復雜刃形陶瓷刀具微波燒結技術研究

殷增斌 朱智勇 王子祥 袁軍堂

南京理工大學機械工程學院，南京，210094

0 引言

陶瓷刀具具有高耐熱性、高硬度、高耐磨性等優異性能，是最具競爭力的高速切削刀具之一。世界制造強國大力推廣陶瓷刀具在難加工材料高效加工中的應用，然而，我國陶瓷刀具使用量占總刀具使用量的比例不超過1%，可轉位陶瓷刀片的使用比例不到硬質合金刀片的0.1%。目前，陶瓷刀具多采用熱壓燒結或熱等靜壓燒結技術制造，通過這種技術制造的陶瓷刀具的力學性能好，但制造周期長、耗能高、生產率低，致使陶瓷刀具成本高。現代刀具除了刀具材料不斷進步，新的刀具結構也在不斷開發，復雜的刃形更有利于切削加工，減緩刀具磨損，提高加工效率。但是，受制于熱壓/熱等靜壓燒結技術加壓工藝，現階段陶瓷刀具以平刀面的簡單刀具為主，適應加工范圍有限，嚴重限制了陶瓷刀具在高速切削中的應用。

微波燒結不同于傳統燒結的輻射傳熱，它是利用微波具有的特殊波段與材料微觀組織耦合，材料介質損耗使材料升溫至燒結溫度而實現致密化。微波燒結時材料整體自身發熱，因此材料內部無溫度梯度，不會產生殘余應力；微波加熱速率可達50～300 ℃/min，是傳統熱輻射傳熱燒結加熱速率的4～10倍，適宜于材料的快速燒結[1]。

與當前廣泛采用的傳統熱壓/熱等靜壓燒結技術相比，微波燒結具有以下優勢：首先，與傳統燒結相比，微波燒結陶瓷材料的致密化溫度低100～300 ℃，燒結周期短50%～90%[2-9]，使用微波可在低溫快速條件下使陶瓷完成致密化，因此可以有效提高陶瓷刀具的制備效率；其次，微波燒結是一種無壓燒結技術，這為復雜刃形陶瓷刀具的制造創造了條件，能夠克服熱壓/熱等靜壓只能制造平刀面陶瓷刀具的弊端；最后，微波加熱為即開即停加熱，沒有熱慣性，能源利用率極高，利用微波工業化生產刀具可大幅降低能源消耗。

微波燒結熱量的產生是微波電磁場與材料微觀組織耦合作用的結果，使燒結樣品處于均衡的微波電磁場中，保證燒結樣品溫度均勻，防止局部過燒和欠燒是微波燒結的關鍵。微波場強過大容易打火，且出現的“熱點”易使試樣開裂，而場強過低會使微波的能量密度較低，材料吸收的微波能較少，難以達到材料致密所需要的溫度，燒結動力不足，不利于燒結。國內外學者利用有限元仿真對燒結試樣尺寸、試樣在微波燒結腔中的空間位置以及微波燒結腔結構等對試樣電場分布和腔體諧振頻率的影響進行了較多研究[10-14]，但是，研究多集中在利用微波在低溫燒結條件下制備粉末、金屬、硬質合金和功能陶瓷等[15-21]，燒結溫度通常不超過1400 ℃。用于制作陶瓷刀具的結構陶瓷致密化溫度高達1600～2000 ℃，這對微波電磁場強及其分布均勻性和輔熱保溫裝置提出了嚴苛的要求，利用微波批量化制備高溫結構陶瓷仍處于探索階段。

本文在現有的微波燒結設備基礎上，仿真研究了陶瓷刀具試樣不同加載方式對微波電場分布和試樣溫度的影響規律，通過燒結實驗研究了不同加載方式下Al2O3/SiC復雜刃形陶瓷刀具的燒結性能，最后通過切削實驗研究了微波燒結復雜陶瓷刀具的切削性能，從而為探索利用微波技術高效制造復雜陶瓷刀具奠定了技術基礎。

