新型刀具材料――陶瓷
<DIV><STRONG>1 概述</STRONG></DIV><DIV></DIV> 20世纪中，高速钢和硬质合金是应用最广泛的刀具材料。高速钢的主要化学成分是铁、碳和其他合金元素(如W，Mo，Cr，V等)，形成碳化铁与复合碳化物，而具备切削刀具所需的性能。硬质合金的主要化学成分是碳化钨、碳化钛、碳氮化钛及钴等。硬质合金硬度达HRA89～93.5，抗弯强度达0.9～1.6GPa以上，其切削性能高于高速钢。在20世纪中，又出现了以氧化物、氮化物为主要成分的刀具材料――陶瓷(Ceramics)。早在古代，陶瓷在人类生活中已得到广泛应用。20世纪前期，人们已开始研制作为刀具材料的陶瓷，其硬度尚可，但太脆，难以真正付诸应用。20世纪50年代，前苏联和中国掀起了应用陶瓷刀具的热潮，当时用“冷压法”制造，硬度达HRA91～92，抗弯强度仅为0.40-0.45GPa，用作刀具进行切削加工时，“打刀”与“崩刃”严重。不久，这个热潮便宜告停止，只在极少数场合坚持应用。经过长期的努力，陶瓷刀具材料的制造技术不断改进，机械性能大幅度提高。到20世纪80年代，硬度达HRA91～95，抗弯强度达0.70～0.95GPa。虽然陶瓷的抗弯强度和断裂韧性仍不如硬质合金，但已能满足某些切削加工的要求，于是应用范围又逐渐广泛起来。
<DIV></DIV> 目前，陶瓷刀片的制造主要用热压法，即将粉末状原料在高温高压下压制成饼状，然后切割成刀片。另一种方法是冷压法，即将原材料粉末在常温下压制成坯，经烧结成为刀片。热压法制品质量好，因此是目前陶瓷刀片的主要制造方法。
<DIV></DIV>
<DIV></DIV><STRONG>2 陶瓷刀具材料的种类</STRONG>
<DIV></DIV> 按化学成分，陶瓷刀具材料约可以分为氧化铝系、氮化硅系、复合氮化硅一氧化铝系三大类。
<DIV></DIV>2.1 氧化铝系陶瓷
<DIV></DIV> <FONT size=2>最早的这类陶瓷是纯氧化铝陶瓷，其成分几乎全是A1<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>，只是添加了很少量(0.1～0.5％)的MgO或Cr<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>，TiO<SUB>2</SUB>等，经冷压制成刀片。这种陶瓷刀片的硬度为HRA91～92，但抗弯强度很低，只及0.40～0.45GPa左右。20世纪50年代曾用过这种刀片，但难以推广。</FONT>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>后来，采用氧化铝―碳化物复合陶瓷，即以A1<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>基加入TiC、WC、SiC、TaC等成分，经热压成复合陶瓷。其中以A1<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-TiC复合陶瓷用得最多，加入的TiC在30～50％之间，有的还在A1<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-TiC中再添加少良的Mo、Ni、Cr、W、Cr等金属。Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-TiC复合陶瓷的硬度达HRA93～95，抗弯强度达0.7～0.9GPa。若添加金属后，抗弯强度有所提高，但硬度下降。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>氧化铝亦可与氧化锆组合成为Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-ZrO<SUB>2</SUB>复合陶瓷。与A1<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-TiC复合陶瓷相比，Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-ZrO<SUB>2</SUB>的硬度较低(HRA91～92)，抗弯强度仅及O.7GPa，仅断裂韧性提高，它的应用不如Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-Tic广泛。还有Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-Zr复合陶瓷，硬度达HRA93.2，抗弯强度达0.8GPa。此外，还有Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-TiC-ZrO<SUB>2</SUB>与Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-TiB<SUB>2</SUB>等复合陶瓷。</FONT></DIV><FONT size=2>2.2 </FONT><FONT size=2>氮化硅系陶瓷</FONT>
<DIV></DIV>
<DIV> <FONT size=2>仅添加少量其他成分的纯氮化硅陶瓷用得很少。Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>-TiC-Co复合陶瓷的性能好，其韧性和抗弯强度高于Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>基陶瓷，而硬度不下降；导热系数亦高于Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>陶瓷。Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>-TiC-Co及Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-TiC复合陶瓷在生产中用得都比较广泛。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2>2.3 </FONT><FONT size=2>复合氮化硅―氧化铝系陶瓷</FONT></DIV>
<P><FONT size=2> Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>-Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>-Y<SUB>2</SUB>O</FONT><SUB><FONT size=2>3</FONT></SUB><FONT size=2>复合陶瓷叫赛阿龙(Sialon)，是后来研制成功的一种新型复合陶瓷。例如，美国Kennametal公司的Sialon牌号KY3000，其成分为Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>77％，A1<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>13％，Y<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>10％，硬度达HVl800，抗弯强度达1.2GPa，韧性高于其他陶瓷。美国Greeleaf公司研制的Gem4B和瑞典Sandvik公司研制的CC680都是Sialon陶瓷。</FONT>
