一、前言

隨著新技術革命的發展，要求不斷提高切削加工生產率和降低生產成本，特別是數控機床的發展，要求開發比硬質合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。目前各種高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨和耐高溫的難以切削的新材料日益增多。據文獻估計，這類材料已占國際上加工總數的50%以上，硬質合金刀具對其中不少新材料的加工難以勝任。另一方面，現在國際上硬質合金產量已達20000～25000t，每年消耗大量的金屬，如W、C_o、T_a和N_b等。這些金屬的礦產資源正日益減少，價格上漲，按目前消耗速度，用不了幾十年，有些資源將耗盡，陶瓷刀具就是在這樣的背景下發展起來的。

其中作為第三代陶瓷刀具的氮化硅陶瓷刀具，是一種用硅粉作原料，經球磨、氮化后，再摻以少量的助燒結劑熱壓燒結成型的新型陶瓷刀具材料。

二、陶瓷刀具的發展歷史

19世紀末以前，切削刀具都是用碳鋼制造的，耐熱性在200～250℃以下，切削速度很低，切削鋼時僅為6～10m/min，切削鑄鐵時為3～5m/min。 其后，出現了合金工具鋼、高速工具鋼和硬質合金，刀具的耐熱性達850～1000℃，切削速度可增高至600～800m/min以上。隨著機械制造業的不斷發展，硬質合金刀具的耐熱性已日益滿足不了切削速度不斷增長的需要，于是人們把目光轉向陶瓷刀具。

雖然早在1912～1913年，英國和德國己出現了氧化鋁陶瓷刀具，但其在生產上的應用則始于1950年。由于其強度、韌性低，較長期內僅限于做連續切削精加工用，且切削速度和進給量都較低。直到1968年才出現第二代陶瓷刀具——復合氧化鋁刀具，在強度和韌性上較之氧化鋁刀具有了明顯提高，可以在較高的速度和較大的進給量下切削各種工件，得到了較廣泛的應用。

70年代末80年代初國際上出現了第三代陶瓷刀具——氮化硅陶瓷刀具，這類陶瓷刀具有比復合氧化鋁刀具更高的韌性、抗沖擊性、高退強度和抗熱震性。我國自70年代中就開始研究氮化硅陶瓷刀具，隨著對高溫結構陶瓷領域研究的不斷深入，使氮化硅陶瓷的性能有了很大提高，從而使氮化硅陶瓷刀具在我國迅速發展起來。

三、氮化硅陶瓷刀具

Si₃N₄陶瓷是一種非氧化物工程陶瓷，其硬度可達92.5HRA～94HRA，熱硬性好，能承受1300～1400℃的高溫，與碳和金屬元素化學反應較小，摩擦系數也較低。這類刀具適合切削鑄鐵、高溫合金和鎳基合金等材料，尤其適用于較大進給量或斷續切削。由于純Si₃N₄ 陶瓷刀具在切削長切屑金屬（如軟鋼）時極易產生月牙洼磨損，所以新一代Si₃N₄陶瓷刀具均為復合Si₃N₄陶瓷刀具。新開發的Si₃N₄陶瓷刀具不僅可用于粗加工，而且可用于斷續切削和有冷卻液的切削，例如日本京陶公司的KS6000牌號。目前Si₃N₄陶瓷刀具的崩刃率為2%～3%，與硬質合金相當，因此已可在生產線上應用。

1）Si₃N₄-TiC-C_o復合陶瓷刀具其韌性和抗彎強度高于Si₃N₄陶瓷，而硬度卻不降低；熱導率亦高于Si₃N₄陶瓷，故在生產中應用比較廣泛。我國生產的牌號有FD02、SM、HDM1、N5等。

2）Si₃N₄晶須增韌陶瓷刀具通過在Si₃N₄基體中加入一定量的碳化物晶須，從而可提高陶瓷刀具的斷裂韌性。我國北京紫光方大高技術陶瓷有限公司生產的FD03刀片以及湖南長沙工程陶瓷公司生產的SW21牌號等均屬這一類。FD03刀片是在Si₃N₄陶瓷基體中加入了硬質彌散顆粒TiC，SW21刀片是在Si₃N₄中加入了一定量的SiC晶須，故有較好的使用性能。用FD02、FD03和SW21切削淬硬鋼（60～68HRC）、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時也有較好的效果。

