及抗彎強度高、韌性好等優點。因此，可以更穩定、更快速地切削鑄鐵等被加工材料，并且它能夠適應某些更加復雜、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域研制開發了諸多的型號，如LucasAyalon公司開發出的Sialon陶瓷刀具。國內科研單位在氮化硅基陶瓷刀具的研究開發過程中，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結合熱處理的方法，加入氧化鎂等作為助燒結劑制備了氮化硅陶瓷刀具材料。研究結果表明，當YOCl﹕MgO加入量之比為0.8﹕1時，切削性能最好，其中，熱導率為90 W/m·K、抗彎強度為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劑對氮化硅基陶瓷刀具致密性和切削性能的影響。結果表明：制備的氮化硼陶瓷刀具樣品結構較為致密，并且陶瓷刀具樣品的熱導率隨著稀土元素原子半徑的下降而上升，熱導率的上升可以提高切削韌性，從而增強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劑的陶瓷刀具樣品的抗彎強度均在1×103 MPa以上，表明稀土氯氧化物的助燒結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更為復雜的工作條件：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效率，降低生產成本。實驗進一步研究該刀具切削合金鋼AISI 4340的排屑情況，結果發現刀具切削金屬之后，切屑呈現規律性的從遠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，采用熱壓燒結的方法制備了復合韌性加強的的氮化硅陶瓷刀具。該復合陶瓷刀具最佳燒結工藝：燒結溫度為1650 ℃、燒結壓力為3×107 MPa、保溫時間為0.5 h。經過力學性能測試，其主要切削性能參數：抗彎強度為979 MPa、韌性為9.6 MPa·m1/2、維氏硬度為18 GPa。實驗進一步研究了其增韌機理，發現內部微觀結構中生成了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

在機械加工領域范圍內，高速度、低切削力機加工是目前開發的熱點，通過高速切削可以達到節能減排并增加經濟效益的雙重目的。當切削速度高時，切削力就會下降，而切削溫度升高，影響刀具穩定的切削過程。因此，從刀具材料考慮，開發出韌性好、耐磨性好、抗熱震性能好、熱穩定性好的陶瓷刀具材料具有十分重要的意義。而從實際生產來說，建立一套成熟的可用于指導生產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，從當今信息化時代的發展來看，開發出一套成熟的基于計算機的輔助高速切削模擬仿真軟件，以及開發出陶瓷刀具材料的數據庫也是極為必要的。

我國是制造業大國，制造業的發展是常新的。對于機械高速切削加工領域，設計出以陶瓷刀具為代表的性能優異的刀具材料，建立一套成熟的可用于生產實際的理論和開發出成熟的基于計算機的輔助開發設計軟件是我國制造業機械加工高速切削領域快速發展的三個關鍵點。

參考文獻

[1] 艾興， 劉戰強， 趙軍，等. 高速切削刀具材料的進展和未來[J]. 制造技術與機床， 2001， （8）：21-25.

[2] 艾興， 鄧建新， 趙軍等. 陶瓷刀具的發展及其應用[J]. 機械工人：冷加工， 2000， （9）：4-6.

[3] 周晨. 高強度高導電銅及銅合金研究[J]. 新材料產業，2015，01：64-66.

[4] 鐘金豹. 納米氧化鋯增韌氧化鋁基陶瓷刀具及切削性能研究[D]. 山東大學， 2007.

[5] 楊鑫. 新型Al_2O_3基陶瓷刀具的切削性能研究[D]. 大連理工大學， 2012.

[6] 蘭俊思， 丁培道， 黃楠. SiC晶須和Ti（C，N）顆粒協同增韌Al_2O_3陶瓷刀具的研究[J]. 材料科學與工程學報， 2004， 22（1）：59-64.

[7] 杜路. 稀土氯氧化物助燒劑氮化硅陶瓷的燒結與性能研究[D]. 清華大學， 2012.

[8] 汪家華. 涂層氮化硅刀具切削性能及其應用擴展研究[D]. 廣東工業大學， 2014.

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