新型陶瓷刀具研究进展

新型陶瓷刀具的研究进展

摘要：本文回顾了陶瓷刀具的发展简况及其意义，并且综述了陶瓷刀具材料的种类、性能和特点、以及其制备方法，在此基础上分析了陶瓷刀具的发展趋势和前景。

关键词：陶瓷刀具；氧化铝；氮化硅；性能

中图分类号： tg 711

1、引言

切削加工是工业生产中最基本、最普通和最重要的方法之一，它直接影响工业生产的效率、成本和能源消耗。然而随着现代制造技术的发展，各种新型难加工材料在产品中的大量应用，传统的硬质合金刀具已难以满足生产需要，而作为新型切削材料的陶瓷刀具由于具有高耐热性、耐磨性、化学稳定性等特点，因此陶瓷刀具在切削加工中扮演者越来越重要的角色。

另外，从资源方面考虑，陶瓷刀具的原材料也远远丰富于传统合金刀具。总所周知，硬质合金刀具含有大量的w、co 等战略性贵重金属，并且这些贵重金属在地球上市有限的，而且是不可再生资源。而陶瓷刀具的主要原料是al2o3和sio2，这些化合物在地壳中的含量非常丰富。因此其发展及应用前景十分广阔[1-3]。目前刀具的主要原材料是高速钢和硬质合金，但从发展趋势来看，金属陶瓷刀具材料在制造刀具方面的用量逐年增加，同时也是近几年来新型刀具研究方面的重点和热点。本文将简述陶瓷刀具的发展史，同时综述陶瓷刀具材料的种类及其性能，以及其制备方法。

2、陶瓷刀具的发展简况

陶瓷作为切削加工材料，有着源远流长的历史。早在1905 年德国人就开始了用al2o3陶瓷作为切削刀具材料的研究。但是由于al2o3陶瓷比较脆，而且当时的陶瓷工艺技术也比较落后，所以它的广泛应用在当时受到限制。

1968 ～1970 年间人们研制成功了al2o3+tic复合陶瓷刀具，。这促使al2o3基陶瓷刀具逐渐地走出了缓慢发展的低谷，成为解决超硬材料加工的一种新型刀具[4-6]。

20世纪70年代中期美国用sialon陶瓷刀具（si3n4+al2o3的固熔体）加工灰铸铁，取得良好效果[7]。同期，中国用热压si3n4陶瓷刀具实现了对多种难加工材料进行多种工序的加工和生产应用[7，8]。当时出现的新一代si3n4陶瓷刀具，以另一支新军的姿态受到人们的重视。

20世纪80年代初，日本日立金属株式会社研制成功al2o3+tib2复合陶瓷刀具。这种复合陶瓷刀具主要是运用了tib2硬度比tic 高，热膨胀系数却比tic小的特点，从而使制成的复合陶瓷刀具具有更好的耐磨性和耐热冲击性。

20世纪80年代初，美国、瑞典还研制成功sic晶须增韧al2o3陶瓷刀具（al2o3+ sicw， w指晶须）。晶须的加入使al2o3基陶瓷的断裂韧性提高两倍多，同时保留了高硬度的特质。

3、陶瓷刀具材料的种类及其主要性能

3. 1 氧化铝（ a12o3 ）基陶瓷

（1）纯氧化铝陶瓷。这种陶瓷中al2o3的成分含量在99. 9 % 以上，大部分呈白色，俗称白陶瓷。白陶瓷耐磨性好，用于切削灰铸铁有较好效果，也可切削普通碳钢，但因其强度低，抗热振性及断裂韧性较差，切削时易崩刃，因此现在已经逐渐被al2o3复合陶瓷所取代。

（2）氧化铝-碳化物系复合陶瓷。它是在al2o3基体中加入tic、wc、mo2c、tac、nbc、cr3c2等成分经热压烧结而成，其中使用最多的是al2o3-tic复合陶瓷。随着tic含量（30 %～50 %）的不同，其切削性能也有差异，主要用于切削淬硬钢和各种耐磨铸铁[9]。

