1．引言

　　陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好骏庸、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點，可廣泛應(yīng)用于難加工材料切削年叮、超高速切削具被、高速干切削和硬切削等。陶瓷刀具的最佳切削速度比硬質(zhì)合金刀具高3～10倍只损，可大幅度提高切削加工生產(chǎn)率一姿。近三十年來，由于在陶瓷刀具制造工藝中實現(xiàn)了對原料純度和晶粒尺寸的有效控制跃惫，開發(fā)了各種碳化物叮叹、氮化物、硼化物溺联、氧化物济问、晶須或少量金屬的添加技術(shù)，以及采用多種增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制等捻境，使陶瓷刀具的強(qiáng)度吝殖、韌性、抗沖擊性能等都有了較大提高炸鹅。但陶瓷刀具并不是萬能的帚颤。陶瓷刀具在切削加工過程中要承受高溫、高壓作用肮渣，不可避免地要受到不同程度的磨損或破損饮噪。已有的研究表明，每一種陶瓷刀具都有其特定的加工范圍蓉庆，不同的陶瓷刀具（或同種陶瓷刀具）在加工不同工件材料時其磨損形態(tài)和刀具壽命會有很大不同藏络，因此存在陶瓷刀具與切削對象的最佳匹配問題糜透。對于這方面的研究國內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)報道撤宽，但因?qū)嶒灄l件和研究方法各異臭杰，不同研究者的實驗結(jié)果和研究結(jié)論也存在差異。

　　對陶瓷刀具切削加工時的磨損谚中、潤滑以及陶瓷刀具與加工對象的最佳匹配問題進(jìn)行了綜合評述渴杆，以期對新型陶瓷刀具材料的研制與開發(fā)、實際加工中陶瓷刀具的選用與磨損控制等起到一定的指導(dǎo)和參考作用宪塔。

　　2．陶瓷刀具切削加工時的磨損機(jī)理

　　在陶瓷刀具切削加工過程中磁奖，始終存在兩個摩擦副，即前刀面與切屑間的摩擦副和后刀面與工件間的摩擦副某筐。其中比搭，前者影響刀具前刀面的磨損，后者影響刀具后刀面的磨損和已加工表面質(zhì)量南誊，前身诺、后刀面的磨損均影響刀具壽命。陶瓷刀具主要用于高速切削場合抄囚，切削溫度趁股模可高達(dá)800～1000℃（甚至更高），切削壓力也很大幔托。因此穴亏，陶瓷刀具的磨損是機(jī)械磨損與化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果，其磨損機(jī)制主要包括磨料磨損细周、粘結(jié)磨損毯创、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散磨損谒酌、氧化磨損等儒剧。已有的研究表明，陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)祸芙。不同的陶瓷刀具材料在不同切削條件下加工不同的工件材料時停唐，占主導(dǎo)地位的磨損機(jī)制可能有所不同。如在低速切削時钱锉，由于切削溫度較低时憾，其磨損機(jī)理往往表現(xiàn)為磨粒磨損；而在高速切削時诊捆，則以高溫引起的粘著磨損鸽拱、化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損和擴(kuò)散磨損為主纸措。

　　Al2O3基陶瓷刀具在連續(xù)切削鋼件時谓苟，其磨損機(jī)理主要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結(jié)磨損，而在切削鑄鐵時主要為磨料磨損协怒。Wayne 和Brandt 等人通過研究用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718材料得出結(jié)論：在低速切削條件下涝焙，磨料磨損和粘結(jié)磨損為陶瓷刀具的主要磨損機(jī)制卑笨；而在高速切削條件下，粘結(jié)磨損仑撞、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散磨損為陶瓷刀具的主要磨損機(jī)制赤兴。由于Inconel 718材料高溫強(qiáng)度高，塑性變形大隧哮，加工硬化嚴(yán)重桶良，切削力和切削溫度均很高。當(dāng)切削溫度小于900℃時沮翔，刀具前刀面以粘結(jié)磨損為主陨帆；當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時，Ni就開始向刀具中心擴(kuò)散采蚀。由于Ni的擴(kuò)散歧譬，一方面使刀具材料表面硬度下降，性能降低搏存；另一方面使刀具與工件的親和性增加测扼，粘結(jié)磨損增大。因此啡产，用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718時必須使用切削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）纲秫。