3）Si₃N₄-Al₂O₃-Y₂O₃復合陶瓷是以Si₃N₄為硬質相、Al₂O₃為耐磨相，并添加少量的助燒結劑Y₂O₃經熱壓燒結而成，常稱賽隆（Sialon）。如美國生產的Sialon牌號KY3000，其成份為：77% Si₃N₄，13%Al₂O₃，10%Y₂O₃，硬度達1800HV，抗彎強度達1.2Gpa；美國 Greeleaf公司的Grem4B和瑞典Sandvik公司CC680刀片，以及我國生產的TP4、SC3等均是賽隆陶瓷。KY3000陶瓷刀片在高速下切削鎳基高溫合金時，其材料切除率是涂層硬質合金刀具的7倍。它能采用較大的進給量及切削速度高速加工鑄鐵和高溫合金。

圖1 美國 Greeleaf公司代表性的刀具產品

四、氮化硅陶瓷刀具的優點

1）硬度高，一般為93～94HRA，氮化硅的晶胞是由[Si-N₄]四面體單元所組成，Si位于四面體的中間Si-N之間是很強的共價鍵結合，類似于金剛石的[C-C₄]四面體單元,所以氮化硅Si₃N₄也具有較高的硬度和耐磨性。有關資料報導，氣相沉積法制造的晶態Si₃N₄的顯微硬度可達5000，它僅次于金剛石和立方氮化硼，但卻遠遠高于碳化鎢、碳化鈦和氧化鋁。所以Si₃N₄陶瓷刀具可具備比硬合金和氧化鋁基陶瓷刀具更高的切削性能，可加工硬質合金難以加工或不能加工的高硬材料，如可以加工硬度高達65HRC的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵，免除退火加工所消耗的電力。其優良的耐磨性，不僅延長了刀具的切削壽命，而且還減少了加工中的換刀次數，從而保證切削工件時的小錐度和高精度，尤其在用數控機床進行高精密連續加工時，可減少對刀誤差和因磨損引起的不可預測的誤差，簡化刀具誤差補償。

2）高強度，目前氮化硅陶瓷刀片的抗彎強度已達到750～1000Mpa，超過了高速鋼，與普通硬質合金相當。

3）耐熱性和抗高溫氧化性特別好，即使在 1200～1450℃切削高溫時仍能保持一定的硬度和強度進行長時間切削，因此允許采用遠遠高于硬質合金刀具的切削速度實現高速切削。其切削速度比硬質合金刀具提高3～10倍，因而能大幅度提高生產效率。實驗證明，在眾多的陶瓷材料中，Si₃N₄陶瓷具有最佳的耐熱性 。

4）良好的斷裂韌性，斷裂韌性值是評價陶瓷刀片抗破損能力的重要指標之一，它與材料的組成、結構、工藝等因素有關。Si₃N₄系列陶瓷刀片的斷裂韌性值優于其他系列陶瓷刀片（達 6～7MPam^1/2），接近某些牌號的硬質合金刀片，因而具有良好的抗沖擊能力，尤其在進行銑、刨。鏜削及其它斷續切削時，更能顯示其優越性

5）抗熱震性強，陶瓷材料的抗熱震性是指其在承受急劇溫度變化時，評價其抗破損能力的重要指標。Si₃N₄系列陶瓷刀片的抗熱震性能指標ΔT ，由于其強度高、熱膨脹系數低而高達600～800℃，明顯優于其它系列陶瓷刀片（300～400℃），因而在高強度斷續零件的毛坯加工方面，顯示出獨特的優越性能。

6）陶瓷刀片切削時與金屬摩擦力小，切屑不易粘拼在刀片上，不易產生積屑瘤，加上可以進行高速切削，所以在條件相同時，工件表面粗糙度比較低。

7）氮化硅陶瓷刀具的主要原料是自然界很豐富的氮和硅，用它代替硬質合金，可節約大量w、C_o、T_a和N_b等重要戰略金屬。

8）制造和磨削工藝比較簡單，成本較低，Si₃N₄陶瓷的制造工藝比較簡單，不需要高溫高壓合成設備。Si₃N₄陶瓷刀具可用人造金剛石砂輪磨削和金剛石研磨膏研磨。因此，這種刀片制造成本較低，便于推廣使用。

圖2 Si₃N₄陶瓷刀具

五、氮化硅陶瓷刀具切削用量的選擇

氮化硅陶瓷刀具具有良好的耐磨性與耐熱性，是一種切削性能優良的刀具，切削用量對刀具磨損的影響比硬質合金刀具小。合理地選擇切削用量，可以提高生產率，保證加工質量。

1）切削速度v選擇

氮化硅陶瓷刀具車削普通鋼和鑄鐵時，大多數采用v=250～650m/min；車削淬硬鋼時， v=80～220m/min。氮化硅陶瓷刀具在一定速度范圍內進行高速干切削時， 隨著切削溫度的升高，加工材料的切削性能也隨之改變，這樣既可減少刀具的破損，又提高了生產效率，所以氮化硅陶瓷刀具應采用盡量高的切削速度。

