Ti(C,N)金属陶瓷刀具材料

摘 要：在现代机加工领域，高速切削加工已经成为加工的发展方向，提高切削速度将大大提高生产效率并提升零部件加工质量。除了机床性能对高速切削有较大的影响外，刀具材料的性能也决定了高速切削的能否得到更大的发展与应用。因此刀具材料的性能改良至关重要。文章重点阐述金属陶瓷刀具材料的性能以及改良。

关键词：高速切削；金属陶瓷；性能改良；微波烧结

1 刀具材料概况

在现代工业生产中常用的刀具材料有工具钢、硬质合金、超硬刀具材料（包括陶瓷，金刚石及立方氮化硼等）[1]。（1）常用作刀具的工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢。（2）硬质合金。硬质合金大量应用在刚性好，刃形简单的高速切削刀具上，随着技术的进步，复杂刀具也在逐步扩大其应用。（3）涂层刀具材料。硬质合金或高速钢刀具通过化学或物理方法在其上表面涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，而又不降低其韧性。（4）其它刀具材料如陶瓷刀具和人造金刚石等。

2 金属陶瓷材料

金属陶瓷材料是一种有金属或者合金与同一种或几种陶瓷所组成的非均质复合材料[2]。它具有优良的综合力学性能，具有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损，耐高温，又保持了金属材质的塑性与韧性，有着十分广泛的应用前景。在20世纪30年代人们就把金属陶瓷材料应用于刀具中，但是做成的刀片还比较脆，主要用于精加工中。从上世纪70年代以来，TiN对TiC-Ni系有显著作用被奥地利维也纳大学kieffer等发现，Ti（C，N）基金属陶瓷引起了人们的注意，TiC合金中开始引入硬质相氮化物，进一步在更大范围内扩大了金属陶瓷的应用。

3 Ti（C，N）基金属陶瓷

3.1 Ti（C，N）基金属陶瓷相组成

（1）Ti（C，N）基金属陶瓷粘结相。Ti（C，N）基金属陶瓷的主要成分是Ti（C，N），常用的粘结相为Co-Ni，起增强作用，同时有研究表明向Ti（C，N）基金属陶瓷中添加少量的Al可起到弥散强化作用，改善材料的室温和高温力学性能，并提高材料的硬度、耐磨性和冲击韧度，同时对于抑制刀尖变形也有显著作用。也有研究采用5%～30%的Cr来代替Co，形成Cr-Ni粘结相，陶瓷材料的润湿性可以得到极大改善，同时材料的高温强度和高温抗氧化性也将提高。通常控制Cr/（Ni+Cr）在0.02～0.4之间。

（2）硬质相。常用的硬质相有WC、AlN、Mo2C、ZrC、VC、HfC和Cr3C2等，通过相互作用进一步形成（Zr、Ti、Nb、W、V）固溶相，使得硬质相得到进一步强化。由于WC的弹性模量比Ti（C，N）和TiC高，Ti（C，N）基金属陶瓷的强韧性可以通过添加WC进行改良，并且加入后能使硬质相晶粒得到细化，从而其横向断裂强度得到提高，使得WC成为其常用的一种添加剂。当加入的WC含量足够多时，在基体中会产生WC非平衡的相，使得其热膨胀系数大大减小，传导率明显增大，进而能明显提高其抗热震能力，达到克服其刀具的刀口易出现变形的缺陷。研究还发现，把含量合理的NbC和TaC等高熔点添加剂加入其中，同样能能使硬质相晶粒得到细化，还能改善其抗氧化性、硬度和横向断裂强度，并且改善其高温抗氧化能力效果比WC更好，但横向断裂强度和硬度的改善效果不如WC显著。此外，研究还表明，把Hf等稀土元素加入其中也可以明显改善其横向断裂强度，究其原因是氧很容易与稀土元素发生化学反应，在界面上与杂质结合生成稀土化合物和氧化物，使其晶界得到净化，界面结合强度、润湿性和烧结性得到良好的改善，从而使Ti（C，N）基金属陶瓷的密度得到提高。

