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推动陶瓷刀具研究走上国际先进行列

陶瓷刀具研究包括陶瓷刀具材料和陶瓷刀具切削加工理论研究两方面。长期以来，研究开发陶瓷刀具材料的研究者不研究陶瓷刀具的切削加工理论及应用，而研究陶瓷刀具切削加工的研究者又不研究开发陶瓷刀具材料，两者脱节直接影响陶瓷刀具的发展和应用。我们多年来得到国家自然科学基金的资助，研究了陶瓷刀具材料切削加工基本理论和新型陶瓷刀具材料等有关课题。把二者紧密结合起来，建立陶瓷刀具研究新体系。 陶瓷刀具材料是未来发展的重要领域，将成为21世纪的最重要的刀具材料之一。目前国际上已发展有Al2O3基、Si3N4基和陶瓷涂层刀具近40个品种200个牌号的陶瓷刀具材料，推广应用日益广泛，而我国目前只有20多个品种，主要用于硬质合金无法加工的难加工材料、大型铸件和钢件等材料的切削加工，总产量还少于1%。因此陶瓷刀具的研究开发和应用与国外差距还相当大。本文主要介绍作者在国家自然科学基金资助下，既研究陶瓷刀具切削加工基本理论，又成功地开发出了多种新型陶瓷刀具材料，推动其走上国际先进行列所取得的新进展和成就。

1 陶瓷刀具研究的新进展

  • 陶瓷刀具破损理论的建立

  • 陶瓷刀具磨损特征和磨损机理

  • 建立陶瓷刀具可靠性评价新方法

    1. 陶瓷刀具破损类型和破损形态

陶瓷刀具断续切削时刀具损坏的主要形式是破损。刀具的破损有早期和后期两种，早期破损是切削刚开始或短时间切削后一般冲击次数为103次左右即发生的破损。这时前后刀面尚未产生明显的磨损，一般VB＜0.1mm。陶瓷刀具切削高硬度材料或断续切削时最常出现这种破损，其主要原因是机械冲击造成的应力超过了刀具材料许可的强度致使发生了脆性断裂。 陶瓷刀具后期破损是在加工一定时间之后，刀具材料因冲击、机械疲劳和热疲劳而引起的破损。早期和后期两种破损的形态均属于脆性断裂的特征。陶瓷刀具脆性破损的形态主要有崩刃、剥落、碎断和裂纹，陶瓷刀具的塑性破损较少。

