陶瓷刀具材料兴起及其市场发展前景分析

     刀具的性能是影响切削加工效率、精度、表面质量等的决定性因素之一。在现代化加工过程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技术；随着现代科学技术和生产的发展，越来越多地采用超硬难加工材料，以提高机器设备的使用寿命和工作性能。而陶瓷刀具则以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性，在高速切削领域和难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势。新型陶瓷刀具更由于有很高的硬度 (HRA93 — 95) ，从而可加工硬度高达 HRC65 的各类难加工材料，免除退火加工所消耗的电力和时问；可提高工件硬度，延长机器设备的使用寿命。陶瓷刀具的主要原料 Al,0 和 si 是地壳中最丰富的成分，可以说是取之不尽，用之不竭的，因此新型陶瓷刀具的应用前景十分广阔 . 

    1  氮化硅基陶瓷刀具
    1.1  单一 Si3N4 陶瓷刀具
     此类陶瓷刀具主要是以 Mgo 为 添加剂 的热压陶瓷。其硬度为 9l 一 93HRA ，耐磨性介于一般陶瓷和立方氮化硼之间，抗弯强度为 0 ． 7--0 ． 85GPa ，介于一般陶瓷和 YT30 之间，冲击韧度相当于 Y130 ，耐热性可达 1300 — 1400 ℃   ，具有良好的抗氧化性。此外， si  陶瓷有自润滑性能，摩擦系数较小，抗粘接能力强，不易产生积屑瘤，且切削刃可磨得锋利。能加工出良好的表面质量，特别适合于车削易形成积屑瘤的工件材料，如铸造硅 铝 合金等。

    1.2  复台 Si3N4 陶瓷刀具
     由于 Si3N4 陶瓷以共价键结合，晶粒是长柱状的，因此有较高的硬度、强度和断裂韧性，同时它有较小的热膨胀系数 ( =3 × 10-6 ／℃ ) ，所以有较好的抗机械冲击性和抗热冲击性。 Si3N4 刀具特别适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬质合金刀具高几倍至十几倍。在汽车 发动机 铸铁缸体等加工中应用越来越普遍。但是 si3N4  陶瓷的硬度并不是特别高 (HRA92 ． 5) ，在加工硬度较高的工件时，如冷硬铸铁 (HS65 — 80) 、高铬铸铁 (HSS0 — 9o) 等，纯 si3N4| 陶瓷刀具的耐用度是较低的。为改善其耐磨性。加人 TiCN 、 TiCN+TiN 作为硬质弥散相，以提高刀具材料的硬度，同时保留较高的强度和断裂韧性，称为复合氮化硅陶瓷刀具。与单 s3N4 陶瓷刀具相比，复合氮化硅陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力和耐磨性都有了很大提高，且易于制造和烧结。是今后陶瓷刀具的重点发展方向。

    1.3 Simon 陶瓷刀具
     目前许多国家竟相开发一种新型 si 基陶瓷刀具：赛隆 (SiMon) 刀具。赛隆刀具是英国 Lucas AyMon 公司研制成功的一种单相陶瓷刀具，以 si3N4 为硬质相 Al203 为耐磨相，并添加少量助烧剂 Y203 ，经热压烧结而成，有很高的强度和韧性 ( 抗弯强度可达 1200MPa ，硬度达 1800HV) ， SiMon 陶瓷刀具具有良好的抗热冲击性能，与 si3N4 相比。 SiMon 陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能更高。耐热温度较高达 1300 ℃以上，具有较好的抗塑性变形能力。其冲击强度接近于 涂层 硬质合金刀具，巳成功应用于铸铁和高温合金等难加工材料的加工。目前国际上赛隆 (SiMon) 陶瓷材料的研究非常活跃，在改进制备工艺，进行复相、超细颗粒、自增韧．刀具材料等的研制方面巳取得了较好的成果。

