在現(xiàn)代化加工過程中港驶，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技術(shù)厂榛；隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展吕粹，越來越多地采用超硬難加工材料族扰，以提高機器設(shè)備的使用壽命和工作性能厌丑。

    刀具的性能是影響切削加工效率、精度渔呵、表面質(zhì)量等的決定性因素之一怒竿。而陶瓷刀具則以其優(yōu)異的耐熱性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，在高速切削領(lǐng)域和難加工材料方面顯示了傳統(tǒng)刀具無法比擬的優(yōu)勢耕驰。新型陶瓷刀具更由于有很高的硬度(HRA93～95)京佃，從而可加工硬度高達HRC65的各類難加工材料，免除退火加工所消耗的電力和時問言丧；可提高工件硬度称海，延長機器設(shè)備的使用壽命。陶瓷刀具的主要原料AlO和Si是地殼中最豐富的成分苫担，可以說是取之不盡脓甘，用之不竭的，因此新型陶瓷刀具的應(yīng)用前景十分廣闊滓层。

1 氮化硅基陶瓷刀具

    單一Si3N4陶瓷刀具

    此類陶瓷刀具主要是以Mgo為添加劑的熱壓陶瓷茅祠。其硬度為9l～93HRA，耐磨性介于一般陶瓷和立方氮化硼之間禁糖，抗彎強度為0.7～0.85GPa舒跌，介于一般陶瓷和YT30之間，沖擊韌度相當(dāng)于Y130狞穗，耐熱性可達1300℃～1400℃概丢，具有良好的抗氧化性。此外民轴，Si陶瓷有自潤滑性能攻柠，摩擦系數(shù)較小，抗粘接能力強后裸，不易產(chǎn)生積屑瘤瑰钮，且切削刃可磨得鋒利。能加工出良好的表面質(zhì)量微驶，特別適合于車削易形成積屑瘤的工件材料浪谴，如鑄造硅鋁合金等。

    復(fù)合Si3N4陶瓷刀具

    由于Si3N4陶瓷以共價鍵結(jié)合因苹，晶粒是長柱狀的苟耻，因此有較高的硬度、強度和斷裂韌性扶檐，同時它有較小的熱膨脹系數(shù)(=3×10-6/℃)凶杖，所以有較好的抗機械沖擊性和抗熱沖擊性。Si3N4刀具特別適合于鑄鐵蘸秘、高溫合金的粗精加工官卡、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬質(zhì)合金刀具高幾倍至十幾倍僚洋。在汽車發(fā)動機鑄鐵缸體等加工中應(yīng)用越來越普遍剥乍。但是Si3N4陶瓷的硬度并不是特別高(HRA92.5)泊术，在加工硬度較高的工件時，如冷硬鑄鐵(HS65-80)斧炎、高鉻鑄鐵(HS80-90)等沃菩，純Si3N4陶瓷刀具的耐用度是較低的。為改善其耐磨性铝寿。加人TiCN片迁、TiCN+TiN作為硬質(zhì)彌散相，以提高刀具材料的硬度陷克，同時保留較高的強度和斷裂韌性煞肠，稱為復(fù)合氮化硅陶瓷刀具。與單s3N4陶瓷刀具相比版幕，復(fù)合氮化硅陶瓷刀具的抗氧化能力乏束、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力和耐磨性都有了很大提高衔甲，且易于制造和燒結(jié)糖埋。是今后陶瓷刀具的重點發(fā)展方向。

    Sialon陶瓷刀具

    目前許多國家競相開發(fā)一種新型Si基陶瓷刀具：賽隆(Sialon)刀具窃这。賽隆刀具是英國LucasAyMon公司研制成功的一種單相陶瓷刀具瞳别，以Si3N4為硬質(zhì)相Al203為耐磨相，并添加少量助燒劑Y203杭攻，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成祟敛，有很高的強度和韌性(抗彎強度可達1200MPa，硬度達1800HV)朴上，Sialon陶瓷刀具具有良好的抗熱沖擊性能垒棋，與Si3N4相比。Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力痪宰、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力與耐磨性能更高畔裕。耐熱溫度較高達1300℃以上衣撬，具有較好的抗塑性變形能力。其沖擊強度接近于涂層硬質(zhì)合金刀具扮饶，巳成功應(yīng)用于鑄鐵和高溫合金等難加工材料的加工具练。目前國際上賽隆(Sialon)陶瓷材料的研究非常活躍惜肃，在改進制備工藝喝壹，進行復(fù)相、超細(xì)顆粒盲狈、自增韌刀具材料等的研制方面巳取得了較好的成果旱已。