　　Casto等人通過研究用Al2O3/ZrO2陶瓷刀具加工AISI 1040材料得出結(jié)論：刀具的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘結(jié)磨損和磨料磨損，而用Si3N4陶瓷刀具加工AISI 1040鋼時肢有，刀具表面存在嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)单步。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI 4337鋼時，前刀面和后刀面的磨損機(jī)理不同涣恤∏冶迹化學(xué)反應(yīng)及塑性變形是前刀面磨損的主要原因，后刀面的磨損機(jī)理則是陶瓷顆粒間發(fā)生斷裂络骤，導(dǎo)致陶瓷顆粒脫落所致此腊。Brandt發(fā)現(xiàn)了Al2O3基陶瓷刀具切削時表層的塑性變形現(xiàn)象，并認(rèn)為這是由于Al2O3與FeO（鋼表面氧化產(chǎn)物）或MgO（陶瓷添加劑）反應(yīng)形成了尖晶石結(jié)構(gòu)朵令，或者是Al2O3與SiO2羊捧、CaO作用形成了低熔點、低硬度的化合物彼硫。作者的研究表明：Al2O3/TiB2陶瓷刀具在加工高強(qiáng)鋼和淬硬鋼時具有較好的耐磨性炊豪，隨著TiB2含量的增加，刀具的耐磨性能增強(qiáng)拧篮。

　　對于晶須增韌陶瓷刀具词渤，由于晶須在熱壓過程中定向分布于垂直熱壓軸平面，造成晶須在不同表面上的分布差異，因此晶須增韌陶瓷刀具的耐磨性能與晶須的取向有關(guān)缺虐，θ=0°表面的耐磨性能最差芜壁，而θ=90°表面的耐磨性能最好。當(dāng)?shù)毒咭院蟮睹婺p為主時志笼，應(yīng)選擇θ=90°表面作為刀具后刀面；當(dāng)?shù)毒咭郧暗睹婺p為主時把篓，則應(yīng)選擇θ=90°表面作為刀具前刀面纫溃。當(dāng)?shù)毒咔啊⒑蟮睹嫱瑫r存在較大磨損時韧掩，應(yīng)選擇θ=45°表面作為刀具的前（后）刀面紊浩，以提高刀具的抗磨損能力。

　　Si3N4基陶瓷自七十年代后期開始作為刀具材料使用柒汉，目前已在鑄鐵和鎳基合金的切削加工中得到廣泛應(yīng)用绒催。Si3N4基陶瓷刀具在高速切削鑄鐵時主要發(fā)生磨料磨損，而在高速切削碳鋼時主要發(fā)生化學(xué)磨損监昏⌒敝荩化學(xué)磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所占比例一般并不大，但化學(xué)作用可使機(jī)械磨損的程度大大加劇承副，如化學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會引起陶瓷表面強(qiáng)度減弱愁逝，加劇刀具與工件間的粘結(jié)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和微觀斷裂磨損冻菌。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI 1045鋼時敷忠，其磨損率比切削灰鑄鐵時高出兩個數(shù)量級；切削鑄鐵時工件與刀具之間的Fe荚砍、Si等元素的相互擴(kuò)散作用比切削鋼時小得多崎北。切削鋼時，Si3N4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學(xué)作用有關(guān)四洗，由于Si3N4顆粒的化學(xué)溶解及不斷被從玻璃相中拔除松招，Si3N4陶瓷刀具表現(xiàn)出很高的磨損率。Si3N4陶瓷刀具切削鋼時的高磨損率主要歸因于以下兩種因素：①Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2層不斷被磨去每庆；②SiO2與工件表面的FeO形成低熔點共晶混合物臼疫。有人對Sialon陶瓷刀具與鐵基合金間的化學(xué)作用進(jìn)行過專門研究，結(jié)果表明：在高溫下β′-Sialon 顆粒與鐵基合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)扣孟，硅和氮在鐵基合金中發(fā)生溶解和擴(kuò)散烫堤。鋼中的合金元素對Sialon與鋼之間的反應(yīng)活性有一定影響，鎳凤价、硅鸽斟、碳、磷等元素可降低反應(yīng)活性，而鉻富蓄、鉬剩燥、鈦、釩等元素則會增大反應(yīng)活性立倍。

