新型刀具材料――陶瓷

摘  要：介绍了陶瓷刀具材料的种类和发展过程、陶瓷刀具材料的性能和应用范围，并列入一些切削试验数据。

关键词：陶瓷；氧化铝基；氮化硅基；刀具材料；切削性能

1  概述

    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。

    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。

2  陶瓷刀具材料的种类

    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。

2.1  氧化铝系陶瓷

     最早的这类陶瓷是纯氧化铝陶瓷，其成分几乎全是A1
_{2O3，只是添加了很少量(0.1～0.5％)的MgO或Cr2O3，TiO2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。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    后来，采用氧化铝―碳化物复合陶瓷，即以A1_{2O3基加入TiC、WC、SiC、TaC等成分，经热压成复合陶瓷。其中以A12O3-TiC复合陶瓷用得最多，加入的TiC在30～50％之间，有的还在A12O3-TiC中再添加少良的Mo、Ni、Cr、W、Cr等金属。Al2O3-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。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    氧化铝亦可与氧化锆组合成为Al_{2O3-ZrO2复合陶瓷。与A12O3-TiC复合陶瓷相比，Al2O3-ZrO2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Al2O3-Tic广泛。还有Al2O3-Zr复合陶瓷，硬度达HRA93.2，抗弯强度达0.8GPa。此外，还有Al2O3-TiC-ZrO2与Al2O3-TiB2等复合陶瓷。}

2.2    氮化硅系陶瓷

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    仅添加少量其他成分的纯氮化硅陶瓷用得很少。Si_{3N4-TiC-Co复合陶瓷的性能好，其韧性和抗弯强度高于Al2O3基陶瓷，而硬度不下降；导热系数亦高于Al2O3陶瓷。Si3N4-TiC-Co及Al2O3-TiC复合陶瓷在生产中用得都比较广泛。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>2.3  复合氮化硅―氧化铝系陶瓷

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    Si_{3N4-Al2O3-Y2O3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Si3N477％，A12O313％，Y2O310％，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。}

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。

    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。

3  陶瓷刀具材料的应用

    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。

    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。

    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。

    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。

4  切削试验

4.1  作者用Si_{3N4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YS10作对比。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>   切削用量αp=0.3mm，f=0.1mm/r

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    刀具几何参数γ_{0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rE =0.8mm，br=0.5mm，γ01=-15°～-20°。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt” align=center>

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    得到T-ν曲线图如图1所示。Talyor方程如下：

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    ν=290/T^{0.20    (m/min)    (HDM-3)}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    ν=240/T^{0.27    (m/min)    (YS10)}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    HDM-3的使用寿命显著提高。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>4.2  用Si_{3N4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。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    切削用量αp=0.3mm，f=0.1mm/r

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    刀具几何参数γ_{0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rE =0.5mm，br =0.2～0.3mm，γ01=-20°。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt” align=center>

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    收VB=O.3mm，得到T-ν曲线图如图2所示。Talyor方程如下：

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    ν=318/T^{0.42    (m/min)    (HDM-2)}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    ν=102/T^{0.27    (m/min)     (YS8)}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    HDM-2使用寿命显著提高。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>4.3  又用Al_{2O3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。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    切削用量αp=0.5mm，f=0.1mm/r

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    刀具几何参数，各自选用合适的数值，本文从略。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt” align=center>

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 21.6pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>取VB=O.3mm，得到T-ν，曲线图如图3所示。Talyor方程如下：

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>ν=42.5/T^{0.30     (m/min)    (HDM-4)}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>ν=270/T^{0.19      (m/min)    (TN20)}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>HDM-4使用寿命显著提高。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>4.4  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

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>金刀片YB415作对比。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    切削用量αp=0.5mm，f=0.21mm/r

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    刀具几何参数γ_{0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-40°，rE =0.5mm。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt” align=center>

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    取VB=0.15mm，得到T-ν曲线图如图4所示。Talyor方程如下：

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    ν=270/T^{0.17    (M/min)    (HDM-4)}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    ν=190/T^{0.26    (m/min)    (YB415)}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    HDM-4使用寿命显著提高。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>4.5  用HDM-1、HDM-2、HDM-3陶瓷刀片(都是Si_{3N4基)车削合金钢花键轴(HRC47～50)，进行冲击试验。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt” align=center>

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    切削用量αp=0.3mm，f=0.1mm/r，ν=80m／min，其抗冲击次数与破损情况如图5所示。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    由图5可见，Si_{3N4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Si3N4基复合陶瓷HDM-3次之，达12000次；纯Si3N4陶瓷HDM-1只达5000次。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>5  切削机理

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    (1)陶瓷的常温硬度和高温硬度高于硬质合金

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    陶瓷的常温硬度略高于硬质合金。Al_{2O3基或Si3N4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。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    (2)陶瓷的高温弹性模量高于硬质合金。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    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_{2O3基与Si3N4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。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    (3)Al_{2O3基陶瓷在高温下化学性能稳定}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    刀具材料形成自由能越低，则化学性能越稳定。在1000℃时Al_{2O3、TiC、WC的形成自由能分别为-65、-45、-10kcal/mol，故Al2O3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Al2O3基陶瓷切削出长切屑的钢材时，具有良好的切削性能。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>作者曾用HDM-4(Al_{2O3基)与HDM-3(Si3N4基)陶瓷车削高强度钢38CrNi3MoVA(HRC36～40)，切削用量为αp=0.5mm,f=O.1mm/r，ν=170m/min。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。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt” align=center>

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt”>    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_{2O3基陶瓷适合切削出长切屑的钢材，而Si3N4基陶瓷对此不能胜任。}