1.引言

　　陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學性能優良、化學穩定性好、不易與金屬發生粘結等特點，可廣泛應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合金刀具高3～10倍，可大幅度提高切削加工生產率。近三十年來，由于在陶瓷刀具制造工藝中實現了對原料純度和晶粒尺寸的有效控制，開發了各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶須或少量金屬的添加技術，以及采用多種增韌補強機制等，使陶瓷刀具的強度、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其磨損形態和刀具壽命會有很大不同，因此存在陶瓷刀具與切削對象的最佳匹配問題。對于這方面的研究國內外已有一些文獻報道，但因實驗條件和研究方法各異，不同研究者的實驗結果和研究結論也存在差異。

　　本文在作者已有的研究基礎上，參考國內外的相關文獻報道，對陶瓷刀具切削加工時的磨損、潤滑以及陶瓷刀具與加工對象的最佳匹配問題進行了綜合評述，以期對新型陶瓷刀具材料的研制與開發、實際加工中陶瓷刀具的選用與磨損控制等起到一定的指導和參考作用。

　　2.陶瓷刀具切削加工時的磨損機理

　　在陶瓷刀具切削加工過程中，始終存在兩個摩擦副，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合，切削溫度常可高達800～1000℃(甚至更高)，切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機械磨損與化學磨損綜合作用的結果，其磨損機制主要包括磨料磨損、粘結磨損、化學反應、擴散磨損、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。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，占主導地位的磨損機制可能有所不同。如在低速切削時，由于切削溫度較低，其磨損機理往往表現為磨粒磨損；而在高速切削時，則以高溫引起的粘著磨損、化學反應、氧化磨損和擴散磨損為主。

　　作者的研究表明：Al2O3基陶瓷刀具在連續切削鋼件時，其磨損機理主要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結磨損，而在切削鑄鐵時主要為磨料磨損。Wayne和Brandt等人通過研究用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718材料得出結論：在低速切削條件下，磨料磨損和粘結磨損為陶瓷刀具的主要磨損機制；而在高速切削條件下，粘結磨損、化學反應和擴散磨損為陶瓷刀具的主要磨損機制。由于Inconel 718材料高溫強度高，塑性變形大，加工硬化嚴重，切削力和切削溫度均很高。當切削溫度小于900℃時，刀具前刀面以粘結磨損為主；當溫度達到1200℃時，Ni就開始向刀具中心擴散。由于Ni的擴散，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，粘結磨損增大。因此，用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718時必須使用切削液(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材料得出結論：刀具的磨損機理主要表現為粘結磨損和磨料磨損，而用Si3N4陶瓷刀具加工AISI 1040鋼時，刀具表面存在嚴重的化學反應。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI 4337鋼時，前刀面和后刀面的磨損機理不同。化學反應及塑性變形是前刀面磨損的主要原因，后刀面的磨損機理則是陶瓷顆粒間發生斷裂，導致陶瓷顆粒脫落所致。Brandt發現了Al2O3基陶瓷刀具切削時表層的塑性變形現象，并認為這是由于Al2O3與FeO(鋼表面氧化產物)或MgO(陶瓷添加劑)反應形成了尖晶石結構，或者是Al2O3與SiO2、CaO作用形成了低熔點、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鋼和淬硬鋼時具有較好的耐磨性，隨著TiB2含量的增加，刀具的耐磨性能增強。#p#分頁標題#e#