1 實驗

1.1 樣品制備

實驗的原材料有Al2O3(粒徑200 nm，質量分數99.9%)、SiC(粒徑100 nm，質量分數99.9%)、MgO和Y2O3(粒徑50 nm，質量分數99.9%)，燒結實驗樣品的組分為95.6%Al2O3+3%SiC+1.4%MgO和Y2O3(均為質量分數)。

復雜刃形陶瓷刀具微波燒結工藝流程如圖1所示。將稱量的原始粉末在行星式球磨機中使用Al2O3球進行球磨24 h。將球磨過的粉末在真空環境中干燥，然后過200目篩。最后，將過篩的粉末裝入模具，在150 MPa的單向壓力下獲得刀具素坯(17 mm×17 mm×6.6 mm)。刀具素坯在微波燒結爐(型號HAMiLab-V3000，長沙)中燒結，燒結溫度為1650 ℃，升溫速率為20～30 ℃/min，保溫時間為5 min，燒結氣氛為N2，保溫時間結束后關閉微波，試樣隨爐冷卻。

圖1 復雜刃形陶瓷刀具微波燒結工藝流程

1.2 性能表征

使用阿基米德排水法測量燒結樣品的密度。通過壓痕法在98.06 N的載荷和15 s的保壓時間下測量維氏硬度，斷裂韌性根據維氏壓痕法計算得到[22]，利用三點抗彎的方法測試樣品的抗彎強度。每個試樣的性能連續測5次取平均值。利用場發射掃描電子顯微鏡(SEM，Quanta 250，FEI，美國)觀察樣品的微觀結構，利用數碼顯微鏡(Insize ISM-PM200S，中國)測量刀具磨損。

1.3 切削實驗

采用微波燒結的陶瓷刀具高速干式切削馬氏體不銹鋼1Cr13。刀具幾何參數：刀具主偏角kr=75°，前角γ0=-6°，后角α0=6°，刃傾角λs=-6°，倒棱寬度b=0.1 mm，倒棱角γo1=-15°。采用后刀面磨損帶寬度最大值VBmax=0.6 mm作為刀具磨鈍標準，每完成一次走刀利用手持數碼顯微鏡(ISM-PM200SB，中國)測量刀具的后刀面磨損量，當刀具達到磨鈍標準時立即停止切削。利用手持粗糙度儀(ISR-S400)測量工件表面粗糙度，使用場發射掃描電子顯微鏡(SEM，Quanta 250，FEI，美國)觀察刀具前后刀面的微觀形態。

2 結果與分析

2.1 試樣位置高度對微波電場和溫度場分布的影響

采用COMSOL軟件對微波燒結設備(HAMiLab-V3000，中國)的微波場進行仿真分析，如圖2所示。仿真模型主要由波導、爐腔和試樣組成，微波從波導最左邊的饋口入射，沿著波導進入爐腔，對試樣進行加熱。陶瓷刀具試樣的主要成分為Al2O3和SiC，試樣中心與燒結腔底部的距離為H，如圖2a所示。微波頻率為2.45 GHz，輸入功率為2 kW，加熱時間為40 min。腔內介質設置為空氣，空氣和Al2O3/SiC復合陶瓷的電磁屬性參數如表1所示。燒結腔未加載試樣時的電場分布如圖2b所示，當空載時電場在圓形燒結腔中呈對稱分布，在與微波輸入端同一平面上的電場強度最大，微波能量密度最高。

(a)仿真模型

表1 介質和材料的電磁屬性

以微波燒結單個試樣為例，研究試樣在燒結腔的位置高度H分別為185 mm、190 mm、195 mm、200 mm、205 mm、210 mm和215 mm的電場分布，電場仿真結果如圖3所示。為了準確地比較不同高度下試樣的電場分布均勻性情況，在試樣上隨機選取60個點，試樣電場強度E的數值統計分布如圖4所示。

