1 氮化硅基陶瓷刀具

1. 單一Si₃N₄陶瓷刀具
   此類陶瓷刀具主要是以Mgo為添加劑的熱壓陶瓷。其硬度為9l～93HRA，耐磨性介于一般陶瓷和立方氮化硼之間，抗彎強度為0.7～0.85GPa，介于一般陶瓷和YT30之間，沖擊韌度相當于Y130，耐熱性可達1300℃～1400℃，具有良好的抗氧化性。此外，Si陶瓷有自潤滑性能，摩擦系數(shù)較小，抗粘接能力強，不易產(chǎn)生積屑瘤，且切削刃可磨得鋒利。能加工出良好的表面質(zhì)量，特別適合于車削易形成積屑瘤的工件材料，如鑄造硅鋁合金等。
2. 復合Si₃N₄陶瓷刀具
   由于Si₃N₄陶瓷以共價鍵結(jié)合，晶粒是長柱狀的，因此有較高的硬度、強度和斷裂韌性，同時它有較小的熱膨脹系數(shù)(=3×10-6/℃)，所以有較好的抗機械沖擊性和抗熱沖擊性。Si₃N₄刀具特別適合于鑄鐵、高溫合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬質(zhì)合金刀具高幾倍至十幾倍。在汽車發(fā)動機鑄鐵缸體等加工中應用越來越普遍。但是Si₃N₄陶瓷的硬度并不是特別高(HRA92.5)，在加工硬度較高的工件時，如冷硬鑄鐵(HS65-80)、高鉻鑄鐵(HS80-90)等，純Si₃N₄陶瓷刀具的耐用度是較低的。為改善其耐磨性。加人TiCN、TiCN+TiN作為硬質(zhì)彌散相，以提高刀具材料的硬度，同時保留較高的強度和斷裂韌性，稱為復合氮化硅陶瓷刀具。與單s3N4陶瓷刀具相比，復合氮化硅陶瓷刀具的抗氧化能力、化學穩(wěn)定性、抗蠕變能力和耐磨性都有了很大提高，且易于制造和燒結(jié)。是今后陶瓷刀具的重點發(fā)展方向。
3. Sialon陶瓷刀具
   目前許多國家競相開發(fā)一種新型Si基陶瓷刀具：賽隆(Sialon)刀具。賽隆刀具是英國LucasAyMon公司研制成功的一種單相陶瓷刀具，以Si₃N₄為硬質(zhì)相Al₂0₃為耐磨相，并添加少量助燒劑Y₂0₃，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成，有很高的強度和韌性(抗彎強度可達1200MPa，硬度達1800HV)，Sialon陶瓷刀具具有良好的抗熱沖擊性能，與Si₃N₄相比。Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化學穩(wěn)定性、抗蠕變能力與耐磨性能更高。耐熱溫度較高達1300℃以上，具有較好的抗塑性變形能力。其沖擊強度接近于涂層硬質(zhì)合金刀具，巳成功應用于鑄鐵和高溫合金等難加工材料的加工。目前國際上賽隆(Sialon)陶瓷材料的研究非常活躍，在改進制備工藝，進行復相、超細顆粒、自增韌刀具材料等的研制方面巳取得了較好的成果。
   與Si₃N₄相似，Sialon陶瓷也具有2種晶體結(jié)構(gòu)，a-Sialon為等軸晶具有較高的硬度和耐磨性能，b-Sialon為柱狀晶斷裂韌性和熱傳導能力相對較好，(a+b)-Sialon復相陶瓷刀具綜合了兩相優(yōu)點，切削性能更優(yōu)異，重載條件下其耐磨性能優(yōu)于單相陶瓷刀具目前有2種制備自增韌a#p#分頁標題#e#-Sialon陶瓷的方法：①通過控制成核過程的熱力學特點，在燒結(jié)體內(nèi)原位生長柱狀-Sialon晶粒以得到自增韌Sialon陶瓷；②采用燃燒合成工藝，制備單相柱狀-Sialon粉體，將此粉體按照適當比例添加到原料中制備自增韌-Sialon陶瓷。為降低燒結(jié)溫度，一般要加入各種燒結(jié)助劑。比較常用的燒結(jié)助劑有：Y₂O₃等氧化物和多種稀土元素，一般同時采用2種或2種以上的燒結(jié)助劑。
   Sialon陶瓷刀具適用于高速切削、強力切削、斷續(xù)切削；不僅適合于干切削，也適合于濕式切削Sialon陶瓷可成功地用于鑄鐵、鎳基合金、鈦基合金和硅鋁合金的加工，是高速加工鑄鐵和鎳基合金的理想刀具材料。由于它和鋼的化學親和性大，Sialon陶瓷刀具不適合加工鋼。
4. Si₃N₄晶須增韌陶瓷刀具
   晶須增韌陶瓷是在Si₃N₄基體中加入一定量的碳化物晶須而成，從而可提高陶瓷刀具的斷裂韌性。如我國北京方大高技術(shù)陶瓷有限公司生產(chǎn)的FD03刀片及湖南長沙工程陶瓷公司生產(chǎn)的SW21牌號均屬這一類。FD03刀片是在Si₃N₄陶瓷基體中加入了硬質(zhì)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。國外一些切削專家認為，用Si₃N₄基陶瓷切削鋼材效果不如Al2O3基復合陶瓷，故不推薦用其加工鋼材。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬鋼(60～68HRC)、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時具有較好的效果。

