技术创新助推新型陶瓷刀具在机加工中的应用优势凸显_杨忠敏.pdf

综述与述评 年第期（总第 期）现代技术陶瓷技术创新助推新型陶瓷刀具在机加工中的应用优势凸显杨忠敏（湖北十堰市化工材料科技开发公司，十堰 ）摘要：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。针对新型陶瓷切削刀具的应用前景广阔，分析了切削刀具材料的种类及其特点，研究了新型陶瓷切削刀具的性能突显，介绍了新型陶瓷切削刀具运用实例，提出了陶瓷切削刀具材料的研发应用方向。关键词：新型陶瓷刀具；应用优势；研发方向新型陶瓷切削刀具是使用精密陶瓷高压研制而成，故称陶瓷刀，作为现代高科技的产物，具有传统金白色陶瓷刀属刀具所无法比拟的优点。采用高科技纳米氧化锆为原料，因此陶瓷刀又叫“锆宝石刀”，它的高雅和名贵可见一斑。市面上的陶瓷刀大多是用一种纳米材料“氧化锆”加工而成。用氧化锆粉末在 高温下用 的重压配上模具压制成刀坯，然后用金刚石打磨之后配上刀柄就做成了成品陶瓷刀。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。日前各种高强度、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，硬质合金刀具对其中不少新材料的加工难以胜任，陶瓷刀具就是在这样的背景下发展起来的，因此引起业内的广泛重视。新型陶瓷切削刀具的应用前景广阔众所周知，切削刀具的性能是影响金属机械加工效率、精度、表面质量等的决定性因素之一。在现代化机加工过程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技术；随着现代科学技术和生产的发展，越来越多地采用超硬难加工材料，以提高机器设备的使用寿命和工作性能。而陶瓷刀具则以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性，在高速切削领域和难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势。新型陶瓷刀具更由于有很高的硬度（），从而可加工硬度高达 的各类难加工材料，免除退火加工所消耗的电力和时间；可提高工件硬度，延长机械设备的使用寿命。金属切削加工是工业生产中最基本、最广泛、最重水平直接关系到机械加工的效率、产品的质量和制造要的工艺，它直接影响工业生产的效率及成本消耗。金属切削刀具作为切削加工的基础装备之一，其发展的成本，对机械制造技术的发展速度起着关键性的作用。随着新刀具材料如陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼、涂层硬质合金等的相继出现，金属切削及刀具技术作为现代制造技术的基础工艺及装各也进入了以发展综述与述评现代技术陶瓷 年第期（总第 期）高速切削，开发新的切削工艺、加快刀具结构变革为特征的发展新阶段。在世界范围的工业中，刀具消耗的比例大概是：高速钢刀具占，金刚石和立方氮化硼刀具占，而焊接硬质合金刀具、整体硬质合金和可转位硬质合金则占了余下部分。例如，如果我们运用含钴的高性能高速钢甚至粉末冶金高速钢来 代替现在普遍使用的普通高速钢，我们的高速钢刀具制造水平同样能上一个台阶。在世界范围的工业中，刀具消耗的比例大概是：高速钢刀具占，金刚石和立方氮化硼刀具占，而焊接硬质合金刀具、整体硬质合金和可转位硬质合金则占了余下部分。根据国外有关资料报道，陶瓷刀具在工业发达国家的发展应用非常快，有的已达到刀具总构成比的 以上。美 国 用 热 压 陶 瓷 刀 具 加 工 冷 硬 铸 铁（）和高温合金时，采用的切削用量很高，大大地提高了生产率。据了解，我 国 国 内 消 耗 的 国 产 刀 具 中，约 是高速钢刀具，硬质合金刀具只占到约 其余为工具系统、金刚石和立方氮化硼刀具等。即使加上进口刀具，在我国的刀具消耗中，有约 为高速钢刀具，而硬质合金刀具为，而金刚石和立方氮化硼刀具仅占比。我国虽然已经成为世界第一大规模的机床消费国和同样是世界第一大规模的刀具消费国，但我们的刀具消费结构甚至无法达到世界平均水平。我们的现状是：虽然我们的机床产值数控化率和机床产量数控化率都在逐年提高，但从其机床平均售价下降的趋势，可以看出我们的数控机床也许还是简易数控在唱主角。这也就是说我国金属切削的总体水平还不高。近 年中国已超过德国和美国成为世界上最大的机床消费国。机械加工过程的消耗包括：能源 机床开动的电力，加工过程中的热处理（如退火、淬火等）。加工中消耗的能源在中国总的能源消耗中占很大的比重；贵重金属资源（，等）；冷却液 占加工成本的 ，而且带来环境污染。