(a)H=185 mm (b)H=190 mm (c)H=195 mm (d)H=200 mm

圖4 不同位置高度下的試樣電場分布數值統計

由圖3和圖4可知，試樣的電場隨試樣在爐腔內的位置高度H變化而變化。當H為185 mm、190 mm、200 mm時，試樣的電場強度大，分別達到6689.4 V/m、5885.0 V/m和5386.9 V/m，有利于保證試樣具有高的發熱速率；在其他位置高度下試樣電場強度小，不利于試樣升溫，從而影響燒結效率和燒結質量。但是，當試樣位置高度H分別為185 mm和190 mm時，電場強度分布標準差分別達到1680.3 V/m和1520.6 V/m，表明H為185 mm、190 mm時，試樣電場分布很不均勻。較大的電場梯度會影響試樣各部位升溫一致性，導致試樣收縮不均勻，容易造成試樣變形甚至開裂。當試樣位置高度H為200 mm時，試樣電場分布標準差最小(697.8 V/m)，表明在此位置高度下試樣電場分布最均勻。綜上可知，當試樣的位置高度H為200 mm(即試樣處于微波燒結腔中心位置時)，試樣的電場強度較大且均勻性最好，適于陶瓷試樣微波燒結，有利于獲得力學性能良好且微觀組織均勻的陶瓷刀具。

2.2 試樣加載方式對微波電場和溫度場分布的影響

試樣在微波燒結腔的位置高度為200 mm時，研究試樣在微波燒結腔中的加載方式對試樣上表面微波電場分布的影響規律。試樣加載方式如圖5所示，兩個試樣A、B的布置方式分別為堆疊橫放、水平豎放和水平橫放三種方式(圖5a)；三個試樣A、B、C的布置方式分別為旋轉橫放和平行橫放兩種方式(圖5b)。

(a)兩個試樣布置方式

兩個試樣在不同布置方式時的試樣上表面電場分布云圖和數值統計結果分別如圖6、圖7所示。當兩個試樣堆疊放置時，試樣A、B上表面的電場強度平均值分別為3637.8 V/m和6511.4 V/m，試樣之間的場強差值大。試樣A、B上表面電場分布標準差分別為1452.5 V/m和1846.4 V/m，表明電場分布不均勻。當兩個試樣豎放時，試樣A、B上表面的電場強度平均值分別為4679.4 V/m和8141.6 V/m，場強相差大，同一試樣電場分布均勻性也較差。由此可知，在這兩種布置方式下，試樣電場強度相差較大，燒結時兩個試樣難以同時致密，容易導致試樣之間的力學性能和微觀組織出現較大差異。當兩個試樣水平橫放時，試樣A、B上表面電場強度分別為3048.2 V/m和3368.3 V/m，兩試樣的電場相差較小，僅為320.1 V/m，且電場分布相對均勻，更適宜兩個試樣同時燒結。

(a)試樣A

圖7 兩個試樣在不同布置方式時試樣上表面電場分布數值統計

三個試樣在不同布置方式時的試樣上表面電場和溫度場分布如圖8、圖9所示。當三個試樣旋轉橫放布置時，試樣上表面場強平均值的差值為317.2 V/m，試樣平均溫度相差291.4 ℃。當三個試樣平行橫放布置時，試樣A、B、C上表面的電場分別為4051.3 V/m、4013.5 V/m和4218.2 V/m，場強相差204.7 V/m，試樣A、B、C的平均溫度分別為1497.8 ℃、1517.6 ℃和1456 ℃，溫差61.6 ℃。與旋轉橫放布置相比，平行橫放布置時試樣之間的電場和溫度場分布更加均勻，試樣可以獲得均勻的微觀組織，更利于多片陶瓷刀具同時燒結。