<DIV></DIV>表1列出了国内外主要厂家所生产的陶瓷刀片的牌号、成分及主要性能。
<DIV></DIV>
<DIV align=center> <IMG height=551 src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_oid2ol2008514135710.jpg" width=614></DIV>
<DIV align=center></DIV>
<DIV></DIV>
<DIV></DIV> 在Al2O3或Si3N4基体中，加入SiC品须形成“晶须增韧陶瓷”。在表1中列入了“晶须增韧陶瓷”的国内外牌号。这种陶瓷刀片的断裂韧性有显著提高。
<DIV></DIV>
<DIV></DIV><STRONG>3 陶瓷刀具材料的应用</STRONG>
<DIV></DIV> 不同种类的陶瓷刀具材料有着不同的应用范围。氧化铝系的陶瓷主要加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等)和各种钢料(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬硬钢等)；也可以加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。不宜加工铝合金、钛合金，这是由于化学性质的原因。
<DIV></DIV> 氮化硅系陶瓷不能加工出长屑的钢料(如正火、热轧状态)，其余加工范围与氧化铝系陶瓷近似。
<DIV></DIV>
<DIV> Sialon陶瓷主要加工各种铸铁(含冷硬铸铁)与高温合金，不宜切削钢料。</DIV>
<DIV align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_ntbifo200851414239.jpg"></DIV>
<DIV></DIV>
<DIV> 目前，陶瓷刀具材料主要应用于车削、镗削和面铣等精加工和半精加工工序。最适宜加工淬硬钢、高强度钢与高硬度铸铁，切削效果比之硬质合金刀具有显著提高；加工一般硬度的钢材和铸铁，效果常不如上述显著。陶瓷刀具的良好切削效果将在以下的切削试验中得到证实。</DIV>
<DIV><STRONG>4 切削试验</STRONG></DIV>
<DIV>4.1 <FONT size=2>作者用Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>基复合陶瓷刀片HDM-3车削冷硬铸铁(HRC52～55)，并与亚微细粒硬质合金刀片</FONT><FONT size=2>YS</FONT><FONT size=2>10</FONT><FONT size=2>作对比。</FONT></DIV>
<DIV></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>切削用量</FONT><FONT size=2>α</FONT><FONT size=2>p=0.3mm</FONT><FONT size=2>，</FONT><FONT size=2>f=0.1mm/r</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>刀具几何参数γ<SUB>0</SUB>=-8°，</FONT><FONT size=2>α</FONT><SUB><FONT size=2>0</FONT></SUB><FONT size=2>=8</FONT><FONT size=2>°，</FONT><FONT size=2>κ</FONT><SUB><FONT size=2>r</FONT></SUB><FONT size=2> =45</FONT><FONT size=2>°，</FONT><FONT size=2>λ</FONT><FONT size=2>s =-4</FONT><FONT size=2>°，r<SUB>E</SUB> =0.8mm，b<SUB>r</SUB>=0.5mm，γ<SUB>01</SUB>=-15°～-20°。</FONT></DIV>
<DIV align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_xunxfs20085141445.jpg"></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>得到</FONT><FONT size=2>T-</FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>曲线图如图1所示。Talyor方程如下：</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>=290/T<SUP>0.20</SUP> (m/min) (HDM-3)</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>=240/T<SUP>0.27</SUP> (m/min) (YS10)</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> HDM-3</FONT><FONT size=2>的使用寿命显著提高。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2>4.2 </FONT><FONT size=2>用Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>基添加SiC晶须的复合陶瓷HDM-2车削CrMnB淬硬钢(HRC60～64)，并与亚微细粒硬质合金刀片YS8作对比。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>切削用量</FONT><FONT size=2>α</FONT><FONT size=2>p=0.3mm</FONT><FONT size=2>，</FONT><FONT size=2>f=0.1mm/r</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>刀具几何参数γ<SUB>0</SUB>=-8°，</FONT><FONT size=2>α</FONT><SUB><FONT size=2>0</FONT></SUB><FONT size=2>=8</FONT><FONT size=2>°，</FONT><FONT size=2>κ</FONT><SUB><FONT size=2>r</FONT></SUB><FONT size=2> =45</FONT><FONT size=2>°，</FONT><FONT size=2>λ</FONT><FONT size=2>s =-4</FONT><FONT size=2>°，r<SUB>E</SUB> =0.5mm，b<SUB>r</SUB> =0.2～0.3mm，γ<SUB>01</SUB>=-20°。</FONT></DIV>