　　雖然陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)灭红，但決定陶瓷刀具磨損特性的主要因素仍是陶瓷材料的組分和微觀結(jié)構(gòu)。陶瓷刀具磨損的基本現(xiàn)象是材料的斷裂及轉(zhuǎn)移口注，因此裂紋的形成與擴(kuò)展將對磨損產(chǎn)生重要影響变擒。陶瓷刀具材料多為復(fù)相陶瓷，在晶界處存在玻璃相逐嗅、氣孔蹂甥、雜質(zhì)等，且各相之間存在熱脹失配和彈性模量的差別菊车。晶界氣孔的存在會導(dǎo)致應(yīng)力集中虚缘，氣孔作為裂紋源將誘導(dǎo)晶界裂紋，并且由于氣孔主要在晶界上產(chǎn)生您奶，裂紋擴(kuò)展至氣孔時與氣孔連接辐轧，從而加速了裂紋的擴(kuò)展。Rice等人的研究表明：氣孔率的增加使陶瓷刀具的耐磨性能大大降低晋鼓，彈性模量與熱脹失配所產(chǎn)生的過大殘余應(yīng)力會導(dǎo)致材料在未受外載時就產(chǎn)生開裂市贡。由于多晶陶瓷所加的添加劑在燒結(jié)過程中主要以玻璃相形式存在于晶界上，在高速切削產(chǎn)生的高溫條件下辞皇，玻璃相粘度降低而發(fā)生塑性流動切果，導(dǎo)致晶界滑移，并在晶界交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象符焊。如果應(yīng)力集中使得相鄰晶粒完全塑性變形淘太，則會使應(yīng)力松弛，如果不能與鄰近晶界變形相適應(yīng)规丽，則應(yīng)力集中將使晶界處產(chǎn)生裂紋蒲牧。裂紋成核后，隨著晶界滑移程度的不斷增加赌莺，將會引起裂紋產(chǎn)生冰抢。陶瓷刀具材料晶體中的大量位錯為裂紋成核提供了另一種方式，隨著磨損過程的不斷進(jìn)行艘狭，位錯不斷增殖挎扰，在晶界處就會形成更多因位錯而產(chǎn)生的微裂紋，這些裂紋相接就會形成連續(xù)裂紋巢音，從而導(dǎo)致陶瓷刀具耐磨性能下降遵倦。

　　3．陶瓷刀具切削加工時的潤滑

　　對于陶瓷刀具在切削加工中是否需要潤滑目前看法尚不統(tǒng)一尽超。有些學(xué)者認(rèn)為，陶瓷刀具具有高硬度梧躺、高熔點似谁、耐高溫等特點，且抗熱震性較差遣惊，對熱應(yīng)力很敏感钓赛，不適當(dāng)?shù)睦鋮s作用會使刀具產(chǎn)生熱裂紋而發(fā)生破損，因此陶瓷刀具切削加工時不需冷卻和潤滑即可滿足使用要求渠盅。但也有不少研究者認(rèn)為勃说，陶瓷刀具在加工某些難加工材料時（如用晶須增韌陶瓷刀具加工鎳基高溫合金），必須充分使用切削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）虽浆。采用適當(dāng)?shù)睦鋮s和潤滑對減小陶瓷刀具磨損货瘫、延長其使用壽命十分有益帜猩。

　　Tonshoff等人研究了Al2O3/TiC陶瓷刀具車削淬硬鋼時潤滑劑的作用休惰，切削試驗分別在干切削和不同潤滑劑潤滑條件下進(jìn)行。結(jié)果表明：刀具的磨損朦阶、已加工表面質(zhì)量以及切屑的形成均受到潤滑劑的影響杜凌。與干切削相比，采用潤滑劑的刀具壽命延長杰翰，工件已加工表面質(zhì)量顯著提高名篷。這主要是因為潤滑劑中的極壓添加劑在切削條件下與工件表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)而形成了化學(xué)吸附膜。通過對潤滑切削條件下的工件表面進(jìn)行成分分析焰诲，發(fā)現(xiàn)了含F(xiàn)eS和FePO4等成分的極壓潤滑膜途茫，正是這種極壓潤滑膜降低了切削摩擦力，抑制了粘結(jié)的發(fā)生溪食，從而減小了刀具磨損囊卜。

