一、前言

随着新技术革命的发展，要求不断提高切削加工生产率和降低生产成本，特别是数控机床的发展，要求开发比硬质合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。目前各种高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨和耐高温的难以切削的新材料日益增多。据文献估计，这类材料已占国际上加工总数的50%以上，硬质合金刀具对其中不少新材料的加工难以胜任。另一方面，现在国际上硬质合金产量已达20000～25000t，每年消耗大量的金属，如W、C_o、T_a和N_b等。这些金属的矿产资源正日益减少，价格上涨，按目前消耗速度，用不了几十年，有些资源将耗尽，陶瓷刀具就是在这样的背景下发展起来的。

其中作为第三代陶瓷刀具的氮化硅陶瓷刀具，是一种用硅粉作原料，经球磨、氮化后，再掺以少量的助烧结剂热压烧结成型的新型陶瓷刀具材料。

二、陶瓷刀具的发展历史

19世纪末以前，切削刀具都是用碳钢制造的，耐热性在200～250℃以下，切削速度很低，切削钢时仅为6～10m/min，切削铸铁时为3～5m/min。 其后，出现了合金工具钢、高速工具钢和硬质合金，刀具的耐热性达850～1000℃，切削速度可增高至600～800m/min以上。随着机械制造业的不断发展，硬质合金刀具的耐热性已日益满足不了切削速度不断增长的需要，于是人们把目光转向陶瓷刀具。

虽然早在1912～1913年，英国和德国己出现了氧化铝陶瓷刀具，但其在生产上的应用则始于1950年。由于其强度、韧性低，较长期内仅限于做连续切削精加工用，且切削速度和进给量都较低。直到1968年才出现第二代陶瓷刀具——复合氧化铝刀具，在强度和韧性上较之氧化铝刀具有了明显提高，可以在较高的速度和较大的进给量下切削各种工件，得到了较广泛的应用。

70年代末80年代初国际上出现了第三代陶瓷刀具——氮化硅陶瓷刀具，这类陶瓷刀具有比复合氧化铝刀具更高的韧性、抗冲击性、高退强度和抗热震性。我国自70年代中就开始研究氮化硅陶瓷刀具，随着对高温结构陶瓷领域研究的不断深入，使氮化硅陶瓷的性能有了很大提高，从而使氮化硅陶瓷刀具在我国迅速发展起来。

三、氮化硅陶瓷刀具

Si₃N₄陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，其硬度可达92.5HRA～94HRA，热硬性好，能承受1300～1400℃的高温，与碳和金属元素化学反应较小，摩擦系数也较低。这类刀具适合切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于较大进给量或断续切削。由于纯Si₃N₄ 陶瓷刀具在切削长切屑金属（如软钢）时极易产生月牙洼磨损，所以新一代Si₃N₄陶瓷刀具均为复合Si₃N₄陶瓷刀具。新开发的Si₃N₄陶瓷刀具不仅可用于粗加工，而且可用于断续切削和有冷却液的切削，例如日本京陶公司的KS6000牌号。目前Si₃N₄陶瓷刀具的崩刃率为2%～3%，与硬质合金相当，因此已可在生产线上应用。

1）Si₃N₄-TiC-C_o复合陶瓷刀具其韧性和抗弯强度高于Si₃N₄陶瓷，而硬度却不降低；热导率亦高于Si₃N₄陶瓷，故在生产中应用比较广泛。我国生产的牌号有FD02、SM、HDM1、N5等。

2）Si₃N₄晶须增韧陶瓷刀具通过在Si₃N₄基体中加入一定量的碳化物晶须，从而可提高陶瓷刀具的断裂韧性。我国北京紫光方大高技术陶瓷有限公司生产的FD03刀片以及湖南长沙工程陶瓷公司生产的SW21牌号等均属这一类。FD03刀片是在Si₃N₄陶瓷基体中加入了硬质弥散颗粒TiC，SW21刀片是在Si₃N₄中加入了一定量的SiC晶须，故有较好的使用性能。用FD02、FD03和SW21切削淬硬钢（60～68HRC）、高锰钢、高铬钢和轴承钢时也有较好的效果。