　　對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，θ=0°表面的耐磨性能最差，而θ=90°表面的耐磨性能最好。當刀具以后刀面磨損為主時，應選擇θ=90°表面作為刀具后刀面；當刀具以前刀面磨損為主時，則應選擇θ=90°表面作為刀具前刀面。當刀具前、后刀面同時存在較大磨損時，應選擇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用。Si3N4基陶瓷刀具在高速切削鑄鐵時主要發生磨料磨損，而在高速切削碳鋼時主要發生化學磨損。化學磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所占比例一般并不大，但化學作用可使機械磨損的程度大大加劇，如化學溶解及擴散作用會引起陶瓷表面強度減弱，加劇刀具與工件間的粘結，從而導致嚴重的粘結磨損和微觀斷裂磨損。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI 1045鋼時，其磨損率比切削灰鑄鐵時高出兩個數量級；切削鑄鐵時工件與刀具之間的Fe、Si等元素的相互擴散作用比切削鋼時小得多。切削鋼時，Si3N4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學作用有關，由于Si3N4顆粒的化學溶解及不斷被從玻璃相中拔除，Si3N4陶瓷刀具表現出很高的磨損率。Si3N4陶瓷刀具切削鋼時的高磨損率主要歸因于以下兩種因素：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形成低熔點共晶混合物。有人對Sialon陶瓷刀具與鐵基合金間的化學作用進行過專門研究，結果表明：在高溫下β′-Sialon顆粒與鐵基合金發生化學反應，硅和氮在鐵基合金中發生溶解和擴散。鋼中的合金元素對Sialon與鋼之間的反應活性有一定影響，鎳、硅、碳、磷等元素可降低反應活性，而鉻、鉬、鈦、釩等元素則會增大反應活性。

　　雖然陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關，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構。陶瓷刀具磨損的基本現象是材料的斷裂及轉移，因此裂紋的形成與擴展將對磨損產生重要影響。陶瓷刀具材料多為復相陶瓷，在晶界處存在玻璃相、氣孔、雜質等，且各相之間存在熱脹失配和彈性模量的差別。晶界氣孔的存在會導致應力集中，氣孔作為裂紋源將誘導晶界裂紋，并且由于氣孔主要在晶界上產生，裂紋擴展至氣孔時與氣孔連接，從而加速了裂紋的擴展。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生的過大殘余應力會導致材料在未受外載時就產生開裂。由于多晶陶瓷所加的添加劑在燒結過程中主要以玻璃相形式存在于晶界上，在高速切削產生的高溫條件下，玻璃相粘度降低而發生塑性流動，導致晶界滑移，并在晶界交界處產生應力集中現象。如果應力集中使得相鄰晶粒完全塑性變形，則會使應力松弛，如果不能與鄰近晶界變形相適應，則應力集中將使晶界處產生裂紋。裂紋成核后，隨著晶界滑移程度的不斷增加，將會引起裂紋產生。陶瓷刀具材料晶體中的大量位錯為裂紋成核提供了另一種方式，隨著磨損過程的不斷進行，位錯不斷增殖，在晶界處就會形成更多因位錯而產生的微裂紋，這些裂紋相接就會形成連續裂紋，從而導致陶瓷刀具耐磨性能下降。

　　3.陶瓷刀具切削加工時的潤滑

　　對于陶瓷刀具在切削加工中是否需要潤滑目前看法尚不統一。有些學者認為，陶瓷刀具具有高硬度、高熔點、耐高溫等特點，且抗熱震性較差，對熱應力很敏感，不適當的冷卻作用會使刀具產生熱裂紋而發生破損，因此陶瓷刀具切削加工時不需冷卻和潤滑即可滿足使用要求。但也有不少研究者認為，陶瓷刀具在加工某些難加工材料時(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)。采用適當的冷卻和潤滑對減小陶瓷刀具磨損、延長其使用壽命十分有益。#p#分頁標題#e#

　　Tonshoff等人研究了Al2O3/TiC陶瓷刀具車削淬硬鋼時潤滑劑的作用，切削試驗分別在干切削和不同潤滑劑潤滑條件下進行。結果表明：刀具的磨損、已加工表面質量以及切屑的形成均受到潤滑劑的影響。與干切削相比，采用潤滑劑的刀具壽命延長，工件已加工表面質量顯著提高。這主要是因為潤滑劑中的極壓添加劑在切削條件下與工件表面發生摩擦化學反應而形成了化學吸附膜。通過對潤滑切削條件下的工件表面進行成分分析，發現了含FeS和FePO4等成分的極壓潤滑膜，正是這種極壓潤滑膜降低了切削摩擦力，抑制了粘結的發生，從而減小了刀具磨損。

