新型陶瓷刀具材料的發(fā)展與展望

     新型陶瓷刀具的出現(xiàn)，是人類*通過(guò)運(yùn)用陶瓷材料改革機(jī)械切削加工的一場(chǎng)技術(shù)革命的成果。早在２０世紀(jì)初，德國(guó)與英國(guó)已經(jīng)開(kāi)始尋求采用陶瓷刀具取代傳統(tǒng)的碳素工具鋼刀具。陶瓷材料因其高硬度與耐高溫特性成為新一代的刀具材料，但陶瓷也由于其人所共知的脆性受到局限，于是如何克服陶瓷刀具材料的脆性，提高它的韌性，成為近百年來(lái)陶瓷刀具研究的主要課題。陶瓷的應(yīng)用范圍亦日益擴(kuò)大。
　　工程技術(shù)界努力研制與推廣陶瓷刀具的主要原因，（一）是可以大大提高生產(chǎn)效率；（二）是由于構(gòu)成高速鋼與硬質(zhì)合金的主要成分鎢資源在全球范圍內(nèi)的枯竭所決定。２０世紀(jì)８０年代初估計(jì)，全世界已探明的鎢資源僅夠使用５０年時(shí)間。鎢是世界上*稀缺的資源，但其在切削刀具材料中的消耗卻很大，從而導(dǎo)致鎢礦價(jià)格不斷攀升，幾十年中上漲好多倍，這在一定程度上也促進(jìn)了陶瓷刀具研制與推廣，陶瓷刀具材料的研制開(kāi)發(fā)取得了令人矚目的成果。
　　到目前為止，用作陶瓷刀具的材料已形成氧化鋁陶瓷，氧化鋁—金屬系陶瓷、氧化鋁—碳化物陶瓷、氧化鋁—碳化物金屬陶瓷、氧化鋁—氮化物金屬陶瓷及*新研究成功的氮化硼陶瓷刀具。就世界范圍講，德國(guó)陶瓷刀具已不僅用于普通機(jī)床，且已將其作為一種高效、穩(wěn)定可靠的刀具用于數(shù)控機(jī)床加工及自動(dòng)化生產(chǎn)線。日本陶瓷刀片在產(chǎn)品種類、產(chǎn)量及質(zhì)量上均具國(guó)際先進(jìn)水平。美國(guó)在氧化物—碳化物—氮化物陶瓷刀具研制開(kāi)發(fā)方面一直占世界*地位。中國(guó)陶瓷刀具開(kāi)發(fā)應(yīng)用也取得許多重大成果。
�、傺趸�鋁陶瓷刀具：材料中采用純Ａｌ２Ｏ３陶瓷及以Ａｌ２Ｏ３為主且添加少量其它元素的陶瓷材料、如ＭｇＯ、ＮｉＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２和Ｃｒ２Ｏ３等。添加物有利于加強(qiáng)Ａｌ２Ｏ３抗彎強(qiáng)度，但高溫性能有所降低，因此還是以純氧化鋁陶瓷材料為佳。
　�。粒欤玻希程沾傻氖覝赜捕扰c高溫硬度都高于硬質(zhì)合金材料。Ａｌ２Ｏ３陶瓷室溫條件下的抗彎強(qiáng)度雖然較低，但隨著使用中溫度的上升，其抗彎強(qiáng)度卻較少降低。依據(jù)該項(xiàng)特性用于高速切削卻頗為合適。Ａｌ２Ｏ３陶瓷在室溫與高溫時(shí)抗壓強(qiáng)度都很好，尤其可以克服一般高速鋼刀具及硬質(zhì)合金切削刀刃易形成的變形及塌陷缺點(diǎn)。此外，Ａｌ２Ｏ３陶瓷在物理熱性質(zhì)及抗氧化、抗粘結(jié)性及化學(xué)惰性方面都可以大顯身手。不過(guò)氧化鋁陶瓷刀具在切削鐵合金及鋼件時(shí)，較易產(chǎn)生粘結(jié)磨損及缺口磨損。作為使用歷史*長(zhǎng)的刀具材料，氧化鋁陶瓷刀具*適于高速切削硬而脆的金屬材料，如冷硬鑄鐵或淬硬鋼；用于大件機(jī)械零部件切削及用于高精度零件的切削加工。氧化鋁陶瓷刀具在短、小零件、鋼件的斷續(xù)切削及Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ及Ｂｅ等單質(zhì)材料及其合金材料切削加工時(shí)效果較差，容易使刀具出現(xiàn)擴(kuò)散磨損或發(fā)生剝落與崩刃等缺陷，是其美中不足。
　　②氧化鋁—金屬系陶瓷：為提高Ａｌ２Ｏ３陶瓷刀具韌性，材料中引入１０％以下的Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ等金屬元素，由此形成Ａｌ２Ｏ３金屬陶瓷。這樣材料密度、抗彎強(qiáng)度及硬度均有提高，但由于氧化鋁—金屬陶瓷刀具抗蠕變強(qiáng)度低、抗氧性差，后來(lái)推廣使用情況不佳。