<DIV align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_f2bgpi200851414628.jpg"></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>收VB=O.3mm，得到</FONT><FONT size=2>T-</FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>曲线图如图2所示。Talyor方程如下：</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>=318/T<SUP>0.42</SUP> (m/min) (HDM-2)</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>=102/T<SUP>0.27</SUP> (m/min) (YS8)</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> HDM-2</FONT><FONT size=2>使用寿命显著提高。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2>4.3 </FONT><FONT size=2>又用Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>基复合陶瓷刀片HDM-4车削高强度钢38CrNi3MOVA(中温调质，HRC36～40)，并与碳氮化钛基硬质合金刀片YN20作对比。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>切削用量</FONT><FONT size=2>α</FONT><FONT size=2>p</FONT><FONT size=2>=0.5mm</FONT><FONT size=2>，</FONT><FONT size=2>f=0.1mm/r</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>刀具几何参数，各自选用合适的数值，本文从略。</FONT></DIV>
<DIV align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_ffcyvi200851414655.jpg"></DIV>
<DIV><FONT size=2>取VB=O.3mm，得到</FONT><FONT size=2>T-</FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>，曲线图如图3所示。Talyor方程如下：</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>=42.5/T<SUP>0.30 </SUP> (m/min) (HDM-4)</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>=270/T<SUP>0.19</SUP> (m/min) (TN20)</DIV>
<DIV>HDM-4</FONT><FONT size=2>使用寿命显著提高。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2>4.4 </FONT><FONT size=2>再用HDM-4复合陶瓷刀片车削超高强度钢35CrMnSi(中温调质，HRC44～49)，并与涂层硬质合</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2>金刀片YB415作对比。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>切削用量</FONT><FONT size=2>α</FONT><FONT size=2>p=0.5mm</FONT><FONT size=2>，</FONT><FONT size=2>f=0.21mm/r</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>刀具几何参数γ<SUB>0</SUB>=-8°，</FONT><FONT size=2>α</FONT><SUB><FONT size=2>0</FONT></SUB><FONT size=2>=8</FONT><FONT size=2>°，</FONT><FONT size=2>κ</FONT><SUB><FONT size=2>r</FONT></SUB><FONT size=2> =45</FONT><FONT size=2>°，</FONT><FONT size=2>λ</FONT><FONT size=2>s =-40</FONT><FONT size=2>°，r<SUB>E</SUB> =0.5mm。</FONT></DIV>
<DIV align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_hp8hol200851414712.jpg"></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>取VB=0.15mm，得到</FONT><FONT size=2>T-</FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>曲线图如图4所示。Talyor方程如下：</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>=270/T<SUP>0.17</SUP> (M/min) (HDM-4)</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>=190/T<SUP>0.26</SUP> (m/min) (YB415)</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> HDM-4</FONT><FONT size=2>使用寿命显著提高。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2>4.5 </FONT><FONT size=2>用HDM-1、HDM-2、HDM-3陶瓷刀片(都是Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>基)车削合金钢花键轴(HRC47～50)，进行冲击试验。</FONT></DIV>