  • 陶瓷刀具的破损规律和破损寿命 陶瓷刀具的破损是一种典型的随机现象，必须用概率论和数理统计方法来研究这种规律。大样本试验表明，陶瓷刀具断续车削时其破损规律服从威布尔分布，而端铣时则服从对数正态分布(或近似地为威布尔分布)。脆性大的陶瓷刀具断续切削时，很容易发生早期破损。因此，不可能按传统的泰勒公式决定陶瓷刀具断续切削时的磨损寿命与切削条件之间的函数关系，而应按刀具破损分布规律决定破损寿命与切削条件的关系。根据试验数据由数理统计法估计威布尔或对数正态参数的均值，以评定陶瓷刀具破损寿命。在不同切削条件下进行试验就可得到破损寿命与切削条件的关系。
  • 陶瓷刀具的断裂力学随机特性破损判据的建立 陶瓷刀具的后期破损主要原因是在冲击循环载荷作用下其内部存在的裂纹或类裂纹失稳。由于陶瓷刀具内裂纹及其它缺陷分布的随机性及切削过程的复杂性，其破损又具有随机特性。因此，以断裂力学和概率统计学为基础建立陶瓷刀具后期破损判据更符合实际。根据断裂力学的材料破损条件和裂纹扩展速率，以及陶瓷刀具材料抗弯强度和裂纹的随机分布特性，可以建立陶瓷刀具不同破损寿命下的理论破损概率。深入进行了SiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具的磨损特征和磨损机理的研究。研究表明，SiCW的取向对该陶瓷刀具的耐磨性能有显著的影响。SiCW平行热压轴方向的平面耐磨性能优于垂直于热压轴方向的平面。磨损过程中SiCW有氧化现象，它加速了磨损。平行热压轴方向的平面受氧化影响作用较小，但垂直热压方向的平面的断裂韧性比平行热压轴方向的平面大。摩擦表面主要是晶粒的塑性变形、机械摩擦犁沟以及SiCW的氧化脱落造成的表面缺陷引起基体晶粒的断裂的脆性破损造成磨损。测试分析表明，Al2O3基体在热压过程中有晶体择优取向现象，Al2O3晶体的密排面有多数朝向试件热压面的趋势，因此，性能低于与其垂直的表面。 研究结果表明，可以用KIC?·H?(H为陶瓷刀具的硬度)和切削温度来评价陶瓷刀具的前后刀面的耐磨损性能，即在相同的温度下，此值越小，耐磨性能越高。陶瓷刀具的可靠性是实际应用中的一个关键问题。刀具的可靠性既有一定的数量特性又有随机性的特点。通常用可靠度作为刀具可靠性的一个评价指标。所谓刀具可靠度指的是刀具在规定的条件下规定的时间内完成确定的切削工作的概率，即刀具不损坏的概率，常用R(t)来表示。刀具损坏的主要原因是磨损和破损且两者相互影响。 大量试验结果表明，对于一定的陶瓷刀具材料其磨损寿命变异系数CS(样本刀具磨损寿命的方差与其均值之比值)几乎为一定值。因此，可以用CS来评价其磨损可靠性。 对于一定的陶瓷刀具材料可以利用其抗弯强度威布尔分布的形状参数m来评价该陶瓷刀具的实际切削条件下的破损可靠度。对于晶须增韧陶瓷刀具可以用KIC、sb和H评价其破损可靠度。但是由于界面结合强度和材料的微观结构组织具有更紧密直接的关系，所以用界面结合强度作为评价陶瓷刀具破损可靠度的指标，可以达到预报刀具破损可靠度和对刀具材料进行质量控制的目的。按晶须增韧陶瓷刀具材料的增韧机理可推导出界面结合强度公式。

    • 2 建立陶瓷刀具研究新体系，加速开发新型陶瓷刀具

  • 建立陶瓷刀具研究新体系，走上国际先进行列

  • 加速先进陶瓷刀具的开发

  • 努力做好成果转化，取得实际效益陶瓷刀具最突出的问题是要具有优异的切削性能，即具有高的抗磨损和抗破损性能，要具有高的可靠性。它与材料的成分、制造工艺、微观结构及其物理机械性能密切相关。我们研究了陶瓷刀具材料微观结构、力学性能等对其切削性能及其切削可靠性的影响，证实了这一点。因此可以建立以高的切削可靠性为目标的、融合陶瓷刀具切削加工与刀具材料开发于一体的陶瓷刀具研究新体系(见图1)，根据切削可靠性优化设计陶瓷刀具材料。