（3）氧化铝-碳化钛-金属系复合陶瓷。该陶瓷因在al2o3-tic 陶瓷中加入了少量的粘结金属如ni和mo 等，从而提高了al2o3与tic的连结强度和使用性能，故可用于粗加工。这类陶瓷又称金属陶瓷。这类陶瓷用于切削调质合金钢时的切削速度是一般合金刀具的1～3 倍，刀具寿命是合金刀具的6～10倍，由于其含有金属成分，所以能用电加工切割成任意形状。同时，用金刚石砂轮刃磨时，能获得较好的表面质量。

（4） al2o3-sic晶须增韧陶瓷。它是在al2o3陶瓷基体中添加20 %～30 %的sic晶须而成。sic晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物，使陶瓷的韧性大幅度提高，适用于断续切削及粗车、铣削和钻孔等加工及镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料的加工。

（5）fe3al/ a12o3陶瓷基复合材料

fe3al金属间化合物具有特殊的物理、化学和力学性能及独特的形变特征和室温脆性，被称为半陶瓷材料，是一种介于高温合金与陶瓷之间的新型高温材料。fe3a1与al2o3具有较好的适配性能，其复合材料界面不产生化学反应，没有界面相生成，具有较好的界面结合力。此刀具材料在切削铸铁和中碳钢时显示出优良的特性，且成本低、功效高，具有广阔的应用前景[10]。

3. 2 氮化硅（ si3n4）基陶瓷

si3n4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，其硬度可达hv1800～2000，且热硬性好，能承受1300～1400℃的高温，与碳和金属元素化学反应较小，摩擦因数也较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于断续切削。由于纯si3n4陶瓷刀具在切削长切屑金属（如软钢）时，极易产生月牙洼磨损，所以新一代si3n4陶瓷均为复合型。si3n4基陶瓷目前主要有si3n4-tic-co复合陶瓷、si3n4晶须增韧陶瓷和si3n4-al2o3-y2o3复合陶瓷等几种类型[11]。

3. 3 ti（ cn）基金属陶瓷刀具材料

ti （cn）基金属陶瓷具有非常独特的性能组合。与硬质合金刀具材料相比，金属陶瓷可有效地用于高速切削加工，最佳切削速度可比硬质合金刀具高3～10 倍，并具有更高的耐磨性能，切削寿命是硬质合金的5～10倍，不仅已用于钢材的车削，而且也已用于钢和铸铁的铣削加工。

通过优化成分，改进制备技术，及纳米改性、纳米复合、超细晶粒材料的研究开发，使得ti （cn）基金属陶瓷的综合性能有了很大提高。例如其硬度和抗弯强度与普通金属陶瓷相比均有明显提高，其抗崩刃性、耐磨性和使用寿命较普通金属陶瓷亦有较大幅度提高[12]。金属陶瓷作为刀具材料使用，具有非常大的发展潜力，完全可以在某些领域作为钨钴硬质合金的替代材料。

3.4 tib2基复合陶瓷刀具材料

tib2具有高硬度、较高的强度和断裂韧性，极好的化学稳定性以及优良的导热、导电、耐磨等性能，较强的抗月牙洼磨损和抗粘着能力。具有单相fe-cr-ni 粘结剂或两相fe-b-fe-cr-ni粘结剂的tib2基复合陶瓷刀具材料具有较好的硬度与断裂韧性组合，甚至比超细硬质合金的硬度更高，是一类极具发展前途的刀具材料。

其他新型陶瓷刀具材料如zro2基陶瓷，因具有较高的断裂韧性和较好的耐磨性能而受到人们的关注[13]；有研究认为y2o3陶瓷可作为一类新型的陶瓷刀具材料使用[14]；我国生产的陶瓷-硬质合金刀具材料则具备了陶瓷和硬质合金的综合优势。

4、金属陶瓷刀具材料的制备方法

4.1 真空液相烧结法（常规制备方法）

真空液相烧结法是指粉料在真空条件下，在烧结过程中生成液相的一种烧结方法。简单流程如下：

称量粉料——球磨（酒精湿磨）——干燥——造粒——压制——真空烧结