閆 石 陳 爽 張葆青

（中國物理研究院流體物理研究所，四川綿陽 621900）

陶瓷刀具的應(yīng)用與發(fā)展

閆 石 陳 爽 張葆青

（中國物理研究院流體物理研究所，四川綿陽 621900）

主要介紹了陶瓷刀具的分類、陶瓷刀具的優(yōu)良切削性能以及利用陶瓷刀具在實(shí)際加工中如何進(jìn)行切削用量的合理選擇。此外，還分析了陶瓷刀具的幾個缺點(diǎn)以及在未來的研究和發(fā)展中，陶瓷刀具的主要發(fā)展方向。

陶瓷刀具 干切削 切削用量

隨著機(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對提高加工效率和降低生產(chǎn)成本的要求越來越高，各種新式刀具不斷涌現(xiàn)。陶瓷刀具作為一種新型切削刀具，由于其良好的高速切削性能，并能進(jìn)行干切削，滿足了加工者的要求，現(xiàn)在正被推廣應(yīng)用到機(jī)械加工的各個領(lǐng)域。

1 陶瓷刀具的產(chǎn)生

陶瓷刀具最早出現(xiàn)在德國，1938年德國古薩公司（Tima Degussa）首先取得刀具陶瓷的專利。但直到上世紀(jì)50年代初，陶瓷才作為切削刀具被正式使用并逐步商品化。最初的陶瓷刀具主要成分為氧化鋁，這種陶瓷刀具抗彎強(qiáng)度很低（350～450 MPa），沖擊韌性和可靠性差，所以沒有被推廣使用。之后經(jīng)過科學(xué)家的不斷研究，復(fù)合陶瓷刀具研制成功，這種以Al2O3陶瓷或Si3N4陶瓷為基礎(chǔ)而復(fù)合成的新一代新型陶瓷刀具材料，具有比純Al2O3陶瓷或Si3N4陶瓷好得多的物理機(jī)械性能。例如，Al2O3－TiC復(fù)合陶瓷，其抗彎強(qiáng)度達(dá)到了700～800 MPa。而且伴隨著顆粒增韌、納米增韌等方法的深入研究，復(fù)相陶瓷刀具材料的性能不斷提高。此外，由于細(xì)化晶粒加上陶瓷固有的高硬度及耐高溫、抗磨損和抗腐蝕等特性，陶瓷作為一種新的機(jī)械工程材料，越來越被人們所重視。

2 陶瓷刀具的分類

陶瓷刀具材料的品種、牌號很多，按其主要成分大致可分為氧化鋁系、氮化硅系以及增韌陶瓷刀具。目前世界上生產(chǎn)的陶瓷刀具近九成為氧化鋁系，其他多為氧化硅系。但近年來由于增韌陶瓷刀具的深入研究，各種增韌方式不斷涌現(xiàn)，使得增韌陶瓷刀具的應(yīng)用愈加的廣泛。

2.1 氧化鋁系陶瓷刀具

目前市場上應(yīng)用最多的就是氧化鋁系陶瓷刀具。該系陶瓷刀具材料是以氧化鋁為主體的陶瓷材料，在高溫下有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性和耐熱性，高溫硬度高，月牙洼磨損率較低，且高溫時刀具與工件間不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，表面加工粗糙度值小。氧化鋁系陶瓷刀具主要有：純氧化鋁陶瓷刀具，氧化鋁－碳化物陶瓷刀具，氧化鋁－氮化物、硼化物陶瓷刀具。

2.2 氮化硅系陶瓷刀具

氮化硅系陶瓷刀具是以高純度的Si3N4為原料，添加MgO、Al2O3、Y2O3等為助燒結(jié)劑，通過熱壓成形燒結(jié)而成，是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的刀具材料。其性能在很多方面超過了氧化鋁基陶瓷，硬度HRA93－94，抗彎強(qiáng)度700～l 100 MPa，具有良好的耐熱沖擊性。

現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的氮化硅系陶瓷刀具材料主要有：單一氮化硅陶瓷，氮化硅復(fù)合陶瓷。