    图1 陶瓷刀具研究新体系

    根据上述思路，10多年来，基于切削可靠性，我们深入开发了6个品种系列、12个牌号的新型陶瓷刀具材料。80年代初研制成功了LT-55与SG-4(LT系列)陶瓷刀具材料，80年代末研究成功SiC晶须(SiCw)增韧氧化铝基陶瓷刀具材料(JX系列)，首先优化了SiCw含量，根据热胀失配原理分析了其中的SiCw最佳匹配，应以保证载荷通过界面有效地传给晶须，并使界面先于基体脆性断裂为原则。 90年代中研究成功添加硼化钛TiB2增强氧化铝基陶瓷刀具材料(LP系列)。以径向残余应力产生不贯穿的裂纹为条件，得出在Al2O3/TiB2材料中，TiB2的体积分数为44.5%(极限量)。在此基础上，又深入研究了晶须增韧和颗粒补强机理的协同作用。根据能量耗散理论，建立了晶须桥接、拔出与裂纹偏转增韧理论模型和颗粒裂纹偏转以及微裂纹区的理论模型。以此为基础，分别研究了在Al2O3/TiB2加入SiCw和在Al2O3/SiCw中加入SiCp颗粒各自构成新的三相陶瓷刀具材料。随着增韧补强机理研究的深入，我们又研究了添加特殊粉末以形成极微细裂纹达到增韧陶瓷刀具材料的目的，以及某些稀土元素在复相陶瓷中可以清洁表面、提高界面结合强度、活化烧结与质点强化等作用机制而改善复相陶瓷刀具材料的力学性能的机理，研制成功了添加某些特殊粉末和稀土的LD系列陶瓷刀具材料。 陶瓷刀具材料的热导率和抗拉强度较低，如果按导热性能和应力分布设计陶瓷刀具材料的组分分布，使其表层具有最大导热系数，有利于切削热的迅速传出，同时表层具有最小的热膨胀系数，以使材料热压过程中形成压应力来抵消切削过程的拉应力，也就是设计材料的组分，形成梯度分布。根据这种构思，最近开发出一种全新的梯度功能陶瓷刀具材料(FG系列)，经生产验证表明，其切削性能比非梯度分布的陶瓷刀具优越得多。 陶瓷刀具的最大弱点是抗弯强度仍然较低。如果采用复合刀片形式，选用高硬度的Al2O3基的复相陶瓷材料为耐磨相，配合应用高强度、高弹性模量的硬质合金作为基体材料，通过热压制成陶瓷/硬质合金复合刀片(FH1-1和FH1-2)。其中FH1-1为单面陶瓷，FH1-2为双面陶瓷，中间为硬质合金，两者的等效抗弯强度比同类陶瓷刀片平均提高20%，断裂韧性平均提高8.5%。生产试用结果表明，刀具寿命提高20%～30%，而抗破损能力提高更大。现在我们已开发出的新型陶瓷刀具的性能和用途见表1。这些刀具材料不仅填补了国内空白，其中JX-2、LP-2、LD-1和FG与FH等国外也未见报道。

    表1 新型陶瓷刀具材料的物理机械性能
    牌号 密度
    (g/cm3)    		 硬度
    (HRA)    		 抗弯强度
    (MPa)    		 断裂韧性
    (Mpa·m?)    		 用途
    SG-4 6.65 94.7～95.3 850 4.94 加工各种钢和铸铁，特别适于加工淬硬钢(HRC60～65)
    JX-1 3.63 94～95 700～800 8.5 适于加工高温镍基合金
    JX-2 3.73 93～94 650～750 8.0～8.5 最适合于加工纯镍和高镍合金
    LP-1 4.08 94～95 800～900 5.2 适于加工各种钢和铸铁
    LP-2 3.94 94～95 700～800 7～8 适于加工镍基高温合金
    LD-1 4.95 93～94 ＞750 5.8～6.6 适于断续切削各种钢和铸铁
    LD-2 6.51 93.5～94.5 700～860 5.8～6.5 适于断续切削各种钢和铸铁
    FG-1 4.46 94～95 700～800 9.0 适于加工超高强钢和高硬铸铁
    FG-2 6.08 94.7～95.3 700～800 8.4 特别适于加工淬硬钢
    FH1-1 复合 94～95 800～1000 5.3～5.8 加工淬硬钢
    FH1-2 刀片 94～95 800～1000 5.3～5.8 适于断续切削钢和铸铁(包括淬硬钢)

    应用基础研究绝不能停留在论文发表上，应该努力转化为新的技术和产品。在完成基金资助项目后，我们又争取到国家自然科学基金、山东省有关部门及工厂的支持，批量试制和试验，并送工厂使用考验和验证，继续完善和提高，同时扩大影响，争取用户。6个品种系列12个牌号的陶瓷刀具均有产品供货，其中JX-2加工某火箭的电铸纯镍件，刀具寿命很长，被工人誉为“神刀”。LT系列的SG-4、FG系列的FG-2与FH1系列陶瓷刀具为国内目前加工淬硬钢(HRC60～65)最好的陶瓷刀具。

 

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