1．引言
陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于難加工材料切削、超高速切削、高速干切削和硬切削等。陶瓷刀具的最佳切削速度比硬質(zhì)合金刀具高3～10倍，可大幅度提高切削加工生產(chǎn)率。近三十年來，由于在陶瓷刀具制造工藝中實(shí)現(xiàn)了對(duì)原料純度和晶粒尺寸的有效控制，開發(fā)了各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶須或少量金屬的添加技術(shù)，以及采用多種增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制等，使陶瓷刀具的強(qiáng)度、韌性、抗沖擊性能等都有了較大提高。但陶瓷刀具并不是萬能的。陶瓷刀具在切削加工過程中要承受高溫、高壓作用，不可避免地要受到不同程度的磨損或破損。已有的研究表明，每一種陶瓷刀具都有其特定的加工范圍，不同的陶瓷刀具（或同種陶瓷刀具）在加工不同工件材料時(shí)其磨損形態(tài)和刀具壽命會(huì)有很大不同，因此存在陶瓷刀具與切削對(duì)象的最佳匹配問題。對(duì)于這方面的研究國(guó)內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)報(bào)道，但因?qū)嶒?yàn)條件和研究方法各異，不同研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和研究結(jié)論也存在差異。
本文在作者已有的研究基礎(chǔ)上，參考國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)陶瓷刀具切削加工時(shí)的磨損、潤(rùn)滑以及陶瓷刀具與加工對(duì)象的最佳匹配問題進(jìn)行了綜合評(píng)述，以期對(duì)新型陶瓷刀具材料的研制與開發(fā)、實(shí)際加工中陶瓷刀具的選用與磨損控制等起到一定的指導(dǎo)和參考作用。
2．陶瓷刀具切削加工時(shí)的磨損機(jī)理
在陶瓷刀具切削加工過程中，始終存在兩個(gè)摩擦副，即前刀面與切屑間的摩擦副和后刀面與工件間的摩擦副。其中，前者影響刀具前刀面的磨損，后者影響刀具后刀面的磨損和已加工表面質(zhì)量，前、后刀面的磨損均影響刀具壽命。陶瓷刀具主要用于高速切削場(chǎng)合，切削溫度�？筛哌_(dá)800～1000℃（甚至更高），切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機(jī)械磨損與化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果，其磨損機(jī)制主要包括磨料磨損、粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散磨損、氧化磨損等。已有的研究表明，陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)。不同的陶瓷刀具材料在不同切削條件下加工不同的工件材料時(shí)，占主導(dǎo)地位的磨損機(jī)制可能有所不同。如在低速切削時(shí)，由于切削溫度較低，其磨損機(jī)理往往表現(xiàn)為磨粒磨損；而在高速切削時(shí)，則以高溫引起的粘著磨損、化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損和擴(kuò)散磨損為主。
作者的研究表明：Al2O3基陶瓷刀具在連續(xù)切削鋼件時(shí)，其磨損機(jī)理主要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結(jié)磨損，而在切削鑄鐵時(shí)主要為磨料磨損。Wayne 和Brandt 等人通過研究用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718材料得出結(jié)論：在低速切削條件下，磨料磨損和粘結(jié)磨損為陶瓷刀具的主要磨損機(jī)制；而在高速切削條件下，粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散磨損為陶瓷刀具的主要磨損機(jī)制。由于Inconel 718材料高溫強(qiáng)度高，塑性變形大，加工硬化嚴(yán)重，切削力和切削溫度均很高。