多年来，不少单位都开展了新型陶瓷刀具的研究，取得显著的效果。如清华大学在以往成功采用复合氮化硅陶瓷刀具加工各类铸铁件，大幅度节约加工用电和退火用电的基础上，近年来他们又研制成功了复合 金属陶瓷刀具，实现了对淬硬钢“以车铣代磨干切削”的加工技术革新，在冶金轧辊、轴承、滚珠丝杠、齿轮、气门、模具、矿山机械、军工等十几个行业数百家企业推广应用，不仅提高加工效率倍，节约加工用电 ，还因耐用度高而大幅度节省贵重金属资 源。如 加 工 某 军 工 零 件，用 复 合 金属陶瓷刀具，可节省 由战略性贵重金属制成的硬质合金。此外，还减少甚至取消冷却液的使用，减少环境污染，实现绿色加工。金属陶瓷又称为钛基硬质合金，它具有优良的机械力学性能及高温性能，正如其名称所寓意的那样，既具有陶瓷材料的高硬度，又具有金属材料的强韧性，而且价格相对较为低廉。但长期以来，金属陶瓷作为切削刀具材料的应用远不如其它同类硬质合金那样广泛。近年来，金属陶瓷刀具材料的开发与应用逐渐受到重视，其应用范围也不断扩大。陶瓷刀具主要原料 地壳最丰富成分，可以说取之不尽，用之不竭，因此新型陶瓷刀具应用前景十分广阔。目前在国际工具市场上，除金属陶瓷车刀片、铣刀片外，用金属陶瓷制造的钻头、铰刀、齿轮滚刀等复杂刀具产品也相继问世，据称其工作寿命、加工效率比粉末高速钢刀具进步数倍。金属陶瓷在刀具材料中所占份额在产业发达国家约为，在日本已达。有专家预测，未来金属陶瓷刀片的需求量将占可转位刀片总需求量的，并将成为铣削钢材的首选材料。目前我国已可生产 ，等多种牌号的金属陶瓷刀片；用纳米 改性 基金属陶瓷材料也取得了重要成果。切削刀具材料的种类及其特点按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类。通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀（不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀）、镗刀、综述与述评 年第期（总第 期）现代技术陶瓷钻头、扩孔钻、铰刀和锯等；成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。整体结构是在刀体上做出切削刃；焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构；瓷刀具都采用机械夹固结构。各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分（刀齿或刀片）则镶装在刀体上。刀具的装夹部分有带孔和带柄两类，带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成，而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。陶瓷刀具材料的强度低、韧性差，制约了它的应用推广，而超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究为其发展增添了新的活力。由于陶瓷刀具材料的脆性较大，强度和韧性较底，所以限制了它的应用推广。事实上，硬度高的材料往往强度和韧性低，要想提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。陶瓷刀具材料的这种硬度与韧性之间的矛盾使得研究具有高硬度同时又具有高强度、高韧性的陶瓷成为陶瓷刀具材料研究的热点。超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究为陶瓷的发展增添了新的活力。超微粉技术的出现和发展为改善陶瓷刀具的性能，降低生产成本提供了一条新的途径。采用超微粉技术可以获得较致密和细小的晶粒组织，从而提高陶瓷材料的强度和韧性。近年来，超微粉末的制备技术推动了纳米固体材料的进程，使得陶瓷基纳米复合材料的研究成了最热门的课题之一，因为纳米复合材料能使基体材料的强度和韧性提高倍。而纳米复相陶瓷的制备方法有机械混合法、复合粉沫法、原位生成法及液相分散包裹法等。复相陶瓷通过材料内部复合相的协同增韧补强效应，可使陶瓷材料的性能大幅度提高，对陶瓷材料实行多层次复合是获得超强、超韧的有效途径。随着控制弥散相的粒度、晶粒尺寸从微米级亚微米级纳米级的减小，材料强度出现了大幅度的飞跃。例如：日本研制出的具有超塑性的 复 合 材 料，抗 弯 强 度 达 。因此，复相陶瓷技术和纳米技术相结合，可制备纳米复合材料，纳米复合材料的强度和韧性的提高可归结为晶粒细化和断裂模式的改变。