(a)旋轉橫放

(a)電場強度

2.3 加載方式對試樣力學性能和微觀組織的影響

不同加載方式下微波燒結后試樣的相對密度和力學性能如表2所示。由表2可知，試樣的數量和加載方式對燒結后陶瓷材料的致密度(即相對密度)和力學性能有顯著影響，豎直方向上的高度越大(如豎放、堆疊)則力學性能越差，試樣之間水平距離越小，力學性能越好。

表2 試樣加載方式對燒結后試樣性能的影響

當燒結單個試樣時，試樣的致密度和力學性能都較好。圖3和圖4所示的仿真結果表明，當單個試樣的位置高度為200 mm時，試樣處于腔體正中心，此時試樣內部不同截面的場強、溫度分布均勻，適合燒結。當兩個試樣堆疊橫放時，試樣B已致密，試樣A致密度較差。由圖6所示的仿真結果可知，試樣B的電場強度高于試樣A的電場強度，即在相同的燒結時間下，試樣B更易達到燒結溫度，試樣A因燒結溫度低導致致密不充分。試樣A、B斷口微觀組織也證實了這一點，由圖10可知，試樣A的斷面存在許多較大的孔洞(紅色箭頭所示)，這主要是燒結溫度過低導致材料傳質擴散過程不充分造成的，而試樣B的微觀組織致密、晶粒大小均勻。

(a)試樣A (b)試樣B

當兩個試樣水平豎放時，試樣的力學性能較差且試樣之間的差異很大。仿真結果表明，在此種加載方式下，兩個試樣的電場相差3462.2 V/m，且每個試樣內部電場的標準差很大，說明兩個試樣之間以及單個試樣的電場、溫度場分布極不均勻，因此力學性能出現很大差異。兩個試樣水平豎放時的斷口形貌如圖11所示，可以看出，試樣A存在較多孔洞(黃色虛線框和紅色箭頭所示)，試樣B的微觀組織致密但不均勻，斷裂模式為單一的穿晶斷裂，致使斷裂韌性不高。當兩個試樣水平橫放時，兩個試樣的致密度均達到99.4%，力學性能良好且試樣之間的差異很小。仿真結果表明，在這種加載方式下，兩個試樣之間場強之差只有320.1 V/m，溫度差僅為12.8 ℃(圖5和圖6)，燒結后更易獲得一致的力學性能。

(a)試樣A (b)試樣B

當三個試樣旋轉橫放時，試樣A的致密度達到99.2%；試樣B、C的致密度均低于99%，其力學性能較低且差異較大。三個試樣旋轉橫放時的斷口形貌如圖12所示，試樣A的微觀組織致密，但是晶粒粗大(黃色虛線框所示)，穿晶斷裂為主要的斷裂模式(紅色箭頭所示)，試樣B、C存在較大孔洞(紅色箭頭所示)。造成這種現象的根本原因是在相同的燒結時間下，試樣處于較低場強微波場中，自發熱溫度達不到燒結溫度，致使致密化進程未完成。當三個試樣平行橫放時，除了試樣C外，試樣A、B的力學性能較好。試樣A、B所處場強大小適中，所以不會因為過燒使晶粒異常長大導致力學性能低，也不會因為場強過低而無法完成燒結。試樣A、B之間的差異較小，這是因為仿真結果表明這兩個試樣之間的最小溫差僅為19.8 ℃，溫差越小則性能越接近，這與前面的仿真結果一致。三個試樣平行橫放時的斷口形貌(圖13)表明，三個試樣的微觀組織均勻，晶粒間結合緊密，明顯觀察到沿晶斷裂造成晶粒拔出留下的孔洞(黃色虛線框所示)，斷裂模式為穿晶斷裂和沿晶斷裂的混合斷裂，但是試樣C的微觀組織中仍存在一些較大的孔洞(紅色箭頭所示)，這造成試樣C的致密度和力學性能略低于試樣A、B的致密度和力學性能。