2.3 增韌陶瓷刀具

雖然陶瓷刀具具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但其本身仍具有固有的一些缺點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性低，易發(fā)生破損，特別是早期破損等，嚴(yán)重限制了陶瓷刀具的應(yīng)用，因而增韌和增強(qiáng)陶瓷刀具成了近些年來陶瓷刀具材料研究的熱點(diǎn)。由于Si3N4陶瓷的韌性和強(qiáng)度較Al2O3陶瓷高得多，對陶瓷的增韌、增強(qiáng)的研究主要集中在以Al2O3為基體的刀具材料上，增韌Al2O3陶瓷是指在Al2O3基體中添加增韌或增強(qiáng)材料燒成。

目前常用的增韌方法主要有：ZrO2相變增韌、晶須增韌以及第二相顆粒彌散增韌以及納米增韌等。

3 陶瓷刀具的優(yōu)良特性

陶瓷刀具之所以會得到廣泛應(yīng)用和推廣，與它本身的優(yōu)良性能是分不開的。它的硬度高，且耐磨性好。此外，還有良好的耐熱性、抗化學(xué)腐蝕能力。而且工藝簡單，刃磨方便，價格較低。

（1）具有很高的硬度與耐磨性 氮化硅陶瓷刀片的室溫硬度值已超過了硬質(zhì)合金刀片的硬度，它的常溫硬度達(dá)到了92～95 HRC，且耐磨性好，在相同的切削條件下，它的磨損僅為YTl5硬質(zhì)合金的1/15，這就大大提高了它的切削能力。

（2）具有很好的耐熱性和抗高溫氧化性 陶瓷刀具可以在1 200～1 450℃的高溫下進(jìn)行切削，并能保持一定的硬度和強(qiáng)度，因此可進(jìn)行高速切削和干切削。

（3）具有很高的紅硬性 一般硬質(zhì)合金刀具在溫度為800～1 000℃時，其硬度會突然降低。而陶瓷刀具的硬度隨溫度的升高變化很小，即使在1 200℃時，硬度仍可達(dá)到80 HRC左右。

（4）具有極小的與金屬的親和力。

4 陶瓷刀具切削用量及刀具幾何參數(shù)的選擇

切削用量直接影響加工生產(chǎn)率、加工成本、加工質(zhì)量和刀具壽命。因?yàn)樘沾傻毒呔哂杏捕雀?、耐磨性好、耐熱性高等?yōu)點(diǎn)以及脆性較大、強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)，所以必須充分考慮這些特點(diǎn)來選擇合適的切削用量，以達(dá)到提高生產(chǎn)率、保證加工質(zhì)量的目的。

4.1 切削深度ap的選擇

為了縮短加工時間，提高加工效率，用陶瓷刀具加工時，應(yīng)盡可能選擇較大的切削深度，以便在一次走刀后切去大部分余量。但由于切削深度受機(jī)床功率和工藝系統(tǒng)剛性的限制，一般粗加工鋼和鑄鐵時，允許的最大切削深度為2～6 mm，通常取ap≥1.5 mm。精加工時則取ap=0.02～0.1 mm為宜。當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性比較差時，應(yīng)取較小的切削深度，否則容易引起振動，使刀片破損。

4.2 進(jìn)給量f的選擇

合理選擇進(jìn)給量是成功應(yīng)用陶瓷刀具的關(guān)鍵。進(jìn)給量主要受陶瓷刀片強(qiáng)度及工藝系統(tǒng)剛性的影響，精加工時還要受被加工表面粗糙度的影響。以車削普通鋼和鑄鐵為例，半精加工時進(jìn)給量可選取f=0.10～0.75 mm/r，精加工一般選取進(jìn)給量 f=0.05～0.13 mm/r為宜。加工淬硬鋼時情況會有所不同，一般車削選取進(jìn)給量f=0.10～0.30 mm/r。進(jìn)給量選取太大會使表面粗糙度值增大，進(jìn)給量選取太小會使刀具圓弧半徑與已加工表面擠壓加劇而影響表現(xiàn)粗糙度。進(jìn)給量對刀具破損的影響比切削速度大，選取較小的進(jìn)給量，有利于防止或減少刀具的破損，因此，對于陶瓷刀具應(yīng)選用較小的進(jìn)給量和盡可能高的切削速度。