     与 si3N4  相似， SiMon 陶瓷也具有 2 种晶体结构， a — SiMon 为等轴晶具有较高的硬度和耐磨性能， B — SiMon 为柱状晶断裂韧性和热传导能力相对较好， (a+B) 一 SiMon 复相陶瓷刀具综合了两相优点，切削性能更优异，重载条件下其耐磨性能优于单相陶瓷刀具   目前有 2 种制备自增韧 d — SiMon 陶瓷的方法：①通过控制成核过程的热力学特点，在烧结体内原位生长柱状   — Sialon 晶粒以得到白增韧 Sialon 陶瓷；②采用燃烧合成工艺，制备单相柱状   — Sialon 粉体 ，将此粉体按照适当比例添加到原料中制备白增韧   — Sialon 陶瓷。为降低烧结温度，一般要加入各种烧结 助剂 。比较常用的烧结助剂有： Y2O3 等氧化物和多种 稀土 元素，一般同时采用 2 种或 2 种以上的烧结助剂   。

    Sialon 陶瓷刀具适用于高速切削、强力切削、断续切削；不仅适合于干切削，也适合于湿式切削  Sialon 陶瓷可成功地用于铸铁、 镍 基合金、钛基合金和硅铝合金的加工，是高速加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料。由于它和钢的化学亲和性大， Sialon 陶瓷刀具不适合加工钢。

    1.4 Si3N4 晶须增韧陶瓷刀具
     晶须增韧陶瓷是在 Si3N 4 基体中加入一定量的碳化物晶须而成，从而可提高陶瓷刀具的断裂韧性。如我国北京方大高技术陶瓷有限公司生产的 FD03 刀片及湖南长沙工程陶瓷公司生产的 SW21 牌号均属这一类。 FD03 刀片是在 Si3N4  陶瓷基体中加入了硬质弥散颗粒 TiC ， SW21 刀片是在 si3N4 中加入了一定量的 SiC 晶须，故有较好的使用性能。国外一些切削专家认为，用 si N4 基陶瓷切削钢材效果不如 Al2 O3 基复合陶瓷，故不推荐用其加工钢材。但用 FD02 、 FD03 和 SW21 切削淬硬钢 (6068HRC) 、高锰钢、高铬钢和 轴承 钢时具有较好的效果   。

    2  金属陶瓷刀具
    2.1 Ti(C ． N) 基金属陶瓷刀具
     金属陶瓷也叫硬质合金或烧结碳化物，它是陶瓷一金属复合材料   以 TiC 为主要成分的合金，其硬度与耐热性接近陶瓷而抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高，其中金属碳化物是硬质相，一般占 80 ％以上；其余为铁、钴、镍等金属相。作为粘结剂。日本对金属陶瓷特别青睐，如今，在日本的金属切削领域中。金属陶瓷刀片已占可转位刀片总数的 30 ％   ，迄今仍在扩大应用范围。而美国却只占 5 ％   ，但有人预示美国制造业中已经能看到大量应用金属陶瓷的前景。

     金属陶瓷硬度高，强度低，韧性低，因此不宜在有强烈冲击和振动的情况下使用。金属陶瓷的导热性、耐热性、抗粘结性和化学稳定性比高速钢好得多，因此。在刀具材料中获得了广泛应用。

     现在，金属陶瓷的发展方向是超细晶粒化和对其进行表面涂层。超细晶粒金属陶瓷可以提高切削速度，也可用来制造小尺寸刀具。以 纳米 TiN 占 2 ％   ～ 15wt ％改性的 TiC 或 Ti(CN) 基金属陶瓷刀具，硬度高、耐磨性好，其热稳定性、导热性、耐蚀性、抗氧化性及高温硬度、高温强度等都有明显优势。与硬质合金刀具相比，该刀具的耐用度和使用寿命提高 1 — 5O 倍，切削速度提高 1 ． 5 — 3 倍，成本与其相当或略高，而金属切削加工费用下降 20 ％   一 40 ％   与普通 Ti(C ， N) 基金属陶瓷刀具相比，该刀具可靠性更高。金属陶瓷的基本性能。

