陶瓷刀具的历程

摘 要：现造技术向高精度、高柔性和强化环境意识的方向发展,机械加工中的辅助工时大大缩短,高速切削加工技术和刀具材料研究越来越迫切.而高速切削的发展主要取决于高速切削刀具和高速切削机床的发展,陶瓷刀具应运而生,国内外对陶瓷刀具的切削性能已作出很多可贵的尝试与研究,成功应用于生产实践的陶瓷刀具越来越多.

关 键 词：陶瓷刀具发展

中图分类号：TG711文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)09(a)-0246-01

几十年来,虽然由于新型刀具材料的出现,使切削速度和切削加工生产率成倍增加,然而,随着航空航天工业、动力工业、超高温、超高压技术等的发展,黑色金属及难加工材料(包括铁基、镍基、钻基、钦基高温合金、高硬度钢、铸铁及其合金、模具钢、耐热合金、钦合金等)的高速切削加工技术和刀具材料研究越来越迫切,同时,制造技术向高精度、高柔性和强化环境意识的方向发展,在这种情况下,高速切削已成为切削加工的主流,一般高于常规切削速度5一10倍.而高速切削的发展主要取决于高速切削刀具和高速切削机床的发展,其中,高速切削刀具材料起决定性作用[5].

由于陶瓷刀具在1200一1450℃高温下尚能进行切削,并且可在切削速度500一1000m/min下进行工作,陶瓷刀具的研制成为刀具材料研究的热点.并且随着烧结理论的深入研究,各种氧化物、碳化物及氮化物等粉末制备技术的不断改进,多种陶瓷烧结及加工设备和工艺的不断开发研制,使得陶瓷材料成为高速切削、干切削刀具的理想材料,几乎可以加工包括多种难加工材料在内的所有黑色和有色金属[5].

陶瓷材料作为三大材料之一,随着社会的发展被分成了两大类：普通陶瓷和特种陶瓷.普通陶瓷按其用途分为日用瓷、建筑瓷、电瓷和化工瓷；特种陶瓷又可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类.结构陶瓷强调材料的力学性能或机械性能；而将具有电、磁、声、光、热、化学及生物体特性,且具有相互转化功能的陶瓷定义为功能陶瓷[2].陶瓷刀具是现代结构陶瓷在加工材料中的一个重要应用领域.陶瓷刀具是含有金属氧化物的无机非金属材料,具有高硬度、高强度、摩擦因数低、优异的耐热性、耐磨性（耐磨性为硬质合金的3~5倍）和化学稳定性等优异性能,能够在其他材料无法承受的恶劣环境条件下正常工作,它已成为高速切削刀具材料的首选[4].

陶瓷刀具材料的出现也有半个多世纪历史,从1913年陶瓷材料最早试作切削刀具开始,陶瓷刀具材料的发展,在20世纪经历了以下几个阶段：50年代后期以氧化铝陶瓷为主,现氧化铝系陶瓷刀具材料是目前所有陶瓷刀具中应用最广泛,年消耗量最大的陶瓷刀具材料[5].由于Al2O3系陶瓷刀具化学稳定性好、耐热、耐磨性能优异且低廉,所以目前所占比例很大；60一70年代以Al2O3/TiC陶瓷为主,70年代后期至80年代初期发展了Si3N4系陶瓷刀具及相变增韧陶瓷刀具材料,80年代后期至90年代在晶须增韧陶瓷刀具材料得到长足发展的同时,各种复相陶瓷刀具材料的研究也倍受重视.目前国内外应用最为广泛的是氧化铝系和氮化硅系陶瓷刀具材料.20世纪70年代投入使用的Al2O3/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TiB2、Ti(C,N)、SiCW、ZrO2等陶瓷刀具也相继研制成功,其力学性能进一步提高,广泛应用于碳钢、合金钢或铸铁的精加工或半精加工[6].

目前陶瓷刀具的研制己建立起融合切削学和陶瓷学为一体的、基于切削可靠性的陶瓷刀具材料设计研究理论体系[5].现代陶瓷刀具材料多为复相陶瓷,根据材料不同的使用环境,以一定的设计理论为基础,采用各种超细的氧化物、碳化物、氮化物和硼化物等为基本组分,并依据不同的增韧补强机理进行微观结构设计,可以制备出具有良好综合性能的复相陶瓷.

陶瓷材料本征脆性,大多抗拉强度低、韧性差,因此陶瓷材料的强韧化是拓展其应用的关键.最近的研究表明,梯度功能材料(FuionalGradientMaterial简称FGM)、表面改性陶瓷、纳米复合陶瓷刀具材料将在今后得到较大的发展[3].

其中,纳米技术（Nano一ST)是于上世纪80年代迅速形成和发展起来的一门基础研究和应用开发紧密联系的高新技术,它在纳米尺度上研究物质(包括分子、原子)的内在相互作用和特性,它所涉及的领域是人类过去很少涉及的非宏观、非微观的中间领域,英国著名材料专家.RW.Cahn在《自然》杂志上撰文说：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径”[5].经过纳米改性的材料可提高强度、增加韧性、降低烧结温度.目前使用纳米技术制备的陶瓷刀具材料主要有两种：纳米复合陶瓷刀具材料和纳米涂层陶瓷刀具材料.

纳米复合结构陶瓷的概念是由K.Niliiara于1991年提出的,可看作是对复构陶瓷微观结构设计的应用.纳米复合材料是纳米材料的重要应用,它由两相或多相构成,其中至少有一相为纳米级尺寸.将纳米颗粒、晶须及纤维弥散到陶瓷基体中,制备成的纳米复合材料具有优异的性能.切削性能实验表明,纳米复合陶瓷刀具的耐磨性能远高于同组分的微米级的陶瓷刀具,且断续切削的能力也有了明显增强[2].

纳米技术的出现为陶瓷材料的改性和增强提供了条件,纳米技术在现代陶瓷的应用方面将带来革命性的变化.将纳米颗粒增韧、纤维(纤维)增韧、相变增韧等手段相结合,在保持高硬度、高耐磨性和红硬性的基础上,研制出高强度、高韧性、智能化、经济环保、具有更好的耐高温性能、耐磨损性能和抗崩刃性能,满足高速精密切削加工的要求的高性能复合陶瓷材料,将是廿一世纪陶瓷材料学的发展方向[1].

通过对近几年发表的关于陶瓷刀具切削性能研究的文献,了解了刀具材料的发展历程、陶瓷刀具材料的主要种类和特点,笔者认为陶瓷刀具类型的开发必将是高精度、高柔性和强化环境意识的现造技术的不二选择.