當(dāng)切削溫度小于900℃時(shí)，刀具前刀面以粘結(jié)磨損為主；當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時(shí)，Ni就開始向刀具中心擴(kuò)散。由于Ni的擴(kuò)散，一方面使刀具材料表面硬度下降，性能降低；另一方面使刀具與工件的親和性增加，粘結(jié)磨損增大。因此，用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718時(shí)必須使用切削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）。
Casto等人通過研究用Al2O3/ZrO2陶瓷刀具加工AISI 1040材料得出結(jié)論：刀具的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘結(jié)磨損和磨料磨損，而用Si3N4陶瓷刀具加工AISI 1040鋼時(shí)，刀具表面存在嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI 4337鋼時(shí)，前刀面和后刀面的磨損機(jī)理不同�；瘜W(xué)反應(yīng)及塑性變形是前刀面磨損的主要原因，后刀面的磨損機(jī)理則是陶瓷顆粒間發(fā)生斷裂，導(dǎo)致陶瓷顆粒脫落所致。Brandt發(fā)現(xiàn)了Al2O3基陶瓷刀具切削時(shí)表層的塑性變形現(xiàn)象，并認(rèn)為這是由于Al2O3與FeO（鋼表面氧化產(chǎn)物）或MgO（陶瓷添加劑）反應(yīng)形成了尖晶石結(jié)構(gòu)，或者是Al2O3與SiO2、CaO作用形成了低熔點(diǎn)、低硬度的化合物。作者的研究表明：Al2O3/TiB2陶瓷刀具在加工高強(qiáng)鋼和淬硬鋼時(shí)具有較好的耐磨性，隨著TiB2含量的增加，刀具的耐磨性能增強(qiáng)。
對(duì)于晶須增韌陶瓷刀具，由于晶須在熱壓過程中定向分布于垂直熱壓軸平面，造成晶須在不同表面上的分布差異，因此晶須增韌陶瓷刀具的耐磨性能與晶須的取向有關(guān)，θ=0°表面的耐磨性能最差，而θ=90°表面的耐磨性能最好。當(dāng)?shù)毒咭院蟮睹婺p為主時(shí)，應(yīng)選擇θ=90°表面作為刀具后刀面；當(dāng)?shù)毒咭郧暗睹婺p為主時(shí)，則應(yīng)選擇θ=90°表面作為刀具前刀面。當(dāng)?shù)毒咔�、后刀面同時(shí)存在較大磨損時(shí)，應(yīng)選擇θ=45°表面作為刀具的前（后）刀面，以提高刀具的抗磨損能力。
Si3N4基陶瓷自七十年代后期開始作為刀具材料使用，目前已在鑄鐵和鎳基合金的切削加工中得到廣泛應(yīng)用。Si3N4基陶瓷刀具在高速切削鑄鐵時(shí)主要發(fā)生磨料磨損，而在高速切削碳鋼時(shí)主要發(fā)生化學(xué)磨損。化學(xué)磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所占比例一般并不大，但化學(xué)作用可使機(jī)械磨損的程度大大加劇，如化學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會(huì)引起陶瓷表面強(qiáng)度減弱，加劇刀具與工件間的粘結(jié)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和微觀斷裂磨損。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI 1045鋼時(shí)，其磨損率比切削灰鑄鐵時(shí)高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)；切削鑄鐵時(shí)工件與刀具之間的Fe、Si等元素的相互擴(kuò)散作用比切削鋼時(shí)小得多。切削鋼時(shí)，Si3N4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學(xué)作用有關(guān)，由于Si3N4顆粒的化學(xué)溶解及不斷被從玻璃相中拔除，Si3N4陶瓷刀具表現(xiàn)出很高的磨損率。