机械切削领域陶瓷刀具研究进展及趋势

    周晨　杨巍

    摘 要：在高速度、低切削力的切削加工领域中，陶瓷刀具的使用日益普遍，是一个新兴的极具发展潜力的研发方向。陶瓷刀具不仅可以在保证产品质量的前提下为生产实际创造巨大的经济效益，还可以节省数量可观的能源，从而达到能够节能减排、保护环境的目的。本文将介绍当前以刚玉基（Al2O3）和氮化硅基（Si4N3）为代表的陶瓷切削刀具的研究进展及发展趋势。

    关键词：陶瓷刀具；机械切削；进展；氧化铝基；氮化硅基

    1 引言

    高速度、低切削力的切削加工是当前机械加工领域研究的热点问题，而解决这一问题的关键是开发出性能符合要求的新型刀具材料，以及建立一套基于此类刀具材料成熟的可用于实际生产的切削运动理论体系[1]。目前已开发出适用于高速切削领域的以Al2O3基和Si4N3基为代表的陶瓷刀具，有用于切削Al-Si合金等有色合金的聚晶金刚石刀具；也有用于切削加工铸铁、淬硬钢等黑色金属的聚晶氮化硼刀具；还有碳氮化钛等类型的刀具材料。陶瓷刀具可以加工普通低速刀具难以加工的超硬材料，其稳定工作的温度高于普通低速切削刀具，这从高速切削的加工角度讲是极为有利的优势。本文将主要介绍以刚玉基（Al2O3）和氮化硅基（Si4N3）为代表的陶瓷切削刀具的研究进展及发展趋势。

    2 陶瓷刀具的研究现状

    目前，在高速度、低切削力加工领域中陶瓷刀具材料是一个被人们广泛重视的发展方向。陶瓷切削刀具材料具有刀具硬度高、耐磨性能优异、物理化学性能稳定（室温至切削温度的范围）、在高温下不易与被加工金属材料粘合，以及与被加工金属材料切削摩擦系数低、在切削高温状态下不易氧化等优异的性能。目前，以德国、日本为代表的先进工业国家陶瓷刀具使用量占切削加工刀具的5%～10%，并且呈逐年增大趋势[2]。刚玉基（Al2O3）和氮化硅基（Si4N3）刀具是当前具有代表性的两大体系的陶瓷切削刀具。

    2.1 氧化铝基陶瓷刀具

    刚玉基陶瓷刀具具有氧化铝基陶瓷刀具材料加工金属时不易黏刀、在高温下切削工作稳定等优势。但同时也存在韧性低，在加工过程中呈现出脆性较大等不足。因此，需要利用弥散强化、第二相强化等方式吸收切削过程中的冲击能量以提高韧性、降低加工脆性。当采用软质点强化时，在提高韧性的同时，加速了刀具的磨损。因此，需要采用硬质点强化的方式在保证高硬度、高耐磨性的同时提高切削韧性。目前，常用WC、TiC及碳化硅晶须等进行氧化铝基陶瓷刀具的韧性强化。

    在Al2O3基陶瓷刀具中加入合适的碳化钛（TiC），可以极大地提高刚玉基陶瓷刀具韧性低的问题。因此，这种刀具被普遍地采用，是使用较为广泛的一种陶瓷刀具材料。研究表明，其可以被用来加工铸铁、碳钢和部分有色合金[3]。此外，在Al2O3基陶瓷刀具中加入TiB2、ZrO2以及SiC晶须等材料也可以很好地改善刚玉基陶瓷刀具韧性低的缺陷，从而使陶瓷刀具投入到实际生产中。美国、德国等开发出了一系列增强韧性的Al2O3基陶瓷刀具牌号，用于工业生产中，如：德国发布的SN60、美国发布的KYON2500等，这些陶瓷刀具均不同程度的提高了生产效率和经济效益。国内科研单位在刚玉基陶瓷刀具的研究开发过程中，研制出了LT-55、SG-4等型号的陶瓷刀具材料。