4.3 切削速度v的選取

切削速度的選取直接影響刀具耐用度、切削溫度、加工成本、加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，所以選擇一個最佳的切削速度對于陶瓷刀具的使用至關(guān)重要。

以氮化硅陶瓷刀具為例，氮化硅陶瓷刀具適于高速切削。對一定的工件材料，切削速度主要受機(jī)床功率限制。結(jié)合已選定的切削深度ap和進(jìn)給量f，如因機(jī)床功率不足，而使切削速度選得過低，則不僅不利于發(fā)揮陶瓷刀具的優(yōu)越性，而且容易發(fā)生崩刃。應(yīng)當(dāng)適應(yīng)減小進(jìn)給量，甚至是切削深度，以便提高切削速度。目前陶瓷刀具的切削速度，雖然有的國家最高到1 500 r/min，但加工普通鋼和鑄鐵，大多數(shù)仍然采用v=200～600 r/min;加工硬度低于65 HRC的鋼材時v=60～200 r/min;銑削一般鋼和鑄鐵時v=200～500 r/min;銑削耐熱合金時，v=100～250 r/min。切削速度對切屑形狀影響很大，特別在v=350～1 500 r/min范圍內(nèi)，往往可以獲得良好的切屑形狀。

4.4 刀具幾何參數(shù)的選取

雖然陶瓷刀具有很多優(yōu)良的切削性能，但如果想最大限度地發(fā)揮陶瓷刀具的作用，合理選擇刀具的幾何參數(shù)也是至關(guān)重要的。所謂刀具的合理幾何參數(shù)，是指刀具在保證較高的生產(chǎn)率，以及加工出符合預(yù)定尺寸精度和表面質(zhì)量的工件的同時，能夠保證刀具具有最長的使用壽命。在選擇陶瓷刀具的合理幾何參數(shù)時，我們不但要考慮刀具的一般規(guī)律，同時也必須考慮某些屬于陶瓷刀具所特有的規(guī)律。由于其硬而脆的特性，如何保證使用的穩(wěn)定可靠、不發(fā)生崩刃仍然是選擇陶瓷刀具合理幾何參數(shù)的主要依據(jù)。以下給出了陶瓷刀具幾個主要的幾何參數(shù)，但僅用作參考，具體的加工情況下，各項(xiàng)參數(shù)會略有不同。

（1）前角γ0陶瓷刀具有脆性較大、抗彎強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，為使刀具有足夠的強(qiáng)度而防止崩刃，一般選取前角 γ0=4°～ －14°。

（2）后角α0一般取后角α0=6°。α0過大易使切削過程不穩(wěn)定和易振動，不利于改善表面粗糙度。

（3）刃傾角λ0高速切削易產(chǎn)生振動，為提高刀具耐用度，刃傾角 λ0= －5°～ －12°。

（4）刀尖圓弧半徑rc為提高刀具耐用度和減小工件表面粗糙度值，精加工時選取刀尖圓弧半徑rc=0.3～0.5 mm為宜。刀尖圓弧半徑rc不宜過大，否則將較大地增大切削徑向抗力Fr而引起工藝系統(tǒng)振動。粗加工和重切削時，應(yīng)加0.1～0.3 mm寬、－14°～－20°角度的負(fù)倒棱來強(qiáng)化刀刃。