Si3N4陶瓷刀具切削鋼時(shí)的高磨損率主要?dú)w因于以下兩種因素：①Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2層不斷被磨去；②SiO2與工件表面的FeO形成低熔點(diǎn)共晶混合物。有人對(duì)Sialon陶瓷刀具與鐵基合金間的化學(xué)作用進(jìn)行過專門研究，結(jié)果表明：在高溫下β′-Sialon 顆粒與鐵基合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，硅和氮在鐵基合金中發(fā)生溶解和擴(kuò)散。鋼中的合金元素對(duì)Sialon與鋼之間的反應(yīng)活性有一定影響，鎳、硅、碳、磷等元素可降低反應(yīng)活性，而鉻、鉬、鈦、釩等元素則會(huì)增大反應(yīng)活性。
雖然陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)，但決定陶瓷刀具磨損特性的主要因素仍是陶瓷材料的組分和微觀結(jié)構(gòu)。陶瓷刀具磨損的基本現(xiàn)象是材料的斷裂及轉(zhuǎn)移，因此裂紋的形成與擴(kuò)展將對(duì)磨損產(chǎn)生重要影響。陶瓷刀具材料多為復(fù)相陶瓷，在晶界處存在玻璃相、氣孔、雜質(zhì)等，且各相之間存在熱脹失配和彈性模量的差別。晶界氣孔的存在會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，氣孔作為裂紋源將誘導(dǎo)晶界裂紋，并且由于氣孔主要在晶界上產(chǎn)生，裂紋擴(kuò)展至氣孔時(shí)與氣孔連接，從而加速了裂紋的擴(kuò)展。Rice等人的研究表明：氣孔率的增加使陶瓷刀具的耐磨性能大大降低，彈性模量與熱脹失配所產(chǎn)生的過大殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料在未受外載時(shí)就產(chǎn)生開裂。由于多晶陶瓷所加的添加劑在燒結(jié)過程中主要以玻璃相形式存在于晶界上，在高速切削產(chǎn)生的高溫條件下，玻璃相粘度降低而發(fā)生塑性流動(dòng)，導(dǎo)致晶界滑移，并在晶界交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。如果應(yīng)力集中使得相鄰晶粒完全塑性變形，則會(huì)使應(yīng)力松弛，如果不能與鄰近晶界變形相適應(yīng)，則應(yīng)力集中將使晶界處產(chǎn)生裂紋。裂紋成核后，隨著晶界滑移程度的不斷增加，將會(huì)引起裂紋產(chǎn)生。陶瓷刀具材料晶體中的大量位錯(cuò)為裂紋成核提供了另一種方式，隨著磨損過程的不斷進(jìn)行，位錯(cuò)不斷增殖，在晶界處就會(huì)形成更多因位錯(cuò)而產(chǎn)生的微裂紋，這些裂紋相接就會(huì)形成連續(xù)裂紋，從而導(dǎo)致陶瓷刀具耐磨性能下降。
3．陶瓷刀具切削加工時(shí)的潤(rùn)滑
對(duì)于陶瓷刀具在切削加工中是否需要潤(rùn)滑目前看法尚不統(tǒng)一。有些學(xué)者認(rèn)為，陶瓷刀具具有高硬度、高熔點(diǎn)、耐高溫等特點(diǎn)，且抗熱震性較差，對(duì)熱應(yīng)力很敏感，不適當(dāng)?shù)睦鋮s作用會(huì)使刀具產(chǎn)生熱裂紋而發(fā)生破損，因此陶瓷刀具切削加工時(shí)不需冷卻和潤(rùn)滑即可滿足使用要求。但也有不少研究者認(rèn)為，陶瓷刀具在加工某些難加工材料時(shí)（如用晶須增韌陶瓷刀具加工鎳基高溫合金），必須充分使用切削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）。采用適當(dāng)?shù)睦鋮s和潤(rùn)滑對(duì)減小陶瓷刀具磨損、延長(zhǎng)其使用壽命十分有益。