　�、垩趸�鋁—碳化物系陶瓷：系將一定比例的碳化物，如Ｍｏ２Ｃ、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ和Ｃｒ３Ｃ２等加入到Ａｌ２Ｏ３陶瓷中，以改善Ａｌ２Ｏ３陶瓷刀具的性能。當(dāng)ＴｉＣ含量為３０％時(shí)，陶瓷刀具的耐用度獲得顯著提高，而熱裂紋深度也較小。目前國(guó)際上生產(chǎn)熱壓Ａｌ２Ｏ３—ＴｉＣ陶瓷刀具均采用此配方。Ａｌ２Ｏ３—ＴｉＣ陶瓷的抗彎強(qiáng)度，耐熱沖擊性等均優(yōu)于Ａｌ２Ｏ３陶瓷刀具。
④氧化鋁—碳化物金屬陶瓷刀具：系在Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ陶瓷材料中，采用Ｍｏ、Ｎｉ（或ＣＯ、Ｗ）等金屬作為粘結(jié)相熱壓而成的陶瓷刀具材料。由于金屬粘結(jié)Ａｌ２Ｏ３晶粒和碳化物晶粒二者相互穿插的骨架組成，具有較高的聯(lián)接強(qiáng)度，因此形成較好的切削性能。這類陶瓷刀具*適用于加工淬硬鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鑄鋼，鎳基或鎳鉻合金，鎳基和鈷基金合等，另外還可用于非金屬材料如纖維玻璃，塑料夾層及陶瓷材料的切削加工。由于氧化鋁一碳化物金屬陶瓷抗熱震性能良好，故可適用于銑削，刨削，反復(fù)短暫切削或其它間斷切削等，亦可采用切削液進(jìn)行濕式切削等。
�、菅趸�鋁—氮化物金屬陶瓷：此種陶瓷刀具材料基本性能與加工范圍與Ａｌ２Ｏ３一碳化物金屬陶瓷材料相當(dāng)，不過(guò)由于以氮化物取代碳化物，因此它具有更好的抗熱震性能與更適用于間斷切削。但是其抗彎強(qiáng)度與硬度都比添加ＴｉＣ的金屬陶瓷低一些，對(duì)它的研究與深度開(kāi)發(fā)仍在繼續(xù)中。
　�、薜�化硼陶瓷刀具：*近，日本住友電氣公司開(kāi)發(fā)研制出一種硬度更高的陶瓷刀具材料——粘合性立方晶氮化硼陶瓷（ＣＢＮ）燒結(jié)體。該燒結(jié)材料系在壓力為７—８ＧＰａ，在２３００℃～２４００℃超高溫高壓下燒結(jié)１０分鐘后制成。這項(xiàng)技術(shù)還包括在原料制備階段，為提高ＣＢＮ純度將微粉直徑磨細(xì)等獨(dú)特的軟件技術(shù)。將粒徑為０．５ｍｍ以下的微粒結(jié)合成一體，即研制出ＣＢＮ含有率達(dá)到１００％的燒結(jié)氮化硼陶瓷材料。
　采用氮化硼材料制成的陶瓷刀具，在對(duì)硬度甚高的鑄鐵進(jìn)行切削加工時(shí)，刀具的頭端不會(huì)發(fā)生常見(jiàn)的受熱龜裂與缺屑。根據(jù)不同條件，與含有其它結(jié)合材料的ＣＢＮ燒結(jié)體相比較，氮化硼陶瓷刀具的使用時(shí)間可延長(zhǎng)１０倍以上，成為一種可作斷續(xù)切削的材料。尤其在汽車工業(yè)加工中，ｈＢＮ燒結(jié)體作為可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等鑄鐵硬質(zhì)材料加工的切削材料，在機(jī)械加工方面有廣闊的用途。
　　此前的燒結(jié)體由于含有顆粒結(jié)合劑，因此不能形成如ＣＢＮ那樣高的硬度與熱傳導(dǎo)率等獨(dú)特的性質(zhì)。如ＣＢＮ直接轉(zhuǎn)換技術(shù)，由于其顆粒度太粗而不適合用作高速切削工具。
　　總而言之，隨著特種陶瓷材料研變與開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，陶瓷刀具在金屬切削加工業(yè)中的應(yīng)用比例不斷擴(kuò)展。隨著航空、航天工業(yè)的發(fā)展要求，必須滿足提高Ｔｉ合金和Ｎｉ基高溫合金等工件材料切削效率的要求，特種陶瓷刀具材料將會(huì)作出更大的貢獻(xiàn)。