    與Si3N4相似肌蛮，Sialon陶瓷也具有2種晶體結(jié)構(gòu)，a-Sialon為等軸晶具有較高的硬度和耐磨性能殿漆，b-Sialon為柱狀晶斷裂韌性和熱傳導(dǎo)能力相對較好忍猛，(a+b)-Sialon復(fù)相陶瓷刀具綜合了兩相優(yōu)點，切削性能更優(yōu)異肾蕉，重載條件下其耐磨性能優(yōu)于單相陶瓷刀具目前有2種制備自增韌a-Sialon陶瓷的方法：①通過控制成核過程的熱力學(xué)特點掐股，在燒結(jié)體內(nèi)原位生長柱狀-Sialon晶粒以得到自增韌Sialon陶瓷；②采用燃燒合成工藝笤敞，制備單相柱狀-Sialon粉體扳九，將此粉體按照適當(dāng)比例添加到原料中制備自增韌-Sialon陶瓷。為降低燒結(jié)溫度瞻绝，一般要加入各種燒結(jié)助劑玖瘸。比較常用的燒結(jié)助劑有：Y2O3等氧化物和多種稀土元素，一般同時采用2種或2種以上的燒結(jié)助劑胁后。

    Sialon陶瓷刀具適用于高速切削店读、強力切削、斷續(xù)切削攀芯；不僅適合于干切削屯断，也適合于濕式切削Sialon陶瓷可成功地用于鑄鐵、鎳基合金侣诺、鈦基合金和硅鋁合金的加工殖演，是高速加工鑄鐵和鎳基合金的理想刀具材料。由于它和鋼的化學(xué)親和性大年鸳，Sialon陶瓷刀具不適合加工鋼趴久。

    Si3N4晶須增韌陶瓷刀具

    晶須增韌陶瓷是在Si3N4基體中加入一定量的碳化物晶須而成，從而可提高陶瓷刀具的斷裂韌性搔确。如我國北京方大高技術(shù)陶瓷有限公司生產(chǎn)的FD03刀片及湖南長沙工程陶瓷公司生產(chǎn)的SW21牌號均屬這一類彼棍。FD03刀片是在Si3N4陶瓷基體中加入了硬質(zhì)彌散顆粒TiC，SW21刀片是在Si3N4中加入了一定量的SiC晶須膳算，故有較好的使用性能座硕。國外一些切削專家認(rèn)為，用Si3N4基陶瓷切削鋼材效果不如Al2O3基復(fù)合陶瓷好浆，故不推薦用其加工鋼材门痕。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬鋼(60～68HRC)浓朋、高錳鋼困喜、高鉻鋼和軸承鋼時具有較好的效果。

2 金屬陶瓷刀具

    Ti(C.N)基金屬陶瓷刀具

    金屬陶瓷也叫硬質(zhì)合金或燒結(jié)碳化物磨搭，它是陶瓷-金屬復(fù)合材料以TiC為主要成分的合金裤能，其硬度與耐熱性接近陶瓷而抗彎強度和斷裂韌性比陶瓷高返引，其中金屬碳化物是硬質(zhì)相，一般占80%以上晋劫；其余為鐵层焚、鈷、鎳等金屬相怎机。作為粘結(jié)劑岸腔。日本對金屬陶瓷特別青睞，如今仲闽，在日本的金屬切削領(lǐng)域中脑溢。金屬陶瓷刀片已占可轉(zhuǎn)位刀片總數(shù)的30%，迄今仍在擴大應(yīng)用范圍赖欣。而美國卻只占5%屑彻，但有人預(yù)示美國制造業(yè)中已經(jīng)能看到大量應(yīng)用金屬陶瓷的前景。

    金屬陶瓷硬度高顶吮，強度低社牲，韌性低，因此不宜在有強烈沖擊和振動的情況下使用悴了。金屬陶瓷的導(dǎo)熱性搏恤、耐熱性、抗粘結(jié)性和化學(xué)穩(wěn)定性比高速鋼好得多湃交，因此熟空。在刀具材料中獲得了廣泛應(yīng)用。

    現(xiàn)在搞莺，金屬陶瓷的發(fā)展方向是超細(xì)晶料⒙蓿化和對其進行表面涂層。超細(xì)晶粒金屬陶瓷可以提高切削速度抛现，也可用來制造小尺寸刀具轴艇。以納米TiN占2%～15wt%改性的TiC或Ti(CN)基金屬陶瓷刀具，硬度高贾反、耐磨性好丈蛇，其熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性阁巨、耐蝕性、抗氧化性及高溫硬度隐睹、高溫強度等都有明顯優(yōu)勢岸寿。與硬質(zhì)合金刀具相比，該刀具的耐用度和使用壽命提高1～50倍鹿脯，切削速度提高1.5～3倍践斟，成本與其相當(dāng)或略高毕沫，而金屬切削加工費用下降20%-40%與普通Ti(C.N)基金屬陶瓷刀具相比，該刀具可靠性更高顶赎。