5 陶瓷刀具的發(fā)展趨勢

雖然陶瓷刀具有著優(yōu)良的切削性能，但由于其刀具材料脆性較大，強(qiáng)度和韌性較低，這在很大程度上限制了它的推廣應(yīng)用。事實(shí)上，硬度高的材料往往強(qiáng)度和韌性低，如果要提高韌性往往是以硬度的下降為代價的。正是由于這種矛盾的存在，使得尋找一種既具有高的硬度（包括高溫硬度）又具有高的強(qiáng)度和韌性的陶瓷成為陶瓷刀具材料研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段，陶瓷刀具新材料的研究主要集中在4個方面：超微粉陶瓷刀具、復(fù)相陶瓷刀具、涂層刀具以及金屬陶瓷刀具。而在這4個方面中，復(fù)相陶瓷刀具的研究尤為突出。下面就著重介紹一下復(fù)相陶瓷刀具的發(fā)展現(xiàn)狀。

復(fù)相陶瓷即通過材料內(nèi)部復(fù)合相的協(xié)同增韌補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)，使陶瓷材料的性能大幅度提高。對陶瓷材料實(shí)行多層次復(fù)合是獲得超強(qiáng)、超韌的有效途徑。控制彌散相的粒度，晶粒尺寸從微米級→亞微米級→納米級減小，材料強(qiáng)度將出現(xiàn)大的飛躍。

目前采用的復(fù)合技術(shù)主要分為兩相復(fù)合和多相復(fù)合，這其中絕大部分的研究主要集中在兩相復(fù)合。在兩相復(fù)合技術(shù)中，主要有以下幾種增韌方法。

（1）顆粒增韌 即通過在材料中添加第二相顆粒，提高陶瓷刀具材料的斷裂韌度，其主要增韌機(jī)理有顆粒彌散增韌、殘余應(yīng)力增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)增韌和微裂紋增韌等。

（2）ZrO2相變增韌 即在陶瓷刀具材料中添加適量ZrO2顆粒，利用ZrO2的相變特性，提高刀具材料的斷裂韌度。ZrO2相變增韌陶瓷刀具材料的主要增韌機(jī)理有應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌、殘余應(yīng)力增韌和微裂紋增韌。

（3）晶須增韌 借助晶須缺陷很少，近似于完整的單晶，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于多晶體的特性，通過在陶瓷刀具材料中加入適量晶須，可以有效提高刀具材料的斷裂韌度。晶須增韌陶瓷刀具材料的主要增韌機(jī)理有裂紋橋接、晶須拔出和裂紋偏轉(zhuǎn)。

（4）納米增韌 納米復(fù)合能夠細(xì)化晶粒，減小材料內(nèi)部的缺陷尺寸，因此能夠大幅提高陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度。但是受制備工藝的限制，目前還很難制備出純粹由納米晶粒組成的致密陶瓷刀具材料，大多是通過在微米材料中添加納米相，制備納米復(fù)合陶瓷刀具材料。故目前納米增韌所存在的增韌機(jī)理尚未擺脫微米增韌機(jī)理的范疇，因此對斷裂韌度的提高并不理想。但相信隨著制備工藝和技術(shù)的發(fā)展，納米增韌一定可以取代微米增韌，成為一種高效的增韌方式。

6 結(jié)語

陶瓷刀具的不斷發(fā)展和應(yīng)用給機(jī)械加工業(yè)帶來了一場革新，它不僅滿足了人們提高加工效率、降低加工成本的要求，同時也使高速切削和干切削成為可能。隨著人們環(huán)境保護(hù)的意識越來越強(qiáng)，綠色加工已經(jīng)逐漸被人們所重視，而陶瓷刀具的出現(xiàn)和應(yīng)用將這一切變成了現(xiàn)實(shí)。相信隨著陶瓷刀具材料的不斷研究，隨著性能更加優(yōu)良刀具的不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用，一定會給我國的制造業(yè)掀起一場意義非凡的革命。

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Application and development of the ceramic cutting tools

YAN Shi，CHEN Shuang，ZHANG Baoqing
（China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，CHN）

This article introduces the categories and nice－feature of ceramic cutting tools，and how to choose cutting parameters scientifically in the processing.Moreover，it analyses the defects and the trend of development of ceramic cutting tools in the future.

Ceramic Cutting Tools;Dry Cutting;Cutting Parameters

TG711

B

（編輯 李 靜）（

2010－11－29）

110717