陶瓷刀具材料的發展趨勢

楊晴　楊琳琳　楊凌霄

摘 要：在各類加工方法中，機械加工中的切削加工和磨削加工在機械制造過程中所占比重最大，用途最廣。隨著加工業的發展，難加工材料的使用日益增多，對加工效率和加工質量的要求不斷提高，與之聯系密切的刀具材料的改進，性能的提高，新型刀具材料的研制一直沒有間斷，且越來越受到重視。

關鍵詞：陶瓷；刀具；微納米

刀具在工作時，要承受很大的壓力，并與工件作用時因金屬塑性變形，接觸表面產生強烈摩擦，為了使刀具在高溫高壓下，仍具有一定的切削性能和使用壽命，刀具材料應具有一般材料所不具備的一些基本性質。

1.高的硬度和耐磨性

2.足夠的強度和韌性

3.高的耐熱性

4.良好的熱物理性質和耐熱沖擊性能

5.良好的工藝性能

6.經濟性

常用的刀具材料有碳素工具鋼，合金工具鋼，高速鋼，硬質合金，陶瓷，金剛石，立方碳化硼等，目前刀具材料中用的最多的是高速鋼和硬質合金。伴隨著科學技術的進步，機械加工技術正朝著高效率，高精度的方向發展，許多新工藝，新技術得到了開發和應用。高速切削加工既能減少切削力，又能產生帶狀切屑，提高加工質量，對提高生產效率和降低成本有著重要的作用，是值得推廣的先進加工技術。然而，高速切削時，刀具和工件之間將會出現劇烈碰觸，且相互擠壓的強場應力很大，切削溫度急劇增高，切屑流速很快，主軸振動較大，要求材料具有高強度，高硬度，高耐磨性，高耐熱性和高抗熱震性等更為嚴苛的條件，一些新型刀具材料對于高速切削有著更大的優勢。其中的陶瓷材料的高硬度，高強度，高抗熱震性，高抗氧化性和低的摩擦系數使其在高速切削中具有很大的優勢。

1 微納米復合陶瓷刀具材料

陶瓷材料的塑性和韌性較差，但是目前Si3N4基陶瓷刀具材料研究的增韌補強方法，使新Si3N4基復合陶瓷刀具材料廣泛應用于實際加工場合。多年來各國學者分別提出多種增韌補強機理，如顆粒彌散增韌，晶須增韌，相變增韌，協同增韌以及其他特殊工藝技術。顆粒彌散增韌是目前應用最廣，最為成功的工藝，該工藝是在基體中加入高彈性模量的增強相顆粒，吸收部分斷裂能，但是斷裂韌性增強不明顯。晶須增韌是利用基體材料中添加的晶須晶粒，在切削時產生的晶粒拔出，裂紋偏轉等增韌機制，使其具有優良的高溫性能。晶須增韌陶瓷韌性較高，為其他類型陶瓷刀具材料的兩倍左右，主要Al2O3/SiCw等。相變增韌是利的馬氏體相引起的應力誘導的相變增韌和微裂紋增韌，斷裂韌性增韌幅度大，但強度降低，高溫下增韌效果差。相變增韌的相變產生體積膨脹，當主裂紋進入微裂紋作用區后，誘發一系列小裂紋，產生新的斷裂表面，從而吸收主裂紋擴展的能量。協同增韌主要集中在晶須增韌和相變增韌的協同及晶須增韌與顆粒增韌的協同等方面，使陶瓷具有優良的綜合性能。

新Si3N4基微納米復合陶瓷刀具是在Si3N4陶瓷基體中加入碳化鈦，碳氮化鈦—氮化鈦等納米級顆粒作為第二增強相，硬度提高很多，強度和斷裂韌度仍保持較高的水平。

1）自潤滑陶瓷刀具材料

自潤滑陶瓷刀具材料可以減小高速切削中的磨損，對切削過程有著積極的影響。目前，陶瓷刀具實現自潤滑功能有三種方式：

2）原位反應

陶瓷刀具在高速切削時的摩擦熱引起刀具材料的化學反應，在其表面原位生成具有潤滑作用的反應膜，進行實現陶瓷刀具的自潤滑，該方法僅在較高的切削溫度下有效。

3）對刀具表面進行涂覆潤滑涂層

對陶瓷刀具進行自潤滑涂層或表面離子注入，形成具有自潤滑功能的表面。該方法對刀具的鋒利性和抗剝落性影響較大。

2 添加固體潤滑劑

將固體潤滑劑加入陶瓷刀具基體材料中燒結，制成自潤滑陶瓷刀具材料，具有較寬的工作溫度和較高的穩定性。

3 梯度功能陶瓷刀具材料

梯度功能陶瓷刀具材料可以看作是涂層陶瓷材料的一種，更可視為是涂層基體梯度化研究的延伸。功能梯度材料（FGM）最初用于金屬和陶瓷材料組合中，用連續變化的組分梯度來代替突變界面，起到緩和熱應力功能，提高抗彎強度和斷裂韌性。

4 添加稀土元素的陶瓷刀具材料

目前，已研制出一種稀土補Al2O3/（W，Ti）C新型陶瓷刀具材料。稀土元素的添加能以凈化界面，提高界面結合強度以及納米質點強化的作用機制顯著提Al2O3/（W，Ti）C陶瓷刀具材料的抗彎強度和斷裂韌度。

通過對一些新型刀具材料的分析和探討，可以為發現更多新型加工方法和刀具材料提供基礎。除了陶瓷材料，還有立方碳化硼，硬質合金等材料可以利用上述原理制成新型刀具材料，另外，上述原理也可以交叉利用，例如制成梯度自潤滑陶瓷刀具材料等。新型刀具材料的前景十分廣闊，研究還在進行，我相信會有越來越多的新型刀具材料出現，帶來加工產業的重大革新！

參考文獻

[1]陳日曜等.金屬切削原理（第二版）北京：機械工業出版社，2002，1.

[2]吳光永.梯度自潤滑陶瓷刀具材料的研制及其減摩耐磨機理研究.山東輕工業院，2012.

[3]丁明峰.新型基微納米復合陶瓷刀具材料制備與切削性能的研究.山東建筑大學，2013.

[4]許崇海，李兆前，黃傳真，鄧建新，艾興.稀土增韌補強復相陶瓷刀具材料的研究.機械工程學報，2000.

作者簡介

楊晴（1995—），女，漢族，河南省駐馬店市人，單位：鄭州大學機械工程與自動化專業。

楊琳琳（1992-），女，漢族，河南省南陽市人。單位：鄭州大學機械工程及自動化專業。

楊凌霄（1993—），男，漢族，浙江省寧?？h人，單位：鄭州大學機械工程與自動化專業。