    涂層金屬陶瓷刀具

    涂層金屑陶瓷目前發(fā)展速度非常迅速嫂焕。涂層分為硬涂層和軟涂層，前者主要是金屬碳氮化物疯坤，包括TiN报慕、TiC、Ti(CN)压怠、TiAIN眠冈、CrC、CrN等菌瘫。其中TiN的工藝最成熟蜗顽。應(yīng)用最廣泛硬涂層主要是提高其硬度和耐磨性。一般可進行多層復(fù)合涂層雨让。后者主要是MoS基涂層雇盖，可以降低摩擦系數(shù)。另外栖忠，軟硬涂層可以復(fù)合使用崔挖。

    納米TiN改性的TiC基金屬陶瓷刀具

    最近由美國學(xué)者開發(fā)的納米涂層刀具是利用納米技術(shù)的一種新刀具。這種涂層方法采用多種材料的不同組合(如金屬/金屬組合娃闲、金屬/陶瓷組合虚汛、陶瓷/陶瓷組合、固體潤滑劑/金屬組合等)逛徽，以滿足不同的功能和性能要求珊辛。其中TiC/TiN復(fù)合涂層是典型涂層材料，它相對于在TiC基加入TiN硬質(zhì)合金而言穗免，其抗彎強度得到進一步的提高障渡，刀具的硬度和韌性顯著增加。又因其具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤滑性能趋臼，十分適合于于切削篙袄。但納米涂層的涂覆必須采用先進的工藝，如封閉場不平衡磁濺射法(CFUMS)它要求精確的參數(shù)控制和先進的設(shè)備等簿翔，必然造成刀具成本的大幅提高接骄。同時受工藝和切削條件的影響，涂層的粘結(jié)強度可能不足牺会，切削時涂層容易脫落锈犯。切削性能迅速降低或失效。

    納米金屬陶瓷刀具成分為：53TiC-10TIN(nm)-18Mo-18Ni-1C道葬，TiN納米粉粒度為30nm-50nm献爷。實驗表明澜驮，各力學(xué)性能的峰值分別對應(yīng)一定的納米TiN的添加量。據(jù)合肥工業(yè)大學(xué)試驗惋鸥，當(dāng)添加量體積數(shù)6%-8%時杂穷。可獲得較優(yōu)的綜合物理力學(xué)性能卦绣。

3 陶瓷刀具材料的研究思路和展望

    根據(jù)Hall-petch關(guān)系耐量，晶粒尺寸越小陶瓷材料的硬度和強度越高。當(dāng)晶粒尺寸小到100nm左右時迎卤，強度和硬度會有很大突破拴鸵。但是納米粉的活性很大，界面反應(yīng)激活能較低蜗搔，在燒結(jié)過程中極易長大劲藐，盡管加入抑制劑，效果仍不理想樟凄，因此目前還沒有納米級陶瓷刀具材料研制成功的報道聘芜。納米改性、納米復(fù)合成功解決了晶粒的異常長大問題缝龄，納米級粒子釘扎或進入位錯區(qū)使基體晶粒內(nèi)形成亞晶界磁揽，導(dǎo)致基體晶粒細(xì)化。納米改性林没、納米復(fù)合及超細(xì)晶粒陶瓷刀具材料的研究與開發(fā)將是今后刀具材料發(fā)展的主要方向伺亭。

    陶瓷刀具材料是一種最有前途的高速切削刀具材料，在生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用前景婶苦。目前呀埠，它已引起世界各國的重視。在德國約70%加工鑄件的工序是用陶瓷刀具完成的吴位，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%～10%颠请。我國陶瓷刀具的發(fā)展也十分迅速，研究與開發(fā)水平與國際相當(dāng)嚣刺。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性誉倦，它比硬質(zhì)合金有更好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在高速條件下切削加工并持續(xù)較長時問揪孕，比用硬質(zhì)合金刀具平均提高效率3～10倍肿夜。它實現(xiàn)以車代磨、以銑代拋的高效“硬加工技術(shù)”及“干切削技術(shù)”梧杯，提高零件加工表面質(zhì)量旨椒。實現(xiàn)干式切削，對控制環(huán)境污染和降低制造成本有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

    新型陶瓷刀具材料具有其它刀具材料無法比擬的優(yōu)勢综慎，其發(fā)展空問非常大。通過對陶瓷刀具材料組分勤庐、制備工藝與材料設(shè)計的研究示惊，可以在保持高硬度、高耐磨性和紅硬性的基礎(chǔ)上愉镰，極大的提高刀具材料的韌性和抗沖擊性能米罚，制備符合現(xiàn)代切削技術(shù)使用要求的適宜材料≌商剑可以預(yù)料录择，隨著各種新型陶瓷刀具材料的使用。必將促進高效機床及高速切削技術(shù)的發(fā)展碗降，而高效機床及高速切削技術(shù)的推廣與應(yīng)用隘竭，又進一步推動新型陶瓷刀具材料的使用。 

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