2 金屬陶瓷刀具

1. Ti(C.N)基金屬陶瓷刀具
   金屬陶瓷也叫硬質(zhì)合金或燒結(jié)碳化物，它是陶瓷-金屬復合材料以TiC為主要成分的合金，其硬度與耐熱性接近陶瓷而抗彎強度和斷裂韌性比陶瓷高，其中金屬碳化物是硬質(zhì)相，一般占80%以上；其余為鐵、鈷、鎳等金屬相。作為粘結(jié)劑。日本對金屬陶瓷特別青睞，如今，在日本的金屬切削領(lǐng)域中。金屬陶瓷刀片已占可轉(zhuǎn)位刀片總數(shù)的30%，迄今仍在擴大應用范圍。而美國卻只占5%，但有人預示美國制造業(yè)中已經(jīng)能看到大量應用金屬陶瓷的前景。
   金屬陶瓷硬度高，強度低，韌性低，因此不宜在有強烈沖擊和振動的情況下使用。金屬陶瓷的導熱性、耐熱性、抗粘結(jié)性和化學穩(wěn)定性比高速鋼好得多，因此。在刀具材料中獲得了廣泛應用。
   現(xiàn)在，金屬陶瓷的發(fā)展方向是超細晶粒化和對其進行表面涂層。超細晶粒金屬陶瓷可以提高切削速度，也可用來制造小尺寸刀具。以納米TiN占2%～15wt%改性的TiC或Ti(CN)基金屬陶瓷刀具，硬度高、耐磨性好，其熱穩(wěn)定性、導熱性、耐蝕性、抗氧化性及高溫硬度、高溫強度等都有明顯優(yōu)勢。與硬質(zhì)合金刀具相比，該刀具的耐用度和使用壽命提高1～50倍，切削速度提高1.5～3倍，成本與其相當或略高，而金屬切削加工費用下降20%-40%與普通Ti(C.N)基金屬陶瓷刀具相比，該刀具可靠性更高。
2. 涂層金屬陶瓷刀具
   涂層金屑陶瓷目前發(fā)展速度非常迅速。涂層分為硬涂層和軟涂層，前者主要是金屬碳氮化物，包括TiN、TiC、Ti(CN)、TiAIN、CrC、CrN等。其中TiN的工藝最成熟。應用最廣泛硬涂層主要是提高其硬度和耐磨性。一般可進行多層復合涂層。后者主要是MoS基涂層，可以降低摩擦系數(shù)。另外，軟硬涂層可以復合使用。
3. 納米TiN改性的TiC基金屬陶瓷刀具
   最近由美國學者開發(fā)的納米涂層刀具是利用納米技術(shù)的一種新刀具。這種涂層方法采用多種材料的不同組合(如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合、固體潤滑劑/金屬組合等)，以滿足不同的功能和性能要求。其中TiC/TiN復合涂層是典型涂層材料，它相對于在TiC基加入TiN硬質(zhì)合金而言，其抗彎強度得到進一步的提高，刀具的硬度和韌性顯著增加。又因其具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤滑性能，十分適合于于切削。但納米涂層的涂覆必須采用先進的工藝，如封閉場不平衡磁濺射法(CFUMS)它要求精確的參數(shù)控制和先進的設(shè)備等，必然造成刀具成本的大幅提高。同時受工藝和切削條件的影響，涂層的粘結(jié)強度可能不足，切削時涂層容易脫落。切削性能迅速降低或失效。 #p#分頁標題#e#
   納米金屬陶瓷刀具成分為：53TiC-10TIN(nm)-18Mo-18Ni-1C，TiN納米粉粒度為30nm-50nm。實驗表明，各力學性能的峰值分別對應一定的納米TiN的添加量。據(jù)合肥工業(yè)大學試驗，當添加量體積數(shù)6%-8%時。可獲得較優(yōu)的綜合物理力學性能。

3 陶瓷刀具材料的研究思路和展望

4 結(jié)語