1 引言隨著工業(yè)的發(fā)展，各種高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕的工程材料愈來愈多地被采用，目前難加工材料已占工程材料的40%以上。對難加工材料進(jìn)行切削加工，刀具的材料是關(guān)鍵因素之一，除了要具備普通刀具的基本性能外，還要具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、化學(xué)穩(wěn)定性及良好的高溫力學(xué)性能和高的可靠性。 陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、抗粘接性和高溫力學(xué)性能好等特性。近30年來，新型陶瓷刀具材料的研究進(jìn)展較快，陶瓷刀具的強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性能都有了大大提高。因此，在切削難加工材料的應(yīng)用中，受到了愈來愈多的關(guān)注。但每一種陶瓷刀具都有其特定的加工范圍，存在著陶瓷刀具和切削對象的合理匹配問題。作者根據(jù)自己的研究并參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，對適宜于陶瓷刀具加工的難加工材料的特性、切削性能及其與陶瓷刀具的匹配問題進(jìn)行綜述。2 陶瓷刀具類型及性能2.1 氧化鋁基陶瓷刀具氧化鋁陶瓷刀具：主要在上世紀(jì)50年代后期使用，材料中采用純al2o3陶瓷或al2o3為主且添加少量mgo、cr2o2、tio2、nio、sio2等的陶瓷刀具材料。該類刀具室溫硬度與高溫硬度都高于硬質(zhì)合金刀具，室溫與高溫抗壓強(qiáng)度都很好，能克服一般高速鋼刀具及硬質(zhì)合金刀具易變形及塌陷的缺點(diǎn)。雖然該類刀具室溫下的抗彎強(qiáng)度較低，但隨著使用中溫度的上升，其抗彎強(qiáng)度卻降低較少，所以氧化鋁陶瓷刀具zui適于高速切削硬而脆的金屬材料。 氧化鋁—碳化物復(fù)合陶瓷刀具：是60～70年代主要的陶瓷刀具，以al2o3為基加入tic、wc、tac、sic、cr3 c2、m02c等，其中以al2o3一tic復(fù)合陶瓷用得zui多。該陶瓷刀具的耐用度顯著提高，而熱裂紋深度較小，其抗彎強(qiáng)度、耐熱沖擊性等均優(yōu)于al2o3陶瓷刀具。另一類系在al2o3-tic中再添加少量的mo、ni、co、w、cr等金屬的陶瓷刀具，這類陶瓷刀具具有較高的聯(lián)接強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度和抗震性能明顯提高，具有較好的切削性能。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，si3n4-tic-co復(fù)合陶瓷性能好，具有很高的耐磨性、紅硬性、抗熱沖擊性和抗機(jī)構(gòu)沖擊性。實(shí)踐證明，加工冷硬鑄鐵軋輥，采用復(fù)合氮化硅陶瓷刀具比普通硬質(zhì)合金刀具切削速度快5倍，刀具壽命提高20～30倍，能在間斷切削工況下順利工作，這是硬質(zhì)合金刀具無法完成的；并且其韌性、抗彎強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)均高于al2o3基陶瓷，應(yīng)用較廣泛。2.3 sialon陶瓷刀具在80年代后期至90年代大量使用。sialon陶瓷是一種新型復(fù)合陶瓷（si3n4-al2o3-y2o3），具有很高的抗彎強(qiáng)度、硬度、耐熱震性和較高的熱硬度，韌性高于其它陶瓷，能在比熱壓陶瓷和涂層硬質(zhì)合金刀具更高的切削速度和負(fù)載下進(jìn)行切削。2.4 增韌補(bǔ)強(qiáng)的陶瓷刀具陶瓷刀具雖然具有耐高溫、耐磨損等優(yōu)良性能，但由于其強(qiáng)度、韌性的不足，限制了其優(yōu)良性能的發(fā)揮，為此，陶瓷刀具的強(qiáng)韌化便成為近年來研究的重點(diǎn)課題，晶須、顆粒強(qiáng)韌化陶瓷刀具應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)代陶瓷刀具材料大多數(shù)為復(fù)合陶瓷，目前國內(nèi)外廣泛使用的以及正在開發(fā)的陶瓷刀具材料基本上都是采取不同的強(qiáng)韌化機(jī)理來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其中以氧化鋁系和氮化硅系陶瓷刀具材料應(yīng)用。