　　Cheryl對Si3N4 / TiC 陶瓷材料在900℃高溫下的摩擦磨損試驗研究表明：Si3N4和TiC在高溫下發(fā)生氧化，在摩擦表面生成含Si和Ti的氧化物保護(hù)膜错沃，可顯著降低摩擦系數(shù)栅组，并有利于提高材料的耐磨性能。用Si3N4基和Al2O3基陶瓷刀具進(jìn)行鎳基合金的切削試驗發(fā)現(xiàn)枢析，干切削條件下刀具失效的主要原因是嚴(yán)重的前刀面磨損及切屑在刀具上的粘結(jié)玉掸，而使用切削潤滑劑改善了刀具的切削性能，提高了切削效率和加工件的表面質(zhì)量醒叁。有人曾對多種潤滑劑司浪、添加劑對陶瓷—金屬摩擦副的潤滑作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)油基切削液比水基切削液更為有效把沼。如使用含二烷基二硫化磷酸鋅（ZDDP）的潤滑油進(jìn)行潤滑断傲，Si3N4陶瓷刀具切削45鋼時的磨損率與干切削相比可減小兩個數(shù)量級，切削不銹鋼時的磨損率比干切削時可減小一個數(shù)量級。表面分析發(fā)現(xiàn)层筹，Si3N4及工件的磨損表面上有ZnO苦频、FeS、FePO4等摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物生成风踪。

　　Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬鋼進(jìn)行了試驗研究梧杠，結(jié)果表明：該陶瓷刀具高速干切削時具有自潤滑功能。當(dāng)切削速度較低時也菊，切削溫度也較低啤都，刀具的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨料磨損與粘結(jié)磨損；當(dāng)切削速度很高時揽宵，刀具表面平均切削溫度較高溃锤，實際瞬時最高溫度大于平均溫度，切削后刀具磨損區(qū)的XRD譜圖中出現(xiàn)了TiO2衍射峰脐拄，這表明TiB2在切削高溫的作用下發(fā)生了氧化灿拗。TiB2的氧化物TiO2能在切屑與刀具前刀面之間起到固體潤滑劑的作用，進(jìn)而可減小切削力和前刀面的平均摩擦系數(shù)μ醇樱，并能減輕刀具的粘結(jié)磨損侍上，提高刀具的耐磨性能。

　　4．陶瓷刀具與加工對象的匹配

　　每一種陶瓷刀具都有其特定的加工范圍郎哭，不同的陶瓷刀具（或同種陶瓷刀具）在加工不同工件材料時其磨損形態(tài)和刀具壽命有很大差別他匪。因此，每一種陶瓷刀具都有其最佳加工對象夸研，即存在陶瓷刀具與加工對象的最佳匹配問題邦蜜。

　　Al2O3基陶瓷刀具中含有鋁元素，因此Al2O3基陶瓷刀具在加工鋁及鋁合金時存在較大親和力亥至，刀具會產(chǎn)生較大的粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損悼沈。Al2O3/TiC和Al2O3（/W，Ti）C等陶瓷刀具中含有鋁及鈦元素抬闯，用此類陶瓷刀具加工鈦及鈦合金井辆、鋁及鋁合金時也存在較大親和力，因此它們都不適合加工鋁溶握、鈦及其合金杯缺。純鐵與Al2O3刀具之間的粘結(jié)傾向比鋼和鑄鐵更大，純Al2O3陶瓷刀具在切削純鐵時約在500℃就開始粘結(jié)睡榆，與其它超硬刀具（如金剛石萍肆、立方氮化硼刀具）相比，Al2O3刀具與鐵之間的擴(kuò)散作用最小栽铁。

　　SiC顆涟氏或SiC晶須增韌的Al2O3刀具在加工鎳基合金時表現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能柜步，但在加工鋼時，因Fe容易與SiC發(fā)生反應(yīng)而使刀具材料急劇磨損锉纹。用含有SiC的陶瓷刀具加工淬硬鋼時冲或，在切削高溫作用下，SiC很容易與工件中的Fe產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)残宽，反應(yīng)式為