(a)試樣A (b)試樣B (c)試樣C

(a)試樣A (b)試樣B (c)試樣C

綜上可知，微波燒結實驗結果與微波場分布仿真結果基本一致。陶瓷試樣在微波燒結腔的中心位置且多個試樣平行橫放時，試樣之間電場強度均勻、溫差小，更有利于試樣同時達到致密。不同加載方式下試樣的相對密度均達到99%左右，證明了采用微波制備高溫結構陶瓷刀具的可行性。

2.4 三維槽型Al2O3/SiC陶瓷刀具切削性能

通過優化刀具的材料組分和制造工藝[23]，Al2O3/SiC陶瓷刀具材料的相對密度、斷裂韌性、維氏硬度和抗彎強度分別達到99.8%±0.1%、(18.8±0.3)GPa、(4.8±0.3)MPa·m1/2和(762±39)MPa，晶粒尺寸為(1.3±0.2)μm。采用三個試樣平行放置方式，在燒結溫度1650 ℃、保溫時間5 min下制備了復雜槽型Al2O3/SiC陶瓷刀具。采用高速干式車削難加工材料馬氏體不銹鋼1Cr13來檢驗微波燒結復雜刃形陶瓷刀具的切削性能。在切削速度v=200 m/min、背吃刀量ap=0.2 mm、進給量f=0.1 mm/r時，復雜槽型和平刀面陶瓷刀具的磨損量和工件表面粗糙度隨切削距離的變化趨勢如圖14所示。與平刀面陶瓷刀具相比，復雜槽型陶瓷刀具的后刀面磨損量更小，金屬去除量(根據圖14a所示的切削距離計算而來)提高了近2倍，加工表面粗糙度降低了約33%。馬氏體不銹鋼在切削過程中塑性變形大，切削溫度高且不易斷屑。復雜槽型陶瓷刀具切削性能提高的一個重要原因在于刀具的斷屑槽起到了很好的斷屑作用(圖15)。平刀面刀具的斷屑能力較差，長而不斷的切屑堆積纏繞在刀具和工件上，當切屑堆積到一定程度時，在高速旋轉下才被甩斷。大量堆積的切屑劃傷已加工表面，使加工表面質量顯著下降。堆積纏繞在刀具上的切屑不利于切削熱的散發，使得切削溫度極高，并且容易擠入刀-工接觸區，導致刀具過早失效。

(a)后刀面磨損量

(a)復雜槽型刀具 (b)平刀面刀具

復雜槽型陶瓷刀具失效時的前后刀面形貌如圖16所示。由圖16可知，切削刃存在微崩刃但未出現切削刃斷裂，刀具后刀面有明顯的因磨粒磨損而產生的犁溝狀磨損形貌。根據EDS分析結果(圖17)，區域A、B存在大量的Fe元素，表明切削過程中工件材料會黏結在刀具的前后刀面上引起黏結磨損，因此，復雜槽型陶瓷刀具的失效形式為磨損失效，這表明微波燒結的復雜槽型陶瓷刀具的切削刃具有足夠的強韌性，能夠滿足高速切削要求。

(a)前刀面 (b)后刀面

(a)區域A

3 結論

(1)陶瓷試樣在微波燒結腔的中心位置且多個試樣平行橫放時，試樣之間電場強度均勻、溫差小，更有利于多個試樣同時達到致密。

(2)利用微波在燒結溫度1650 ℃、保溫時間5 min下制備了具有良好力學性能的復雜槽型Al2O3/SiC陶瓷刀具，與傳統熱壓/熱等靜壓技術相比，保溫時間由20～30 min縮短至5 min，并且克服了熱壓/熱等靜壓燒結技術無法制備出復雜刃形陶瓷刀具的弊端。

(3)在高速干式車削難加工材料不銹鋼時，復雜槽型Al2O3/SiC陶瓷刀具表現為磨損失效，表明微波燒結的陶瓷刀具的復雜刃口具有足夠的強韌性，能夠滿足高速切削加工的要求。基于微波燒結的陶瓷刀具制造技術可以實現復雜陶瓷刀具“結構-性能”一體化高效制造，具有廣闊的應用前景。