新型陶瓷刀具的研究进展

摘要：本文回顾了陶瓷刀具的发展简况及其意义，并且综述了陶瓷刀具材料的种类、性能和特点、以及其制备方法，在此基础上分析了陶瓷刀具的发展趋势和前景。

关键词：陶瓷刀具；氧化铝；氮化硅；性能

中图分类号： TG 711

1、引言

切削加工是工业生产中最基本、最普通和最重要的方法之一， 它直接影响工业生产的效率、成本和能源消耗。然而随着现代制造技术的发展，各种新型难加工材料在产品中的大量应用，传统的硬质合金刀具已难以满足生产需要，而作为新型切削材料的陶瓷刀具由于具有高耐热性、耐磨性、化学稳定性等特点，因此陶瓷刀具在切削加工中扮演者越来越重要的角色。

另外，从资源方面考虑，陶瓷刀具的原材料也远远丰富于传统合金刀具。总所周知，硬质合金刀具含有大量的W、Co 等战略性贵重金属， 并且这些贵重金属在地球上市有限的，而且是不可再生资源。而陶瓷刀具的主要原料是Al2O3和SiO2，这些化合物在地壳中的含量非常丰富。因此其发展及应用前景十分广阔[1-3]。目前刀具的主要原材料是高速钢和硬质合金，但从发展趋势来看，金属陶瓷刀具材料在制造刀具方面的用量逐年增加，同时也是近几年来新型刀具研究方面的重点和热点。本文将简述陶瓷刀具的发展史，同时综述陶瓷刀具材料的种类及其性能，以及其制备方法。

2、陶瓷刀具的发展简况

陶瓷作为切削加工材料， 有着源远流长的历史。早在1905 年德国人就开始了用Al2O3陶瓷作为切削刀具材料的研究。但是由于Al2O3陶瓷比较脆， 而且当时的陶瓷工艺技术也比较落后， 所以它的广泛应用在当时受到限制。

1968 ～1970 年间人们研制成功了Al2O3+TiC复合陶瓷刀具，。这促使Al2O3基陶瓷刀具逐渐地走出了缓慢发展的低谷， 成为解决超硬材料加工的一种新型刀具[4-6]。

20世纪70年代中期美国用Sialon陶瓷刀具（Si3N4+Al2O3的固熔体） 加工灰铸铁， 取得良好效果[7]。同期， 中国用热压Si3N4陶瓷刀具实现了对多种难加工材料进行多种工序的加工和生产应用[7，8]。当时出现的新一代Si3N4陶瓷刀具，以另一支新军的姿态受到人们的重视。

20世纪80年代初，日本日立金属株式会社研制成功Al2O3+TiB2复合陶瓷刀具。这种复合陶瓷刀具主要是运用了TiB2硬度比TiC高，热膨胀系数却比TiC小的特点， 从而使制成的复合陶瓷刀具具有更好的耐磨性和耐热冲击性。

20世纪80年代初， 美国、瑞典还研制成功SiC晶须增韧Al2O3陶瓷刀具（Al2O3+ SiCw， w指晶须）。晶须的加入使Al2O3基陶瓷的断裂韧性提高两倍多， 同时保留了高硬度的特质。

3、陶瓷刀具材料的种类及其主要性能

3. 1 氧化铝（ A12O3 ） 基陶瓷

（1） 纯氧化铝陶瓷。这种陶瓷中Al2O3的成分含量在99. 9 % 以上，大部分呈白色，俗称白陶瓷。白陶瓷耐磨性好，用于切削灰铸铁有较好效果，也可切削普通碳钢，但因其强度低，抗热振性及断裂韧性较差，切削时易崩刃，因此现在已经逐渐被Al2O3复合陶瓷所取代。

（2） 氧化铝-碳化物系复合陶瓷。它是在Al2O3基体中加入TiC、WC、Mo2C、TaC、NbC、Cr3C2等成分经热压烧结而成，其中使用最多的是Al2O3-TiC复合陶瓷。随着TiC含量（30 %～50 %） 的不同，其切削性能也有差异，主要用于切削淬硬钢和各种耐磨铸铁[9]。

（3） 氧化铝-碳化钛-金属系复合陶瓷。该陶瓷因在Al2O3-TiC陶瓷中加入了少量的粘结金属如Ni和Mo 等，从而提高了Al2O3与TiC的连结强度和使用性能，故可用于粗加工。这类陶瓷又称金属陶瓷。这类陶瓷用于切削调质合金钢时的切削速度是一般合金刀具的1～3 倍，刀具寿命是合金刀具的6～10倍，由于其含有金属成分，所以能用电加工切割成任意形状。同时，用金刚石砂轮刃磨时，能获得较好的表面质量。

（4） Al2O3-SiC晶须增韧陶瓷。它是在Al2O3陶瓷基体中添加20 %～30 %的SiC晶须而成。SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物，使陶瓷的韧性大幅度提高，适用于断续切削及粗车、铣削和钻孔等加工及镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料的加工。