    钟金豹[4]通过研究在氧化铝基体上加入纳米级别的ZrO2的颗粒，研制出了基于相变增韧和硬质点弥散强化的刚玉基陶瓷材料A15Zc和A20Z（c+m）。力学性能实验表明：A15Zc和A20Z（c+m）两种陶瓷刀具材料的维氏硬度均在16～17 GPa范围内，抗弯强度分别为813 MPa和870 MPa，断裂韧性分别为5.5 MPa·m1/2和5.9 MPa·m1/2。通过进一步研究，将两种刀具材料与市场上SG-4型号刀具在同一条件下切削45号钢进行抗磨损能力对比，在低速时两种型号刀具抗磨损能力与SG-4型号刀具近似，高速切削时两种型号刀具抗磨损能力优于SG-4型号刀具。将两种刀具材料与SG-4型号刀具在同一条件下切削淬硬T10A，结果表明：SG-4型号无法稳定切削材料，而研制的两种刀具型号在低速时均可完成正常的切削加工过程。这表明纳米ZrO2具有出色的相变增韧的效果，极大地提高了氧化铝基体陶瓷刀具的切削韧性。

    杨鑫[5]研究了用于切削加工核电站核主泵零部件的以ZrO2为增韧相，氧化镁、氧化钇、氧化镧为助烧结剂的A12O3基陶瓷刀具，并将其与硬质合金刀具YG8、普通高速钢刀具以及Ti（C，N）基刀具进行比较，发现在同样条件下加工零件，A12O3基陶瓷刀具加工出的零件表面精度高、光洁度好。通过进一步实验，将四种刀具在相同条件下切削奥氏体304钢进行比较，发现A12O3基陶瓷刀具适用于高速度的半精加工和精加工切削，在高速度切削过程中A12O3基陶瓷刀具的切削力小、切削温度低，这些特点对于A12O3基陶瓷刀具的高速切削过程都是有利的。

    兰俊思等[6]等研究了通过热压烧结（烧结温度为1750 ℃）制备的SiCW-Ti（ C，N）-A12O3（ Y2O3） 陶瓷刀具。当SiCW晶须含量为20%时，通过热压烧结制备的陶瓷刀具的切削性能参数：抗弯强度为820 MPa、维氏硬度为21.2 GPa、韧性为7.1 MPa·m1/2。SiCW晶须和Ti（ C，N）硬质颗粒相的加入对于韧化刚玉基陶瓷刀具起到了复合增强韧性效果，比单纯的晶须强化、硬质颗粒相强化效果都好。这一研究结果表明，在保证热稳定性基础上，用多元复合强化微观结构来提高陶瓷刀具高速切削性能是一个值得开发的方向。

    2.2 氮化硅基陶瓷刀具

    氮化硅基（Si4N3）陶瓷刀具突出优点是韧性好、抗热震性能强、加工铸铁件性能好。热压氮化硅基陶瓷刀具的制备是通过在原材料Si4N3粉末基础上加入增强切削性能的ZrO2等物质热压烧结而成。与刚玉基陶瓷刀具相比，氮化硅基陶瓷刀具具有弹性模量低、热膨胀系数低、导热系数高、抗热震性能优越，以及抗弯强度高、韧性好等优点。因此，可以更稳定、更快速地切削铸铁等被加工材料，并且它能够适应某些更加复杂、更加恶劣的对陶瓷刀具性能要求更高的工况条件。但是与刚玉基陶瓷刀具相比，氮化硅基陶瓷刀具加工某些钢材时，由于刀具加工界面与被加工材料界面反应生成化合物而使刀刃易损坏，因此，氮化硅基陶瓷刀具有一定的加工范围。国外科研单位在氮化硅基陶瓷刀具领域研制开发了诸多的型号，如LucasAyalon公司开发出的Sialon陶瓷刀具。国内科研单位在氮化硅基陶瓷刀具的研究开发过程中，研制出了FT-80、ST-4等型号的陶瓷刀具材料。