3）Si₃N₄-Al₂O₃-Y₂O₃复合陶瓷是以Si₃N₄为硬质相、Al₂O₃为耐磨相，并添加少量的助烧结剂Y₂O₃经热压烧结而成，常称赛隆（Sialon）。如美国生产的Sialon牌号KY3000，其成份为：77% Si₃N₄，13%Al₂O₃，10%Y₂O₃，硬度达1800HV，抗弯强度达1.2Gpa；美国 Greeleaf公司的Grem4B和瑞典Sandvik公司CC680刀片，以及我国生产的TP4、SC3等均是赛隆陶瓷。KY3000陶瓷刀片在高速下切削镍基高温合金时，其材料切除率是涂层硬质合金刀具的7倍。它能采用较大的进给量及切削速度高速加工铸铁和高温合金。

图1 美国 Greeleaf公司代表性的刀具产品

四、氮化硅陶瓷刀具的优点

1）硬度高，一般为93～94HRA，氮化硅的晶胞是由[Si-N₄]四面体单元所组成，Si位于四面体的中间Si-N之间是很强的共价键结合，类似于金刚石的[C-C₄]四面体单元,所以氮化硅Si₃N₄也具有较高的硬度和耐磨性。有关资料报导，气相沉积法制造的晶态Si₃N₄的显微硬度可达5000，它仅次于金刚石和立方氮化硼，但却远远高于碳化钨、碳化钛和氧化铝。所以Si₃N₄陶瓷刀具可具备比硬合金和氧化铝基陶瓷刀具更高的切削性能，可加工硬质合金难以加工或不能加工的高硬材料，如可以加工硬度高达65HRC的各类淬硬钢和硬化铸铁，免除退火加工所消耗的电力。其优良的耐磨性，不仅延长了刀具的切削寿命，而且还减少了加工中的换刀次数，从而保证切削工件时的小锥度和高精度，尤其在用数控机床进行高精密连续加工时，可减少对刀误差和因磨损引起的不可预测的误差，简化刀具误差补偿。

2）高强度，目前氮化硅陶瓷刀片的抗弯强度已达到750～1000Mpa，超过了高速钢，与普通硬质合金相当。

3）耐热性和抗高温氧化性特别好，即使在 1200～1450℃切削高温时仍能保持一定的硬度和强度进行长时间切削，因此允许采用远远高于硬质合金刀具的切削速度实现高速切削。其切削速度比硬质合金刀具提高3～10倍，因而能大幅度提高生产效率。实验证明，在众多的陶瓷材料中，Si₃N₄陶瓷具有最佳的耐热性 。

4）良好的断裂韧性，断裂韧性值是评价陶瓷刀片抗破损能力的重要指标之一，它与材料的组成、结构、工艺等因素有关。Si₃N₄系列陶瓷刀片的断裂韧性值优于其他系列陶瓷刀片（达 6～7MPam^1/2），接近某些牌号的硬质合金刀片，因而具有良好的抗冲击能力，尤其在进行铣、刨。镗削及其它断续切削时，更能显示其优越性

5）抗热震性强，陶瓷材料的抗热震性是指其在承受急剧温度变化时，评价其抗破损能力的重要指标。Si₃N₄系列陶瓷刀片的抗热震性能指标ΔT ，由于其强度高、热膨胀系数低而高达600～800℃，明显优于其它系列陶瓷刀片（300～400℃），因而在高强度断续零件的毛坯加工方面，显示出独特的优越性能。

6）陶瓷刀片切削时与金属摩擦力小，切屑不易粘拼在刀片上，不易产生积屑瘤，加上可以进行高速切削，所以在条件相同时，工件表面粗糙度比较低。

7）氮化硅陶瓷刀具的主要原料是自然界很丰富的氮和硅，用它代替硬质合金，可节约大量w、C_o、T_a和N_b等重要战略金属。

8）制造和磨削工艺比较简单，成本较低，Si₃N₄陶瓷的制造工艺比较简单，不需要高温高压合成设备。Si₃N₄陶瓷刀具可用人造金刚石砂轮磨削和金刚石研磨膏研磨。因此，这种刀片制造成本较低，便于推广使用。

图2 Si₃N₄陶瓷刀具

五、氮化硅陶瓷刀具切削用量的选择

氮化硅陶瓷刀具具有良好的耐磨性与耐热性，是一种切削性能优良的刀具，切削用量对刀具磨损的影响比硬质合金刀具小。合理地选择切削用量，可以提高生产率，保证加工质量。

1）切削速度v选择

氮化硅陶瓷刀具车削普通钢和铸铁时，大多数采用v=250～650m/min；车削淬硬钢时， v=80～220m/min。氮化硅陶瓷刀具在一定速度范围内进行高速干切削时， 随着切削温度的升高，加工材料的切削性能也随之改变，这样既可减少刀具的破损，又提高了生产效率，所以氮化硅陶瓷刀具应采用尽量高的切削速度。