<DIV align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_xl23c6200851414729.jpg"></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>切削用量</FONT><FONT size=2>α</FONT><FONT size=2>p=0.3mm</FONT><FONT size=2>，f=0.1mm/r，</FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>=80m</FONT><FONT size=2>／min，其抗冲击次数与破损情况如图5所示。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>由图5可见，Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>基添加SiC晶须的复合陶瓷HDM-2的抗冲击性能最好，破损前冲击次数达30000次。一般Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>基复合陶瓷HDM-3次之，达12000次；纯Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>陶瓷HDM-1只达5000次。</FONT></DIV>
<DIV><B><FONT size=2>5 </FONT><FONT size=2>切削机理</FONT></B></DIV>
<DIV><FONT size=2> (1)</FONT><FONT size=2>陶瓷的常温硬度和高温硬度高于硬质合金</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>陶瓷的常温硬度略高于硬质合金。Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>基或Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>基陶瓷的硬度常为HRA92.5～94；而YG类与YT类硬质合金的硬度则分别为HRA89～91与HRC HRA90～93。高温硬度与硬质合金差别较大，例如，在800℃时，硬质合金YT15的硬度仅为HRA78；而陶瓷尚保持HRA89。故陶瓷刀具抗磨料磨损及切削硬材料的性能明显优于硬质合金。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> (2)</FONT><FONT size=2>陶瓷的高温弹性模量高于硬质合金。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>在高温下，陶瓷的弹性模量为420～520GPa，约与YT类硬质合金相当，但低于YG类硬质合金；在高温下，A1<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>基与Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>基陶瓷的弹性模量降低较少，而硬质合金降低较多。故陶瓷刀具切削硬材料时显示出它的优越性。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> (3)Al<SUB>2</SUB>O</FONT><SUB><FONT size=2>3</FONT></SUB><FONT size=2>基陶瓷在高温下化学性能稳定</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>刀具材料形成自由能越低，则化学性能越稳定。在1000℃时Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>、TiC、WC的形成自由能分别为-65、-45、-10kcal/mol，故Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>的化学稳定性和抗扩散磨损的能力，不仅远高于WC，而且高于TiC，故Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>基陶瓷切削出长切屑的钢材时，具有良好的切削性能。</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2>作者曾用HDM-4(Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>基)与HDM-3(Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>基)陶瓷车削高强度钢38CrNi3MoVA(HRC36～40)，切削用量为</FONT><FONT size=2>α</FONT><FONT size=2>p=0.5mm,f=O.1mm/r</FONT><FONT size=2>，</FONT><FONT size=2>ν</FONT><FONT size=2>=170m/min</FONT><FONT size=2>。HDM-4切削20min后，前刀面上形成月牙洼的宽度仅为0.3mm；而HDM-3切削6.8min后，月牙洼宽度就已达到0.6mm。在扫描电镜上对两种陶瓷刀具的月牙洼中部表面进行能谱分析，结果见表2。</FONT></DIV>
<DIV align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_gtiedk200851414743.jpg"></DIV>
<DIV><FONT size=2> </FONT><FONT size=2>由表2可见，工件材料中的Fe元素大量扩散到HDM-3刀具的表面，与刀具中的成分化合形成新的物质；而Fe元素进人HDM-4刀具表面甚少，故Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>基陶瓷适合切削出长切屑的钢材，而Si<SUB>3</SUB>N<SUB>4</SUB>基陶瓷对此不能胜任。</FONT></DIV>
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