3.2 基本性能

Ti（C，N）基金属陶瓷比TiC基金属陶瓷的高温强度更大、具有更好的硬度以及良好的导热性、优良的耐冲击性等优良性能，因而被用作高速切削刀具材料以及对难切削材料进行精加工和半精加工。经过近70年的发展，Ti（C，N）基金属陶瓷的主要性能在以上方面得到了很好的改良。（1）具有良好的化学稳定性。使用其进行切削作业时，在工件、切屑和刀具接触面上产生氧化铁、镍钼酸盐和M02O3薄膜，这一薄膜能形成干剂从而大大减少了摩擦。钢与Ti（C，N）基合金之间粘结弱，即使温度达到700-900°C高温时时也不会有粘结出现，这样作业时不会出现积屑瘤，使得其具有较低的加工表面粗糙度。（2）具有很大的硬度。其硬度可以与陶瓷刀具相差无几，在通常情况下其硬度为91-93.5HRA，甚至高达94-95HRA。（3）耐热性较高。在高温情况下，其具有良好的耐磨性、强度和硬度性能，即使温度高达1100°C-1300°C还能够进行切削作业。一般情况下，其切削速度能够达到300-400m/min，是WC基硬质合金切割速度的高3-4倍，就算对难以加工和高硬度材料进行切削施工时，其削速度仍然能够达到200m/min。（4）抗月牙洼磨损和耐磨性能良好。对钢料进行高速切削时其耐磨性是WC基硬质合金的4到5倍，具有极低的磨损率。（5）抗氧化能力高。通常情况下，Ti（C，N）基金属陶瓷开始出现月牙洼磨损的温度是1100-1200°C，还硬质合金开始出现月牙洼磨损的温度是850°C-900°C，Ti（C，N）基金属陶瓷比硬质合金的温度高200-300°C。

3.3 Ti（C，N）基金属陶瓷的微波烧结制备

车磊等研究表明，高氮（TiC0.5N0.5）合金和较低氮（TiC0.7N0.3的烧结工艺的差异巨大，性能较好的金属陶瓷能够在真空、氮气和氩气等条件下通过硬度较低的低氮（TiC0.7N0.3）合金得到，还只有以氮气为烧结环境下得到的高氮（TiC0.5N0.5）合金才能具备良好的力学性能。张厚安等人研究表明，晶粒度小于500nm的金属陶瓷可以通过微波烧结技术得到，这种金属陶瓷具有较低的力学性能，但其组织致密。微波烧结技术因为其自身固有的加热特性，能快速加热到常规烧结难以达到的高温。超细粉末采用高能球磨的方法十分有效，并且工艺简单、产量高。张厚安等人研究发现，TiC0.7N0.3超细粉末可以采用球磨的方法进行制备。先按规定的成分和配比准备材料，然后采用混料机进行干混，接着采用球磨机进行湿磨和充分拌合，最后混合料干燥后对其进行冷压成型。在HAMiLab-V3000微波高温炉上对经碳管炉脱脂成型后的坯体进行微波烧结，就能够得到（Ti（C，N）基金属陶瓷。将Ti（C/N）粗粉经球磨磨成超细粉，并与TaC、Co、Mo2C、Ni、WC超细粉等混合后在添加纳米（Si3N4 /BN）粉，按规定配备进行配料、湿磨、干燥、过筛，压制成型后预烧结，微波气氛中烧结成具有超细晶粒的金属陶瓷。

4 结束语

综上所述，发展和研制高可靠性高强韧性的Ti（C，N）基金属陶瓷复合材料是Ti（C，N）基金属陶瓷的今后的发展方向，要通过技术个性使其韧性和强度得到更大的提高。要进一步对不同功能、不同结构的纳米级Ti（C，N）基金属陶瓷复合材料进行研究；通过上述研究最终开发出通用性的Ti（C，N）基金属陶瓷刀具切削材料。

参考文献

[1]肖诗纲.刀具材料及其合理选择[M].北京：机械工业出版社，1990.

作者简介：张翠娟（1981-），女，汉族，湖南益阳人，硕士研究生，研究方向：材料成型、数控加工。