摘要：综述了陶瓷刀具主要特性，对适宜于陶瓷刀具加工的难加工材料的性能、切削特性进行了阐述，在分析刀具与加工材料匹配性能指标的基础上，进一步对陶瓷刀具与难加工材料的合理匹配进行了探讨，并对新型陶瓷刀具材料的研发前景作了展望。
1 引言
随着工业的发展，各种高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀的工程材料愈来愈多地被采用，目前难加工材料已占工程材料的40%以上。对难加工材料进行切削加工，刀具的材料是关键因素之一，除了要具备普通刀具的基本性能外，还要具备高的耐热性、抗热冲击性、化学稳定性及良好的高温力学性能和高的可靠性。
陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性强、抗粘接性和高温力学性能好等特性。近30年来，新型陶瓷刀具材料的研究进展较快，陶瓷刀具的强度、韧性和抗冲击性能都有了大大提高。因此，在切削难加工材料的应用中，受到了愈来愈多的关注。但每一种陶瓷刀具都有其特定的加工范围，存在着陶瓷刀具和切削对象的合理匹配问题。作者根据自己的研究并参考国内外相关文献报道，对适宜于陶瓷刀具加工的难加工材料的特性、切削性能及其与陶瓷刀具的匹配问题进行综述。
2 陶瓷刀具类型及性能
2.1 氧化铝基陶瓷刀具
氧化铝陶瓷刀具：主要在上世纪50年代后期使用，材料中采用纯Al
2O3陶瓷或Al2O3为主且添加少量MgO、Cr2O2、TiO2、NiO、SiO2等的陶瓷刀具材料。该类刀具室温硬度与高温硬度都高于硬质合金刀具，室温与高温抗压强度都很好，能克服一般高速钢刀具及硬质合金刀具易变形及塌陷的缺点。虽然该类刀具室温下的抗弯强度较低，但随着使用中温度的上升，其抗弯强度却降低较少，所以氧化铝陶瓷刀具最适于高速切削硬而脆的金属材料。
氧化铝—碳化物复合陶瓷刀具：是60～70年代主要的陶瓷刀具，以Al
2O3为基加入TiC、WC、TaC、SiC、Cr3 C2、M02C等，其中以Al2O3一TiC复合陶瓷用得最多。该陶瓷刀具的耐用度显著提高，而热裂纹深度较小，其抗弯强度、耐热冲击性等均优于Al2O3陶瓷刀具。另一类系在Al2O3-TiC中再添加少量的Mo、Ni、Co、W、Cr等金属的陶瓷刀具，这类陶瓷刀具具有较高的联接强度，抗弯强度和抗震性能明显提高，具有较好的切削性能。
2.2 氮化硅基陶瓷刀具
是70年代末80年代初期的主要陶瓷刀具，Si
3N4-TiC-Co复合陶瓷性能好，具有很高的耐磨性、红硬性、抗热冲击性和抗机构冲击性。实践证明，加工冷硬铸铁轧辊，采用复合氮化硅陶瓷刀具比普通硬质合金刀具切削速度快5倍，刀具寿命提高20～30倍，能在间断切削工况下顺利工作，这是硬质合金刀具无法完成的；并且其韧性、抗弯强度、导热系数均高于Al2O3基陶瓷，应用较广泛。
2.3 Sialon陶瓷刀具
在80年代后期至90年代大量使用。Sialon陶瓷是一种新型复合陶瓷(Si
3N4-Al2O3-Y2O3)，具有很高的抗弯强度、硬度、耐热震性和较高的热硬度，韧性高于其它陶瓷，能在比热压陶瓷和涂层硬质合金刀具更高的切削速度和负载下进行切削。
2.4 增韧补强的陶瓷刀具