　　Cheryl對Si3N4 / TiC陶瓷材料在900℃高溫下的摩擦磨損試驗研究表明：Si3N4和TiC在高溫下發生氧化，在摩擦表面生成含Si和Ti的氧化物保護膜，可顯著降低摩擦系數，并有利于提高材料的耐磨性能。用Si3N4基和Al2O3基陶瓷刀具進行鎳基合金的切削試驗發現，干切削條件下刀具失效的主要原因是嚴重的前刀面磨損及切屑在刀具上的粘結，而使用切削潤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量。有人曾對多種潤滑劑、添加劑對陶瓷—金屬摩擦副的潤滑作用進行了研究，發現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)的潤滑油進行潤滑，Si3N4陶瓷刀具切削45鋼時的磨損率與干切削相比可減小兩個數量級，切削不銹鋼時的磨損率比干切削時可減小一個數量級。表面分析發現，Si3N4及工件的磨損表面上有ZnO、FeS、FePO4等摩擦化學反應產物生成。

　　作者曾對Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬鋼進行了試驗研究，結果表明：該陶瓷刀具高速干切削時具有自潤滑功能。當切削速度較低時，切削溫度也較低，刀具的磨損機制主要表現為磨料磨損與粘結磨損；當切削速度很高時，刀具表面平均切削溫度較高，實際瞬時最高溫度大于平均溫度，切削后刀具磨損區的XRD譜圖中出現了TiO2衍射峰，這表明TiB2在切削高溫的作用下發生了氧化。TiB2的氧化物TiO2能在切屑與刀具前刀面之間起到固體潤滑劑的作用，進而可減小切削力和前刀面的平均摩擦系數μ，并能減輕刀具的粘結磨損，提高刀具的耐磨性能。

　　4.陶瓷刀具與加工對象的匹配

　　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其磨損形態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象，即存在陶瓷刀具與加工對象的最佳匹配問題。

　　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存在較大親和力，刀具會產生較大的粘結磨損和擴散磨損。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刀具之間的粘結傾向比鋼和鑄鐵更大，純Al2O3陶瓷刀具在切削純鐵時約在500℃就開始粘結，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表現出優良的切削性能，但在加工鋼時，因Fe容易與SiC發生反應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，在切削高溫作用下，SiC很容易與工件中的Fe產生化學反應，反應式為

　　4Fe+SiC→FeSi+Fe3C

　　切削速度越高，切削溫度也隨之升高，會進一步加劇Fe與SiC的反應速度。SiC晶須與Fe反應后使晶須原有的硬度和耐磨性能降低，晶須與基體的結合強度削弱，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產生溶解磨損，表1為陶瓷刀具材料各組分與Fe在1323℃溫度時的溶解度。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為：SiC→TiN→TiC→Al2O3→ZrO2。在高溫下SiC在Fe中的溶解度比TiC和TiN的溶解度高兩個數量級以上。由于Fe與SiC晶須的化學反應及相互溶解，使刀具材料中Fe元素含量增加，進一步增大了刀具與工件的粘著傾向，因此對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。#p#分頁標題#e#

　　表1陶瓷刀具材料組分1323℃時在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在高溫下的化學穩定性好，且與Fe的溶解度很小，不易向工件材料中擴散及溶解，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進行切削加工，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果，但切削奧氏體不銹鋼時則磨損嚴重。由于Si3N4和Fe之間存在較大親和力以及Si和Fe之間的相互擴散，高速切削產生的高溫會大大加劇Si3N4與這類工件間的化學作用及元素擴散，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)，且其高溫化學穩定性很好，不易與鐵元素發生相互擴散或化學反應，因而Al2O3基陶瓷刀具的應用范圍最廣，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，其磨損形態不同。冷卻與潤滑對陶瓷刀具的磨損和刀具壽命會產生很大影響，采用適當的冷卻和潤滑對減小陶瓷刀具磨損、延長使用壽命十分有益。

　　在實際應用中，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象之間存在最佳匹配問題，應根據所加工的工件材料選擇合適的刀具材料，并根據刀具材料中是否含有高溫下易與工件材料發生擴散及化學作用的組分來確定最佳切削用量。