20世紀(jì)70年代投入使用的al2o3/tic熱壓陶瓷材料，強(qiáng)度、硬度和韌性均較高，仍是國內(nèi)外使用zui多的陶瓷刀具材料之一。此后在al2o3中添加tib、ti（c，n）、sic，、zro等的陶瓷刀具也相繼研制成功，其力學(xué)性能進(jìn)一步提高。3 陶瓷刀具與難加工材料的匹配難加工材料種類繁多，性質(zhì)迥異，選用陶瓷刀具切削難加工材料時(shí)，必須根據(jù)所加工的材料，依照刀具匹配原則，使刀具材料與被加工材料在力學(xué)、物理性能和化學(xué)性能等方面合理匹配。3.1 高強(qiáng)鋼的切削加工高強(qiáng)鋼因有很高的強(qiáng)度、硬度和很好的韌性、塑性，其切削特性主要是切削力大、切削溫度高、形成的切削熱較多，且導(dǎo)熱性較差，對刀具的磨料磨損、擴(kuò)散磨損及氧化磨損均較嚴(yán)重。因此，切削時(shí)要求刀具應(yīng)具有較高的紅硬性、耐磨性及沖擊韌度，而且不易產(chǎn)生粘接和擴(kuò)散磨損；粗加工和斷續(xù)切削時(shí)，要求刀具具有抗熱沖擊性能。 al2o3-tic系列陶瓷刀具具有較高的抗彎強(qiáng)度、抗沖擊性和耐磨性。對比用yw和at6加工35crmnsia（σb≥1650mpa，45～48hrc）鋼，發(fā)現(xiàn)at6的耐用度平均提高4倍以上；通常該系列陶瓷刀具的耐用度、加工效率、硬度和耐熱性高于硬質(zhì)合金刀具。目前用陶瓷刀具切削高強(qiáng)鋼時(shí)，主要用于半精加工和精加工。經(jīng)比較，切削高強(qiáng)鋼相匹配的陶瓷刀具主要為al2o3-tic系列陶瓷刀具，推薦at6、ag2、t8、lt35、lt55等。3.2 高錳鋼的切削加工高錳鋼具有鑄造性能好、價(jià)格低廉以及特優(yōu)的耐磨性等，其切削難度大，主要表現(xiàn)在加工硬化嚴(yán)重、導(dǎo)熱性差，切削溫度高、韌性大，伸長率大、切屑變形大、切削力大、刀具磨損嚴(yán)重。 高錳鋼的切削特性決定了切削高錳鋼的刀具材料應(yīng)具備紅硬性高、耐磨性好，有較高的強(qiáng)度、韌性和導(dǎo)熱系數(shù)。氮化硅基陶瓷刀具因具有良好的自潤滑能力和高斷裂韌度而有高的耐磨性、高的紅硬性，符合高錳鋼的切削特性要求，可較好地完成高錳鋼件的切削。例如某廠加工主動車輪，材料為zg55mn，調(diào)質(zhì)態(tài)，硬度為169～225hb，380mm內(nèi)孔公差僅為o.045mm，內(nèi)孔錐度要求o.014mm/455mm，表面粗糙度要求為ra=1.6µm。采用氮化硅陶瓷刀具，順利解決了問題。陶瓷刀具可以較高的切削速度來切削高錳鋼，半精加工、精加工高錳鋼件。匹配的陶瓷刀具主要為氮化硅基陶瓷刀具；另外，熱壓al2o3-tic亦適用于較高的切削速度切削高錳鋼件。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、強(qiáng)度高，因而，切削加工性很差，切削力大，極易引起振動；再者，導(dǎo)熱系數(shù)小，刀具易崩刃，磨損劇烈，刀具耐用度低。根據(jù)該類材料的切削特點(diǎn)，切削高硬度材料工件宜選用紅硬性高、耐沖擊、耐磨性好、抗彎強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)較大的刀具材料。 常規(guī)切削速度下可選用硬質(zhì)合金刀具；高速切削時(shí)，陶瓷刀具可以實(shí)現(xiàn)對該類材料的切削加工，如用sht。（al2o3-tic）車削高強(qiáng)度鑄鐵時(shí)，切削速度可達(dá)30～60m/min，而若用硬質(zhì)合金刀具在10～20m/min條件下切削，刀具耐用度還很低。 陶瓷刀具化學(xué)成分不同，切削淬硬鋼時(shí)效果不同，要求陶瓷刀具與淬硬鋼不應(yīng)有相同的化學(xué)成分或親和力強(qiáng)的元素，否則會加速陶瓷刀具的磨損。