2）进给量f的选择

进给量的合理选择是成功应用氮化硅陶瓷刀具的关键，选取时必须综合考虑工艺系统刚性、刀具强度和工件表面质量的要求。由于氮化硅陶瓷刀片的强度比硬质合金刀片略低，且进给量对刀具破损的影响比切削速度大，为防止或减少刀具的破损，进给量的选择应低一些，可从小到大在实践中逐步增加。粗车和半精车普通钢和铸铁时，进给量取f=0.2～0.7mm/r；精车取f=0.05～0.2mm/r。加工淬硬钢时随硬度不同而选取不同的进给量：一般半精车时， 进给量取f=0.15～0.35mm/r；精车时取f=0.05～0.15mm/r。

3）切削深度ap的选择

用氮化硅陶瓷刀具加工时，在机床功率和工艺系统刚性允许的情况下，为了提高生产效率，应尽可能选择较大的切削深度，一般粗加工普通钢和铸铁时，切削深度 a_p=3～6mm;半精加工时，a_p=1.5～3mm；精加工时取a_p<0.6mm；加工淬硬钢，一般半精加工时，切削深度 a_p=1.5～2.5mm；精加工时取a_p<0.4mm。当工艺系统刚性较差时，为了避免引起振动使刀片破损，应该相应地减小切削深度。< span="">

六、氮化硅陶瓷刀具几何参数的选择

刀具合理的几何参数是具有较高的生产率和刀具耐用度的基础上，保证加工出符合尺寸精度和表面质量要求的工件。目前陶瓷刀具的一些新品种在强度和韧性方面有了较大的提高，但毕竟陶瓷是脆性材料，为了充分发挥它的长处，应尽量使陶瓷刀具切削时工作在压应力区，并尽量减少振动，提高工艺系统的刚性。使陶瓷刀具具有较为理想切削性能的刀具几何参数为：前角γ₀=-8°～-5°，后角α₀=2°～8°，主偏角κ_r=15°～45°，刃倾角λ_s= -10°～0°，刀尖圆弧半径r_ε=0.6～0.9mm。

七、氮化硅陶瓷刀具的应用

高锰钢（含锰量为11%～18%的合金钢）是一种常用的耐磨钢，高锰钢的原始硬度和屈服强度虽然不高（与45相近），但其抗拉强度较高（约为45的2倍），塑性很大（约为45钢的4倍）, 韧性也特别强，锰钢是一种很难切削的材料。切削高锰钢时，通常存在如下问题：1）切削时，塑性变形大， 加工硬化严重，致使切削力很大，车削高锰钢时的切削力比车削 45钢时切削力增大约60%。2）切削力的增大使单位功率增大，单位时间内产生的热量多， 而高锰钢导热性能又差，致使切削区温度高，可达1000℃以上，最终导致刀具磨损严重，刀具寿命降低。3）高锰钢塑性大，切削时易形成积屑瘤和鳞刺，表面质量不易保证，且线膨胀系数大，在切削温度作用下，容易膨胀和变形。

氮化硅陶瓷刀具是一种新型复合陶瓷刀具，具有硬质合金刀具所无法比拟的特性。氮化硅陶瓷刀具硬度高，具有良好的耐磨性， 在加工高锰钢时，刀具耐用度是硬质合金刀具的 6倍。这一特性可避免在加工中途换刀，因而可避免加工表面出现接刀痕。氮化硅陶瓷刀具热硬性好，不仅在常温下硬度高，而且在1 200℃的高温下，硬度仍能保持 HRA80以上，抗弯强度变化也很小。而硬质合金刀具在这样的高温下，已完全丧失切削能力。氮化硅陶瓷刀具在高温下仍保持其硬度和强度这一特性，是加工高硬度钢、 高强度钢等难加工材料的极为重要的有利因素。氮化硅陶瓷刀具由非金属材料构成，化学惰性大，与被加工材料的金属亲合力小，所以具有良好的抗粘结性和抗氧化性，一般不发生扩散磨损。同时氮化硅陶瓷刀具摩擦系数低，切削过程中不易产生积屑瘤，能够改善被加工表面的粗糙度，提高工件的表面质量。

八、参考文献

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作者：望月之兔