陶瓷刀具虽然具有耐高温、耐磨损等优良性能，但由于其强度、韧性的不足，限制了其优良性能的发挥，为此，陶瓷刀具的强韧化便成为近年来研究的重点课题，晶须、颗粒强韧化陶瓷刀具应运而生。现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷，目前国内外广泛使用的以及正在开发的陶瓷刀具材料基本上都是采取不同的强韧化机理来进行设计的，其中以氧化铝系和氮化硅系陶瓷刀具材料应用最为广泛。20世纪70年代投入使用的Al
2O3/TiC热压陶瓷材料，强度、硬度和韧性均较高，仍是国内外使用最多的陶瓷刀具材料之一。此后在Al2O3中添加TiB、Ti(C，N)、SiC，、ZrO等的陶瓷刀具也相继研制成功，其力学性能进一步提高。
3 陶瓷刀具与难加工材料的匹配
难加工材料种类繁多，性质迥异，选用陶瓷刀具切削难加工材料时，必须根据所加工的材料，依照刀具匹配原则，使刀具材料与被加工材料在力学、物理性能和化学性能等方面合理匹配。
3.1 高强钢的切削加工
高强钢因有很高的强度、硬度和很好的韧性、塑性，其切削特性主要是切削力大、切削温度高、形成的切削热较多，且导热性较差，对刀具的磨料磨损、扩散磨损及氧化磨损均较严重。因此，切削时要求刀具应具有较高的红硬性、耐磨性及冲击韧度，而且不易产生粘接和扩散磨损；粗加工和断续切削时，要求刀具具有抗热冲击性能。
Al
2O3-TiC系列陶瓷刀具具有较高的抗弯强度、抗冲击性和耐磨性。对比用YW和AT6加工35CrMnSiA(σb≥1650MPa，45～48HRC)钢，发现AT6的耐用度平均提高4倍以上；通常该系列陶瓷刀具的耐用度、加工效率、硬度和耐热性高于硬质合金刀具。目前用陶瓷刀具切削高强钢时，主要用于半精加工和精加工。经比较，切削高强钢相匹配的陶瓷刀具主要为Al2O3-TiC系列陶瓷刀具，推荐AT6、AG2、T8、LT35、LT55等。
3.2 高锰钢的切削加工
高锰钢具有铸造性能好、价格低廉以及特优的耐磨性等，其切削难度大，主要表现在加工硬化严重、导热性差，切削温度高、韧性大，伸长率大、切屑变形大、切削力大、刀具磨损严重。 高锰钢的切削特性决定了切削高锰钢的刀具材料应具备红硬性高、耐磨性好，有较高的强度、韧性和导热系数。氮化硅基陶瓷刀具因具有良好的自润滑能力和高断裂韧度而有高的耐磨性、高的红硬性，符合高锰钢的切削特性要求，可较好地完成高锰钢件的切削。例如某厂加工主动车轮，材料为ZG55Mn，调质态，硬度为169～225HB，380mm内孔公差仅为o.045mm，内孔锥度要求O.014mm/455mm，表面粗糙度要求为Ra=1.6µm。采用氮化硅陶瓷刀具，顺利解决了问题。陶瓷刀具可以较高的切削速度来切削高锰钢，半精加工、精加工高锰钢件。匹配的陶瓷刀具主要为氮化硅基陶瓷刀具；另外，热压Al
2O3-TiC亦适用于较高的切削速度切削高锰钢件。
3.3 高硬度材料的切削加工
高硬度材料的主要特性是硬度高、强度高，因而，切削加工性很差，切削力大，极易引起振动；再者，导热系数小，刀具易崩刃，磨损剧烈，刀具耐用度低。根据该类材料的切削特点，切削高硬度材料工件宜选用红硬性高、耐冲击、耐磨性好、抗弯强度及导热系数较大的刀具材料。 常规切削速度下可选用硬质合金刀具；高速切削时，陶瓷刀具可以实现对该类材料的切削加工，如用SHT。(Al