纳米复相陶瓷刀具材料的研究成功有望从根本上解决陶瓷材料的脆性问题，比起传统刀具陶瓷刀具材料，它具有更高的抗弯强度、断裂韧度等力学性能。涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢（）基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物（也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上）而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，涂层刀具的构成减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命综述与述评现代技术陶瓷 年第期（总第 期）倍以上，提高切削速度 ，提高加工精度 级，降低刀具消耗费用 。涂层技术可提高刀具的耐磨性而不降低其韧性，较好的解决了刀具材料存在的强度和韧性之间的矛盾，是切削刀具发展的一次革命。常用的涂层方法是 法和 法。目前，法以其优异的特点也开始应用于刀具涂层。金属陶瓷刀具在硬质合金行业中一般是指 为硬质相，添加 或 作为粘接相，在很多场合中，添加元素周期表地 ，及 族金属中的一种以上的氮化物、碳化物及碳氮化物作为添加剂以增强金属陶瓷的力学、高温性能的一种刀具。目前硬度合金作为一种特殊材料，对金属陶瓷的研究日益深入。虽然我国是世界钨资源丰富的国家，但矿山开采的含钨量连年下降，现有钨储量品位低，而钴主要与镍、铜、锰、铁等矿物共生。我国钴地质矿产不足，仅有 ，而 基金属陶瓷所需的 和 都有着非常丰富的资源，制成 基金属陶瓷的成本比硬度合金约低。所以说，发展金属陶瓷刀具材料对我国具有非常重要的意义。陶瓷刀具材料的强度低，韧性差，限制了它在实际中的应用。但随着陶瓷技术的发展，陶瓷刀具材料的力学性能有了很大提高，其应用范围将越来越大。新型陶瓷切削刀具的性能突显氧化铝（刚玉）在磨料和磨具上的应用已有很长的历史，国际每年使用数量也是很大的，氧化铝原料对碳化钨和氮化物原料而言是最廉价的，而氧化铝刀具价高。氧化铝刀具的比重约为硬质合金（碳化钨基）的三分之一，以体积价格计算，氧化铝刀具比硬质合金刀具要便宜、这也是促使国际氧化铝刀具发展的因素之一。而氧化铝（刚玉）陶瓷刀具是其发展的精尖制品，是近代氧化铝陶瓷的典范，其附加值很高。西方国家陶瓷刀具的年销售额估计达 亿美元以上，而氧化铝基陶瓷刀具约占一半。其中以日本产量最大，其次为美国、德国、英国等，而俄罗斯也有一定规模的产量。但国内对这种原料资源广、价廉，能生产高附加值的工具却发展不大，可能与中国钨资源丰富而偏重钨基硬质合金刀具有关。陶瓷刀具有许多优点，虽然所适应的加工材料及切削速度范围要比一般硬质合金刀具大得多，但是，随着被切削零件情况的变化，其切削性能也会出现较大的变化，因此，必须针对所切削零件的材料特性及结构情况来优选最佳的陶瓷刀片型号。陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。普通陶瓷材料采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧，这三种元素占地壳元素总量的，普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。特种陶瓷材料采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。本节主要介绍特种陶瓷。陶瓷切削刀具的性能特点如下：一是力学性能。陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在 以上。陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差；二是热性能。陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在 以上），且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性；三是电性能：大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电压（）的绝缘器件。