Tonshoff等人研究了Al2O3/TiC陶瓷刀具車削淬硬鋼時(shí)潤(rùn)滑劑的作用，切削試驗(yàn)分別在干切削和不同潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑條件下進(jìn)行。結(jié)果表明：刀具的磨損、已加工表面質(zhì)量以及切屑的形成均受到潤(rùn)滑劑的影響。與干切削相比，采用潤(rùn)滑劑的刀具壽命延長(zhǎng)，工件已加工表面質(zhì)量顯著提高。這主要是因?yàn)闈?rùn)滑劑中的極壓添加劑在切削條件下與工件表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)而形成了化學(xué)吸附膜。通過對(duì)潤(rùn)滑切削條件下的工件表面進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)了含F(xiàn)eS和FePO4等成分的極壓潤(rùn)滑膜，正是這種極壓潤(rùn)滑膜降低了切削摩擦力，抑制了粘結(jié)的發(fā)生，從而減小了刀具磨損。
Cheryl對(duì)Si3N4 / TiC 陶瓷材料在900℃高溫下的摩擦磨損試驗(yàn)研究表明：Si3N4和TiC在高溫下發(fā)生氧化，在摩擦表面生成含Si和Ti的氧化物保護(hù)膜，可顯著降低摩擦系數(shù)，并有利于提高材料的耐磨性能。用Si3N4基和Al2O3基陶瓷刀具進(jìn)行鎳基合金的切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干切削條件下刀具失效的主要原因是嚴(yán)重的前刀面磨損及切屑在刀具上的粘結(jié)，而使用切削潤(rùn)滑劑改善了刀具的切削性能，提高了切削效率和加工件的表面質(zhì)量。有人曾對(duì)多種潤(rùn)滑劑、添加劑對(duì)陶瓷—金屬摩擦副的潤(rùn)滑作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)油基切削液比水基切削液更為有效。如使用含二烷基二硫化磷酸鋅（ZDDP）的潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，Si3N4陶瓷刀具切削45鋼時(shí)的磨損率與干切削相比可減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，切削不銹鋼時(shí)的磨損率比干切削時(shí)可減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。表面分析發(fā)現(xiàn)，Si3N4及工件的磨損表面上有ZnO、FeS、FePO4等摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物生成。
作者曾對(duì)Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬鋼進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：該陶瓷刀具高速干切削時(shí)具有自潤(rùn)滑功能。當(dāng)切削速度較低時(shí)，切削溫度也較低，刀具的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨料磨損與粘結(jié)磨損；當(dāng)切削速度很高時(shí)，刀具表面平均切削溫度較高，實(shí)際瞬時(shí)最高溫度大于平均溫度，切削后刀具磨損區(qū)的XRD譜圖中出現(xiàn)了TiO2衍射峰，這表明TiB2在切削高溫的作用下發(fā)生了氧化。TiB2的氧化物TiO2能在切屑與刀具前刀面之間起到固體潤(rùn)滑劑的作用，進(jìn)而可減小切削力和前刀面的平均摩擦系數(shù)μ，并能減輕刀具的粘結(jié)磨損，提高刀具的耐磨性能。
4．陶瓷刀具與加工對(duì)象的匹配
每一種陶瓷刀具都有其特定的加工范圍，不同的陶瓷刀具（或同種陶瓷刀具）在加工不同工件材料時(shí)其磨損形態(tài)和刀具壽命有很大差別。因此，每一種陶瓷刀具都有其最佳加工對(duì)象，即存在陶瓷刀具與加工對(duì)象的最佳匹配問題。
Al2O3基陶瓷刀具中含有鋁元素，因此Al2O3基陶瓷刀具在加工鋁及鋁合金時(shí)存在較大親和力，刀具會(huì)產(chǎn)生較大的粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。Al2O3/TiC和Al2O3（/W，Ti）C等陶瓷刀具中含有鋁及鈦元素，用此類陶瓷刀具加工鈦及鈦合金、鋁及鋁合金時(shí)也存在較大親和力，因此它們都不適合加工鋁、鈦及其合金。純鐵與Al2O3刀具之間的粘結(jié)傾向比鋼和鑄鐵更大，純Al2O3陶瓷刀具在切削純鐵時(shí)約在500℃就開始粘結(jié)，與其它超硬刀具（如金剛石、立方氮化硼刀具）相比，Al2O3刀具與鐵之間的擴(kuò)散作用最小。