2）進給量f的選擇

進給量的合理選擇是成功應用氮化硅陶瓷刀具的關鍵，選取時必須綜合考慮工藝系統剛性、刀具強度和工件表面質量的要求。由于氮化硅陶瓷刀片的強度比硬質合金刀片略低，且進給量對刀具破損的影響比切削速度大，為防止或減少刀具的破損，進給量的選擇應低一些，可從小到大在實踐中逐步增加。粗車和半精車普通鋼和鑄鐵時，進給量取f=0.2～0.7mm/r；精車取f=0.05～0.2mm/r。加工淬硬鋼時隨硬度不同而選取不同的進給量：一般半精車時， 進給量取f=0.15～0.35mm/r；精車時取f=0.05～0.15mm/r。

3）切削深度ap的選擇

用氮化硅陶瓷刀具加工時，在機床功率和工藝系統剛性允許的情況下，為了提高生產效率，應盡可能選擇較大的切削深度，一般粗加工普通鋼和鑄鐵時，切削深度 a_p=3～6mm;半精加工時，a_p=1.5～3mm；精加工時取a_p<0.6mm；加工淬硬鋼，一般半精加工時，切削深度 a_p=1.5～2.5mm；精加工時取a_p<0.4mm。當工藝系統剛性較差時，為了避免引起振動使刀片破損，應該相應地減小切削深度。< span="">

六、氮化硅陶瓷刀具幾何參數的選擇

刀具合理的幾何參數是具有較高的生產率和刀具耐用度的基礎上，保證加工出符合尺寸精度和表面質量要求的工件。目前陶瓷刀具的一些新品種在強度和韌性方面有了較大的提高，但畢竟陶瓷是脆性材料，為了充分發揮它的長處，應盡量使陶瓷刀具切削時工作在壓應力區，并盡量減少振動，提高工藝系統的剛性。使陶瓷刀具具有較為理想切削性能的刀具幾何參數為：前角γ₀=-8°～-5°，后角α₀=2°～8°，主偏角κ_r=15°～45°，刃傾角λ_s= -10°～0°，刀尖圓弧半徑r_ε=0.6～0.9mm。

七、氮化硅陶瓷刀具的應用

高錳鋼（含錳量為11%～18%的合金鋼）是一種常用的耐磨鋼，高錳鋼的原始硬度和屈服強度雖然不高（與45相近），但其抗拉強度較高（約為45的2倍），塑性很大（約為45鋼的4倍）, 韌性也特別強，錳鋼是一種很難切削的材料。切削高錳鋼時，通常存在如下問題：1）切削時，塑性變形大， 加工硬化嚴重，致使切削力很大，車削高錳鋼時的切削力比車削 45鋼時切削力增大約60%。2）切削力的增大使單位功率增大，單位時間內產生的熱量多， 而高錳鋼導熱性能又差，致使切削區溫度高，可達1000℃以上，最終導致刀具磨損嚴重，刀具壽命降低。3）高錳鋼塑性大，切削時易形成積屑瘤和鱗刺，表面質量不易保證，且線膨脹系數大，在切削溫度作用下，容易膨脹和變形。

氮化硅陶瓷刀具是一種新型復合陶瓷刀具，具有硬質合金刀具所無法比擬的特性。氮化硅陶瓷刀具硬度高，具有良好的耐磨性， 在加工高錳鋼時，刀具耐用度是硬質合金刀具的 6倍。這一特性可避免在加工中途換刀，因而可避免加工表面出現接刀痕。氮化硅陶瓷刀具熱硬性好，不僅在常溫下硬度高，而且在1 200℃的高溫下，硬度仍能保持 HRA80以上，抗彎強度變化也很小。而硬質合金刀具在這樣的高溫下，已完全喪失切削能力。氮化硅陶瓷刀具在高溫下仍保持其硬度和強度這一特性，是加工高硬度鋼、 高強度鋼等難加工材料的極為重要的有利因素。氮化硅陶瓷刀具由非金屬材料構成，化學惰性大，與被加工材料的金屬親合力小，所以具有良好的抗粘結性和抗氧化性，一般不發生擴散磨損。同時氮化硅陶瓷刀具摩擦系數低，切削過程中不易產生積屑瘤，能夠改善被加工表面的粗糙度，提高工件的表面質量。

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作者：望月之兔