（5）Fe3Al/ A12O3陶瓷基复合材料

Fe3Al金属间化合物具有特殊的物理、化学和力学性能及独特的形变特征和室温脆性，被称为半陶瓷材料，是一种介于高温合金与陶瓷之间的新型高温材料。Fe3A1与Al2O3具有较好的适配性能，其复合材料界面不产生化学反应，没有界面相生成，具有较好的界面结合力。此刀具材料在切削铸铁和中碳钢时显示出优良的特性，且成本低、功效高，具有广阔的应用前景[10]。

3. 2 氮化硅（ Si3N4）基陶瓷

Si3N4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，其硬度可达HV1800～2000，且热硬性好，能承受1300～1400℃的高温，与碳和金属元素化学反应较小，摩擦因数也较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于断续切削。由于纯Si3N4陶瓷刀具在切削长切屑金属（如软钢）时，极易产生月牙洼磨损，所以新一代Si3N4陶瓷均为复合型。Si3N4基陶瓷目前主要有Si3N4-TiC-Co复合陶瓷、Si3N4晶须增韧陶瓷和Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷等几种类型[11]。

3. 3 Ti（ CN） 基金属陶瓷刀具材料

Ti （CN） 基金属陶瓷具有非常独特的性能组合。与硬质合金刀具材料相比，金属陶瓷可有效地用于高速切削加工，最佳切削速度可比硬质合金刀具高3～10 倍，并具有更高的耐磨性能，切削寿命是硬质合金的5～10倍，不仅已用于钢材的车削，而且也已用于钢和铸铁的铣削加工。

通过优化成分，改进制备技术，及纳米改性、纳米复合、超细晶粒材料的研究开发，使得Ti （CN）基金属陶瓷的综合性能有了很大提高。例如其硬度和抗弯强度与普通金属陶瓷相比均有明显提高，其抗崩刃性、耐磨性和使用寿命较普通金属陶瓷亦有较大幅度提高[12]。金属陶瓷作为刀具材料使用，具有非常大的发展潜力，完全可以在某些领域作为钨钴硬质合金的替代材料。

3.4 TiB2基复合陶瓷刀具材料

TiB2具有高硬度、较高的强度和断裂韧性，极好的化学稳定性以及优良的导热、导电、耐磨等性能，较强的抗月牙洼磨损和抗粘着能力。具有单相Fe-Cr-Ni 粘结剂或两相Fe-B-Fe-Cr-Ni粘结剂的TiB2基复合陶瓷刀具材料具有较好的硬度与断裂韧性组合，甚至比超细硬质合金的硬度更高，是一类极具发展前途的刀具材料。

其他新型陶瓷刀具材料如ZrO2基陶瓷，因具有较高的断裂韧性和较好的耐磨性能而受到人们的关注[13]；有研究认为Y2O3陶瓷可作为一类新型的陶瓷刀具材料使用[14]；我国生产的陶瓷-硬质合金刀具材料则具备了陶瓷和硬质合金的综合优势。

4、金属陶瓷刀具材料的制备方法

4.1 真空液相烧结法（常规制备方法）

真空液相烧结法是指粉料在真空条件下，在烧结过程中生成液相的一种烧结方法。简单流程如下：

称量粉料――球磨（酒精湿磨）―― 干燥――造粒――压制――真空烧结

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4.2 机械合金化方法

机械合金化是在一个常温下利用高效球磨过程完成的非平衡固态反应过程。主要经过称量粉料――高能球磨――固化几个过程。目前机械合金化方法在用于制备金属陶瓷刀具方面还不是很成熟，但是由于它是一种新的复相金属陶瓷制备方法，已经引起了广大材料工作者的关注。

4.3 放电等离子烧结（SPS）

放电等离子烧结是利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬间高温实现烧结的一种方法。流程如下：称量粉料――高温烧结[15]

4.4 热压烧结

热压烧结是一种压制成形和烧结同时进行的粉体材料成形工艺方法。流程如下：称量粉料――加热熔融――高温施压――烧结[16]

除上述方法之外，还有高温自蔓延合成法、微波烧结、等离子喷涂法等其它的制备方法。

5 结论

陶瓷刀具不仅具有高硬度、高耐磨性， 同时在高温下仍保持优良的力学性能， 是制造切削刀具的理想材料。同时陶瓷刀具能实现以车代磨、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。通过对陶瓷刀具材料组分、制备工艺与材料设计的研究，可在保持高硬度、高耐磨性和红硬性的基础上，极大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。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， 又将进一步推动新型陶瓷刀具材料的使用。

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作者简介：

伍换，1983年出生，女，族，广东阳江，应用化学助理工程师，学士学位，2007年毕业于中山大学化学与化学工程学院，毕业至今在阳江出入境检验检疫局综合实验室从事出入境食品接触材料（如陶瓷刀、不锈钢餐具、塑料餐具等）的检测工作。