    杜路[7]采用高温等离子烧结结合热处理的方法，加入氧化镁等作为助烧结剂制备了氮化硅陶瓷刀具材料。研究结果表明，当YOCl﹕MgO加入量之比为0.8﹕1时，切削性能最好，其中，热导率为90 W/m·K、抗弯强度为1063 MPa。此外，实验还研究了加入不同种类的稀土氯氧化物的助烧结剂对氮化硅基陶瓷刀具致密性和切削性能的影响。结果表明：制备的氮化硼陶瓷刀具样品结构较为致密，并且陶瓷刀具样品的热导率随着稀土元素原子半径的下降而上升，热导率的上升可以提高切削韧性，从而增强刀具的高速切削性能。另一方面加入稀土氯氧化物作为助烧结剂的陶瓷刀具样品的抗弯强度均在1×103 MPa以上，表明稀土氯氧化物的助烧结剂可以提高陶瓷刀具材料的高速加工下的切削效果。

    汪家华[8]研究了在氮化硅基陶瓷刀具表面涂覆氮化钛和A12O3组成的表面涂层之后，氮化硅刀具切削性能的变化。研究结果表明，氮化钛和A12O3组成的表面涂层可以起到抑制表面磨损的效果，因此涂覆该涂层的氮化硅刀具可以适应更为复杂的工作条件：更高的切削速度、更高的工作温度、更大的切削力，因此涂覆涂层能提高生产效率，降低生产成本。实验进一步研究该刀具切削合金钢AISI 4340的排屑情况，结果发现刀具切削金属之后，切屑呈现规律性的从远离工件和刀具的方向脱落，证明该涂层刀具排屑性能良好。

    邹斌[9]研究了通过加入纳米级别的氮化钛和Si3N4W，采用热压烧结的方法制备了复合韧性加强的的氮化硅陶瓷刀具。该复合陶瓷刀具最佳烧结工艺：烧结温度为1650 ℃、烧结压力为3×107 MPa、保温时间为0.5 h。经过力学性能测试，其主要切削性能参数：抗弯强度为979 MPa、韧性为9.6 MPa·m1/2、维氏硬度为18 GPa。实验进一步研究了其增韧机理，发现内部微观结构中生成了SiAlON相，提高了刀具材料的韧性和高速切削性能。

    3 陶瓷刀具的展望

    在机械加工领域范围内，高速度、低切削力机加工是目前开发的热点，通过高速切削可以达到节能减排并增加经济效益的双重目的。当切削速度高时，切削力就会下降，而切削温度升高，影响刀具稳定的切削过程。因此，从刀具材料考虑，开发出韧性好、耐磨性好、抗热震性能好、热稳定性好的陶瓷刀具材料具有十分重要的意义。而从实际生产来说，建立一套成熟的可用于指导生产实际的基于陶瓷刀具的高速切削理论同样具有重大的意义。另外，从当今信息化时代的发展来看，开发出一套成熟的基于计算机的辅助高速切削模拟仿真软件，以及开发出陶瓷刀具材料的数据库也是极为必要的。

    我国是制造业大国，制造业的发展是常新的。对于机械高速切削加工领域，设计出以陶瓷刀具为代表的性能优异的刀具材料，建立一套成熟的可用于生产实际的理论和开发出成熟的基于计算机的辅助开发设计软件是我国制造业机械加工高速切削领域快速发展的三个关键点。

    参考文献

    [1] 艾兴， 刘战强， 赵军，等. 高速切削刀具材料的进展和未来[J]. 制造技术与机床， 2001， （8）：21-25.

    [2] 艾兴， 邓建新， 赵军等. 陶瓷刀具的发展及其应用[J]. 机械工人：冷加工， 2000， （9）：4-6.

    [3] 周晨. 高强度高导电铜及铜合金研究[J]. 新材料产业，2015，01：64-66.

    [4] 钟金豹. 纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具及切削性能研究[D]. 山东大学， 2007.

    [5] 杨鑫. 新型Al_2O_3基陶瓷刀具的切削性能研究[D]. 大连理工大学， 2012.

    [6] 兰俊思， 丁培道， 黄楠. SiC晶须和Ti（C，N）颗粒协同增韧Al_2O_3陶瓷刀具的研究[J]. 材料科学与工程学报， 2004， 22（1）：59-64.

    [7] 杜路. 稀土氯氧化物助烧剂氮化硅陶瓷的烧结与性能研究[D]. 清华大学， 2012.

    [8] 汪家华. 涂层氮化硅刀具切削性能及其应用扩展研究[D]. 广东工业大学， 2014.

    [9] 邹斌. 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具及性能研究[D]. 山东大学， 2006.