    不同刀具材料的基本性能  
    2 ． 2  涂层金属陶瓷刀具
     涂层金屑陶瓷目前发展速度非常迅速。涂层分为硬涂层和软涂层，前者主要是金属碳氮化物，包括 TiN 、 TiC 、 Ti(CN) 、 TiAIN 、 CrC 、 CrN 等。其中 TiN 的工艺最成熟。应用最广泛   硬涂层主要是提高其硬度和耐磨性。一般可进行多层复合涂层。后者主要是 Mos 基涂层，可以降低摩擦系数。另外，软硬涂层可以复合使用。

    3  纳米 TiN 改性的 TiC 基金属陶瓷刀具
     最近由美国学者开发的纳米涂层刀具是利用纳米技术的一种新刀具。这种涂层方法采用多种材料的不同组合 ( 如金属／金属组合、金属／陶瓷组合、陶瓷／陶瓷组合、固体润滑剂／金属组合等 ) ，以满足不同的功能和性能要求。其中 TiC ／ TiN 复合涂层是典型涂层材料，它相对于在 TiC 基加入 TiN 硬质合金而言，其抗弯强度得到进一步的提高，刀具的硬度和韧性显著增加。又因其具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能，十分适合于于切削。但纳米涂层的涂覆必须采用先进的工艺，如封闭场不平衡磁溅射法 (CFUMS) 它要求精确的参数控制和先进的设备等，必然造成刀具成本的大幅提高。同时受工艺和切削条件的影响，涂层的粘结强度可能不足，切削时涂层容易脱落。切削性能迅速降低或失效。

     纳米金属陶瓷刀具成分为： 53TiC 一 10TIN( 砌 ) 一 18Mo 一 18Ni 一 1C ， TiN 纳米粉粒度为 3O 一 50nm 。实验表明，各力学性能的峰值分别对应一定的纳米 TiN 的添加量。据合肥工业大学试验，当添加量体积数 6 ％   一 8 ％时。可获得较优的综合物理力学性能。  

    4  陶瓷刀具材料的研究思路和展望
     根据 Hall — petch 关系，晶粒尺寸越小陶瓷材料的硬度和强度越高。当晶粒尺寸小到 100nm 左右时，强度和硬度会有很大突破。但是纳米粉的活性很大，界面反应激活能较低，在烧结过程中极易长大，尽管加入抑 制剂 ，效果仍不理想，因此目前还没有纳米级陶瓷刀具材料研制成功的报道。纳米改性、纳米复合成功解决了晶粒的异常长大问题，纳米级粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，导致基体晶粒细化。纳米改性、纳米复合及超细晶粒陶瓷刀具材料的研究与开发将是今后刀具材料发展的主要方向   。

     陶瓷刀具材料是一种最有前途的高速切削刀具材料，在生产中有广泛的应用前景。目前，它已引起世界各国的重视。在德国约 70 ％加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的 8 ％   一 10 ％。我国陶瓷刀具的发展也十分迅速，研究与开发水平与国际相当。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬质合金有更好的化学稳定性，可在高速条件下切削加工并持续较长时问，比用硬质合金刀具平均提高效率 3 — 1O 倍。它实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。实现干式切削，对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。

    5  结语
     新型陶瓷刀具材料具有其它刀具材料无法比拟的优势，其发展空问非常大。通过对陶瓷刀具材料组分、制备工艺与材料设计的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性和红硬性的基础上，极大的提高刀具材料的韧性和抗冲击性能，制备符合现代切削技术使用要求的适宜材料。可以预料，随着各种新型陶瓷刀具材料的使用。必将促进高效机床及高速切削技术的发展，而高效机床及高速切削技术的推广与应用，又进一步推动新型陶瓷刀具材料的使用。