陶瓷刀具材料的发展趋势

陶瓷刀具材料的发展趋势

作者：杨晴 杨琳琳 杨凌霄 来源：《卷宗》2015年第04期

摘 要：在各类加工方法中，机械加工中的切削加工和磨削加工在机械制造过程中所占比重最大，用途最广。随着加工业的发展，难加工材料的使用日益增多，对加工效率和加工质量的要求不断提高，与之联系密切的刀具材料的改进，性能的提高，新型刀具材料的研制一直没有间断，且越来越受到重视。 关键词：陶瓷；刀具；微纳米

刀具在工作时，要承受很大的压力，并与工件作用时因金属塑性变形，接触表面产生强烈摩擦，为了使刀具在高温高压下，仍具有一定的切削性能和使用寿命，刀具材料应具有一般材料所不具备的一些基本性质。 1.高的硬度和耐磨性 2.足够的强度和韧性 3.高的耐热性

4.良好的热物理性质和耐热冲击性能 5.良好的工艺性能 6.经济性

常用的刀具材料有碳素工具钢，合金工具钢，高速钢，硬质合金，陶瓷，金刚石，立方碳化硼等，目前刀具材料中用的最多的是高速钢和硬质合金。伴随着科学技术的进步，机械加工技术正朝着高效率，高精度的方向发展，许多新工艺，新技术得到了开发和应用。高速切削加工既能减少切削力，又能产生带状切屑，提高加工质量，对提高生产效率和降低成本有着重要的作用，是值得推广的先进加工技术。然而，高速切削时，刀具和工件之间将会出现剧烈碰触，且相互挤压的强场应力很大，切削温度急剧增高，切屑流速很快，主轴振动较大，要求材料具有高强度，高硬度，高耐磨性，高耐热性和高抗热震性等更为严苛的条件，一些新型刀具材料对于高速切削有着更大的优势。其中的陶瓷材料的高硬度，高强度，高抗热震性，高抗氧化性和低的摩擦系数使其在高速切削中具有很大的优势。 1 微纳米复合陶瓷刀具材料

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陶瓷材料的塑性和韧性较差，但是目前Si3N4基陶瓷刀具材料研究的增韧补强方法，使新Si3N4基复合陶瓷刀具材料广泛应用于实际加工场合。多年来各国学者分别提出多种增韧补强机理，如颗粒弥散增韧，晶须增韧，相变增韧，协同增韧以及其他特殊工艺技术。颗粒弥散增韧是目前应用最广，最为成功的工艺，该工艺是在基体中加入高弹性模量的增强相颗粒，吸收部分断裂能，但是断裂韧性增强不明显。晶须增韧是利用基体材料中添加的晶须晶粒，在切削时产生的晶粒拔出，裂纹偏转等增韧机制，使其具有优良的高温性能。晶须增韧陶瓷韧性较高，为其他类型陶瓷刀具材料的两倍左右，主要Al2O3/SiCw等。相变增韧是利的马氏体相引起的应力诱导的相变增韧和微裂纹增韧，断裂韧性增韧幅度大，但强度降低，高温下增韧效果差。相变增韧的相变产生体积膨胀，当主裂纹进入微裂纹作用区后，诱发一系列小裂纹，产生新的断裂表面，从而吸收主裂纹扩展的能量。协同增韧主要集中在晶须增韧和相变增韧的协同及晶须增韧与颗粒增韧的协同等方面，使陶瓷具有优良的综合性能。

新Si3N4基微纳米复合陶瓷刀具是在Si3N4陶瓷基体中加入碳化钛，碳氮化钛—氮化钛等纳米级颗粒作为第二增强相，硬度提高很多，强度和断裂韧度仍保持较高的水平。 1）自润滑陶瓷刀具材料

自润滑陶瓷刀具材料可以减小高速切削中的磨损，对切削过程有着积极的影响。目前，陶瓷刀具实现自润滑功能有三种方式： 2）原位反应

陶瓷刀具在高速切削时的摩擦热引起刀具材料的化学反应，在其表面原位生成具有润滑作用的反应膜，进行实现陶瓷刀具的自润滑，该方法仅在较高的切削温度下有效。 3）对刀具表面进行涂覆润滑涂层

对陶瓷刀具进行自润滑涂层或表面离子注入，形成具有自润滑功能的表面。该方法对刀具的锋利性和抗剥落性影响较大。 2 添加固体润滑剂

将固体润滑剂加入陶瓷刀具基体材料中烧结，制成自润滑陶瓷刀具材料，具有较宽的工作温度和较高的稳定性。 3 梯度功能陶瓷刀具材料

梯度功能陶瓷刀具材料可以看作是涂层陶瓷材料的一种，更可视为是涂层基体梯度化研究的延伸。功能梯度材料（FGM）最初用于金属和陶瓷材料组合中，用连续变化的组分梯度来代替突变界面，起到缓和热应力功能，提高抗弯强度和断裂韧性。

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4 添加稀土元素的陶瓷刀具材料

目前，已研制出一种稀土补Al2O3/（W，Ti）C新型陶瓷刀具材料。稀土元素的添加能以净化界面，提高界面结合强度以及纳米质点强化的作用机制显著提Al2O3/（W，Ti）C陶瓷刀具材料的抗弯强度和断裂韧度。

通过对一些新型刀具材料的分析和探讨，可以为发现更多新型加工方法和刀具材料提供基础。除了陶瓷材料，还有立方碳化硼，硬质合金等材料可以利用上述原理制成新型刀具材料，另外，上述原理也可以交叉利用，例如制成梯度自润滑陶瓷刀具材料等。新型刀具材料的前景十分广阔，研究还在进行，我相信会有越来越多的新型刀具材料出现，带来加工产业的重大革新！ 参考文献

[1]陈日曜等.金属切削原理（第二版）北京：机械工业出版社，2002，1.

[2]吴光永.梯度自润滑陶瓷刀具材料的研制及其减摩耐磨机理研究.山东轻工业院，2012. [3]丁明峰.新型基微纳米复合陶瓷刀具材料制备与切削性能的研究.山东建筑大学，2013. [4]许崇海，李兆前，黄传真，邓建新，艾兴.稀土增韧补强复相陶瓷刀具材料的研究.机械工程学报，2000. 作者简介

杨晴（1995—），女，汉族，河南省驻马店市人，单位：郑州大学机械工程与自动化专业。

杨琳琳（1992-），女，汉族，河南省南阳市人。单位：郑州大学机械工程及自动化专业。

杨凌霄（1993—），男，汉族，浙江省宁海县人，单位：郑州大学机械工程与自动化专业。