用含有sic的陶瓷刀具加工淬硬鋼時(shí)，sic很容易在切削高溫作用下與工件中的鐵產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。sic晶須與鐵反應(yīng)后使得晶須原有的硬度和耐磨性能降低，晶須與基體的結(jié)合強(qiáng)度削弱，從而使晶須的增韌作用減?。淮送?，在高溫下sic在鐵中的溶解度比tin和tic的溶解度高二個(gè)數(shù)量級。由于鐵與sic的化學(xué)反應(yīng)及相互溶解，使刀具材料中鐵元素含量增加，進(jìn)一步增大刀具與工件粘著傾向，因而對刀具的耐磨性能不利。因此，添加s．c的陶瓷刀具不適于加工鋼和鑄鐵。 切削冷硬鑄鐵，要求陶瓷刀具抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度高。si3n4基陶瓷刀具的斷裂韌度和抗熱震性高于al2o3基陶瓷刀具，適合于鑄鐵的高速切削。 近幾年國內(nèi)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，斷裂韌度大約提高30%；mc2高密度混合陶瓷，切削刃強(qiáng)度非常高，適宜加工淬硬鋼和冷硬鑄鐵；在si3n4表面上涂覆al2o3的陶瓷sp4，大大改善了耐磨性，經(jīng)對鑄鐵高速（400m/min）銑削比較，采用sp4刀具可比采用al2o3+tic（崩刃率45%）提率1.5倍，耐用度提高3～4倍，且崩刀率僅有5%；sialon陶瓷刀具有很高的抗沖擊性能和斷裂韌度，可用來切削淬硬鋼。3.4 高溫合金的切削加工高溫合金材料主要特性是導(dǎo)熱性差，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為45鋼的1/4，加上它們的塑性很大，其伸長率可達(dá)40%以上。高溫合金切削過程中加工硬化大，切削力較大；切削溫度高，影響刀具壽命；硬質(zhì)點(diǎn)多，磨損嚴(yán)重；塑性變形較大。若45號鋼的加工性為100%，則高溫合金的相對切削加工性僅為5%～20%，可以說高溫合金是zui難加工的材料。 根據(jù)高溫合金的切削加工特性，應(yīng)選用硬度高、耐磨性好、有足夠強(qiáng)度和韌性的刀具材料。硬質(zhì)合金中鈦、鈷粘刀嚴(yán)重，會使刀具發(fā)生嚴(yán)重粘結(jié)磨損，陶瓷刀具中sialon、si3n4基陶瓷刀具的抗粘接性、耐熱性及硬度高于硬質(zhì)合金，是切削高溫合金的*刀具材料。另外，含有sic顆?；騭ic晶須的刀具材料在加工鎳基合金時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能。3.5 熱噴焊（涂）材料的切削加熱噴焊（涂）材料多是多組元的高溫高強(qiáng)合金，經(jīng)高溫高速噴射后表層硬度可高達(dá)65～70hrc，具有高強(qiáng)度鋼、高溫合金與淬硬鋼的特點(diǎn)，難于切削加工。該類材料切削加工主要特點(diǎn)是切削溫度高；由于耐磨性幾乎比同等硬度鋼高出3～6倍，使得刀具磨損快、耐用度降低，切削時(shí)易產(chǎn)生振動。推薦使用的陶瓷材料有sg4、sg5、lt35、lt55等。4 結(jié)束語雖然陶瓷刀具因其豐富、經(jīng)濟(jì)的原材料資源和硬度高、耐磨性、抗粘接性和高溫力學(xué)性能好及化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特陛，已被愈來愈多地應(yīng)用于難加工材料的加工，且能夠較好地與難加工材料相匹配。但由于陶瓷刀具的強(qiáng)度低、韌性差，很大程度上限制了它在實(shí)際中的應(yīng)用。各種晶須、顆粒增韌技術(shù)及涂層刀具雖在一定程度上克服了上述矛盾，但硬度、耐磨性與強(qiáng)度、韌性難以兼顧仍是刀具材料應(yīng)用中的主要矛盾。研制出既具有高的強(qiáng)度和硬度，又具有好的韌性和耐磨性的刀具材料，是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。從目前的情況來看，新型金屬基納米陶瓷刀具材料的研制可能是一種很有前途的陶瓷刀具材料之一，加入納米增韌材料以后可以細(xì)化晶粒，有利于提高材料的強(qiáng)度、硬度，同時(shí)斷裂韌度也得到提高。它在難加工材料的加工及高速切削、干切削、硬切削等方面將有很廣闊的應(yīng)用前景。