SiC顆粒或SiC晶須增韌的Al2O3刀具在加工鎳基合金時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，但在加工鋼時(shí)，因Fe容易與SiC發(fā)生反應(yīng)而使刀具材料急劇磨損。用含有SiC的陶瓷刀具加工淬硬鋼時(shí)，在切削高溫作用下，SiC很容易與工件中的Fe產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式為
4Fe+SiC→FeSi+Fe3C
切削速度越高，切削溫度也隨之升高，會(huì)進(jìn)一步加劇Fe與SiC的反應(yīng)速度。SiC晶須與Fe反應(yīng)后使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，因而晶須在磨粒作用下容易脫落，從而減弱晶須的增韌作用。此外，陶瓷刀具在高溫下還會(huì)產(chǎn)生溶解磨損，表1為陶瓷刀具材料各組分與Fe在1323℃溫度時(shí)的溶解度。由表可見，Al2O3和ZrO2在Fe中的溶解度最小，溶解度由大到小的順序?yàn)椋篠iC→TiN→TiC→Al2O3→ZrO2。在高溫下SiC在Fe中的溶解度比TiC和TiN的溶解度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。由于Fe與SiC晶須的化學(xué)反應(yīng)及相互溶解，使刀具材料中Fe元素含量增加，進(jìn)一步增大了刀具與工件的粘著傾向，因此對(duì)刀具的耐磨性能不利。因此，含有SiC顆粒或SiC晶須的陶瓷刀具不適合加工鋼件。
表1 陶瓷刀具材料組分1323℃時(shí)在Fe 中的溶解度
材料組分－溶解度（mol%）
ZrO2－3.6×10-8
Al2O3－5.6×10-7
TiC－1.0×10-3
TiN－1.9×10-3
SiC－6.4×10-1
Al2O3/ZrO2陶瓷刀具中的材料組分Al2O3和ZrO2在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性好，且與Fe的溶解度很小，不易向工件材料中擴(kuò)散及溶解，因此Al2O3/ZrO2具有較好耐磨性能。由于Al2O3/ZrO2陶瓷刀具在高溫（1170℃以上）下ZrO2的增韌效果會(huì)顯著減小，所以Al2O3/ZrO2陶瓷刀具不適合溫度較高的高速或超高速切削，只適合在較低切削速度范圍內(nèi)進(jìn)行切削加工，Si3N4基陶瓷刀具適于高速切削鑄鐵，加工鎳基合金也能取得滿意結(jié)果，但切削奧氏體不銹鋼時(shí)則磨損嚴(yán)重。由于Si3N4和Fe 之間存在較大親和力以及Si和Fe之間的相互擴(kuò)散，高速切削產(chǎn)生的高溫會(huì)大大加劇Si3N4與這類工件間的化學(xué)作用及元素?cái)U(kuò)散，加劇Si3N4刀具的磨損，所以Si3N4刀具也不適合高速切削純鐵和碳鋼等材料。總的來說，Al2O3基陶瓷刀具具有良好的耐磨損性能及耐高溫性能（均高于Si3N4基陶瓷刀具），且其高溫化學(xué)穩(wěn)定性很好，不易與鐵元素發(fā)生相互擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)，因而Al2O3基陶瓷刀具的應(yīng)用范圍最廣，適于高速切削鋼、鑄鐵及其合金；Si3N4基陶瓷刀具的斷裂韌性和抗熱裂性高于Al2O3基陶瓷刀具，適于斷續(xù)加工鑄鐵及鑄鐵合金；ZrO2增韌陶瓷刀具室溫韌性較高，適于斷續(xù)切削，但不適合溫度較高的高速或超高速切削；添加SiC的陶瓷刀具最適合加工鎳基高溫合金、純鎳和高鎳合金等，但不適于加工鋼和鑄鐵。
5．結(jié)語
綜上所述，不同種類的陶瓷刀具（或同種類刀具）加工不同工件時(shí)，其磨損形態(tài)不同。冷卻與潤(rùn)滑對(duì)陶瓷刀具的磨損和刀具壽命會(huì)產(chǎn)生很大影響，采用適當(dāng)?shù)睦鋮s和潤(rùn)滑對(duì)減小陶瓷刀具磨損、延長(zhǎng)使用壽命十分有益。
在實(shí)際應(yīng)用中，每一種陶瓷刀具都有其特定的加工范圍，陶瓷刀具與其加工對(duì)象之間存在最佳匹配問題，應(yīng)根據(jù)所加工的工件材料選擇合適的刀具材料，并根據(jù)刀具材料中是否含有高溫下易與工件材料發(fā)生擴(kuò)散及化學(xué)作用的組分來確定最佳切削用量。