2O3-TiC)车削高强度铸铁时，切削速度可达30～60m/min，而若用硬质合金刀具在10～20m/min条件下切削，刀具耐用度还很低。 陶瓷刀具化学成分不同，切削淬硬钢时效果不同，要求陶瓷刀具与淬硬钢不应有相同的化学成分或亲和力强的元素，否则会加速陶瓷刀具的磨损。用含有SiC的陶瓷刀具加工淬硬钢时，SiC很容易在切削高温作用下与工件中的铁产生化学反应。SiC晶须与铁反应后使得晶须原有的硬度和耐磨性能降低，晶须与基体的结合强度削弱，从而使晶须的增韧作用减小；此外，在高温下SiC在铁中的溶解度比TiN和TiC的溶解度高二个数量级。由于铁与SiC的化学反应及相互溶解，使刀具材料中铁元素含量增加，进一步增大刀具与工件粘着倾向，因而对刀具的耐磨性能不利。因此，添加S．C的陶瓷刀具不适于加工钢和铸铁。 切削冷硬铸铁，要求陶瓷刀具抗弯强度、断裂韧度高。Si
3N4基陶瓷刀具的断裂韧度和抗热震性高于Al2O3基陶瓷刀具，适合于铸铁的高速切削。 近几年国内外研制出了一些性能更好的新型陶瓷刀具。如添加WC的黑色陶瓷，断裂韧度大约提高30%；MC2高密度混合陶瓷，切削刃强度非常高，适宜加工淬硬钢和冷硬铸铁；在Si
3N4表面上涂覆Al2O3的陶瓷SP4，大大改善了耐磨性，经对铸铁高速(400m/min)铣削比较，采用SP4刀具可比采用Al2O3+TiC(崩刃率45%)提高效率1.5倍，耐用度提高3～4倍，且崩刀率仅有5%；Sialon陶瓷刀具有很高的抗冲击性能和断裂韧度，可用来切削淬硬钢。
3.4 高温合金的切削加工
高温合金材料主要特性是导热性差，其导热系数仅为45钢的1/4，加上它们的塑性很大，其伸长率可达40%以上。高温合金切削过程中加工硬化大，切削力较大；切削温度高，影响刀具寿命；硬质点多，磨损严重；塑性变形较大。若45号钢的加工性为100%，则高温合金的相对切削加工性仅为5%～20%，可以说高温合金是最难加工的材料。 根据高温合金的切削加工特性，应选用硬度高、耐磨性好、有足够强度和韧性的刀具材料。硬质合金中钛、钴粘刀严重，会使刀具发生严重粘结磨损，陶瓷刀具中Sialon、Si
3N4基陶瓷刀具的抗粘接性、耐热性及硬度高于硬质合金，是切削高温合金的最佳刀具材料。另外，含有siC颗粒或SiC晶须的刀具材料在加工镍基合金时表现出优良的切削性能。
3.5 热喷焊(涂)材料的切削加
热喷焊(涂)材料多是多组元的高温高强合金，经高温高速喷射后表层硬度可高达65～70HRC，具有高强度钢、高温合金与淬硬钢的特点，难于切削加工。该类材料切削加工主要特点是切削温度高；由于耐磨性几乎比同等硬度钢高出3～6倍，使得刀具磨损快、耐用度降低，切削时易产生振动。推荐使用的陶瓷材料有SG4、SG5、LT35、LT55等。
4 结束语
虽然陶瓷刀具因其丰富、经济的原材料资源和硬度高、耐磨性、抗粘接性和高温力学性能好及化学稳定性强等特陛，已被愈来愈多地应用于难加工材料的加工，且能够较好地与难加工材料相匹配。但由于陶瓷刀具的强度低、韧性差，很大程度上限制了它在实际中的应用。各种晶须、颗粒增韧技术及涂层刀具虽在一定程度上克服了上述矛盾，但硬度、耐磨性与强度、韧性难以兼顾仍是刀具材料应用中的主要矛盾。研制出既具有高的强度和硬度，又具有好的韧性和耐磨性的刀具材料，是目前国内外研究的热点。从目前的情况来看，新型金属基纳米陶瓷刀具材料的研制可能是一种很有前途的陶瓷刀具材料之一，加入纳米增韧材料以后可以细化晶粒，有利于提高材料的强度、硬度，同时断裂韧度也得到提高。它在难加工材料的加工及高速切削、干切削、硬切削等方面将有很广阔的应用前景。
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