　　4Fe+SiC→FeSi+Fe3C

　　切削速度越高腌棒，切削溫度也隨之升高，會進(jìn)一步加劇Fe與SiC的反應(yīng)速度父吧。SiC晶須與Fe反應(yīng)后使晶須原有的硬度和耐磨性能降低隧蜀，晶須與基體的結(jié)合強(qiáng)度削弱，因而晶須在磨粒作用下容易脫落秉唇，從而減弱晶須的增韌作用素矛。此外，陶瓷刀具在高溫下還會產(chǎn)生溶解磨損漆勉，表1為陶瓷刀具材料各組分與Fe在1323℃溫度時的溶解度撒蟀。由表可見，Al2O3和ZrO2在Fe中的溶解度最小廊镜，溶解度由大到小的順序為：SiC→TiN→TiC→Al2O3→ZrO2牙肝。在高溫下SiC在Fe中的溶解度比TiC和TiN的溶解度高兩個數(shù)量級以上唉俗。由于Fe與SiC晶須的化學(xué)反應(yīng)及相互溶解嗤朴，使刀具材料中Fe元素含量增加，進(jìn)一步增大了刀具與工件的粘著傾向虫溜，因此對刀具的耐磨性能不利雹姊。因此，含有SiC顆梁饫悖或SiC晶須的陶瓷刀具不適合加工鋼件吱雏。

　　表1 陶瓷刀具材料組分1323℃時在Fe 中的溶解度

　　材料組分－溶解度（mol%）

　　ZrO2－3.6×10-8

　　Al2O3－5.6×10-7

　　TiC－1.0×10-3

　　TiN－1.9×10-3

　　SiC－6.4×10-1

　　Al2O3/ZrO2陶瓷刀具中的材料組分Al2O3和ZrO2在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性好，且與Fe的溶解度很小瘾境，不易向工件材料中擴(kuò)散及溶解歧杏，因此Al2O3/ZrO2具有較好耐磨性能。由于Al2O3/ZrO2陶瓷刀具在高溫（1170℃以上）下ZrO2的增韌效果會顯著減小迷守，所以Al2O3/ZrO2陶瓷刀具不適合溫度較高的高速或超高速切削犬绒，只適合在較低切削速度范圍內(nèi)進(jìn)行切削加工，Si3N4基陶瓷刀具適于高速切削鑄鐵脯纽，加工鎳基合金也能取得滿意結(jié)果等吝，但切削奧氏體不銹鋼時則磨損嚴(yán)重。由于Si3N4和Fe 之間存在較大親和力以及Si和Fe之間的相互擴(kuò)散尽架，高速切削產(chǎn)生的高溫會大大加劇Si3N4與這類工件間的化學(xué)作用及元素擴(kuò)散泽中，加劇Si3N4刀具的磨損虎疗，所以Si3N4刀具也不適合高速切削純鐵和碳鋼等材料⊙總的來說榄缸，Al2O3基陶瓷刀具具有良好的耐磨損性能及耐高溫性能（均高于Si3N4基陶瓷刀具），且其高溫化學(xué)穩(wěn)定性很好浓盐，不易與鐵元素發(fā)生相互擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)瞪歹，因而Al2O3基陶瓷刀具的應(yīng)用范圍最廣，適于高速切削鋼演苍、鑄鐵及其合金蛇热；Si3N4基陶瓷刀具的斷裂韌性和抗熱裂性高于Al2O3基陶瓷刀具，適于斷續(xù)加工鑄鐵及鑄鐵合金氧吐；ZrO2增韌陶瓷刀具室溫韌性較高讹蘑，適于斷續(xù)切削，但不適合溫度較高的高速或超高速切削筑舅；添加SiC的陶瓷刀具最適合加工鎳基高溫合金座慰、純鎳和高鎳合金等，但不適于加工鋼和鑄鐵翠拣。

　　5．結(jié)語

　　綜上所述版仔，不同種類的陶瓷刀具（或同種類刀具）加工不同工件時，其磨損形態(tài)不同误墓。冷卻與潤滑對陶瓷刀具的磨損和刀具壽命會產(chǎn)生很大影響蛮粮，采用適當(dāng)?shù)睦鋮s和潤滑對減小陶瓷刀具磨損、延長使用壽命十分有益谜慌。

　　在實際應(yīng)用中然想，每一種陶瓷刀具都有其特定的加工范圍，陶瓷刀具與其加工對象之間存在最佳匹配問題欣范，應(yīng)根據(jù)所加工的工件材料選擇合適的刀具材料变泄，并根據(jù)刀具材料中是否含有高溫下易與工件材料發(fā)生擴(kuò)散及化學(xué)作用的組分來確定最佳切削用量。

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