铁电陶瓷（钛酸钡 ）具有较高的介电常数，可用于制作电容器，铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为机械能（具有压电材料的特性），可用作扩音机、电综述与述评 年第期（总第 期）现代技术陶瓷唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具有半导体的特性，可作整流器；四是化学性能：陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。五是光学性能。陶瓷材料还有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途。陶瓷切削刀具耐磨性好，可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命；不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；陶瓷刀片切削时与金属摩擦力小，切削不易粘接在刀片上 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，工件表而粗糙度比较低；陶瓷切削刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；陶瓷切削刀具耐高温，红硬性好，可在 下连续切削。所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬质合金高很多。可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高 倍，达到节约工时、电力、机床数 或更高的效果；氮化硅陶瓷刀具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，和 等重要的金属。陶瓷刀具非常适合加工淬硬钢、耐热合金或高温合金。根据加工材料选择合适的刀片形状以及机床、刀杆和夹具的刚性。高温是硬质合金加工的主要敌人，高温对陶瓷的作用不同于硬质合金。在切削过程中被切削的材料在刀具前刀面上的剪切区域被推离，切削热也在此区域积聚。随着切削速度的增加，剪切区域所产生的热量无法在短时间内被废屑带走，从而会形成高温并产生软化效应。在选择刀具的角度时，需要考虑多种因素的影响，如工件材料、刀具材料、加工性质（粗、精加工）等，必须根据具体情况合理选择。通常讲的刀具角度，是指制造和测量用的标注角度在实际工作时，由于刀具的安装位置不同和切削运动方向的改变，实际工作的角度和标注的角度有所不同，但通常相差很小。制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性（切削加工、锻造和热处理等），并不易变形。通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。在化工业中，塑料造粒刀具是主要易损件之一，刀具在切粒过程中以高速度与硬度很高的模板对磨，工作温度在 左右，还承受一定压力，因此工作条件较恶劣。要求刀具材料具有高耐磨性、高红硬性及较好耐腐蚀性。碳化钛颗粒增强金属基复合材料是满足这一工况条件的最佳材质。我国进口西德、日本生产的造粒刀都采用这一材质，使用寿命相当高。但进口造粒刀整体为金属陶瓷，经粉末冶金烧结及复杂热处理和机加工制成，成本高，价格昂贵。金属陶瓷复合刀具是采用金属陶瓷做刀刃，钢为刀体，经扩散焊将其合为一体。因为它实现了将“好钢用在刀刃上”，相对进口刀，在一样高寿命下，价格低很多，只是其左右。主要技术指标硬度 ，抗弯强度 ，冲击韧性 ，焊接强度不低于 。应用范围可以用于生产各种耐磨、耐蚀、耐高温零部件，如各种泵阀，密封环等。新型陶瓷切削刀具运用实例我们知道，刀片的切削性能对提高生产率、提高及稳定加工质量、降低生产成本有直接影响。随着机械制造业的发展，对刀片的切削性能要求愈来愈高，各种难加工材料要求刀具材料应当具有更高的硬度和耐磨性、足够的强度和韧性、高的耐热性、良好的化学稳定性、较高的抗粘综述与述评现代技术陶瓷 年第期（总第 期）结、抗扩散、抗氧化性能等。最近，某硬质合金厂利用纳米新工艺研究开发出了纳米金属陶瓷刀片，切削性能试验表明其耐磨性、耐热性、切削力等性能指标明显高于普通金属陶瓷及硬质合金（）两种刀具材料。金属陶瓷也叫硬质合金或烧结碳化物，它是陶瓷一金属复合材料以 为主要成分的合金，其硬度与耐热性接近陶瓷而抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高，其中金属碳化物是硬质相，一般占 以上；其余为铁、钴、镍等金属相作为粘结剂。日本对金属陶瓷特别青睐，如今，在日本的金属切削领域中。金属陶瓷刀片已占可转位刀片总数的，迄今仍在扩大应用范围。金属陶瓷硬度高，强度低，韧性低，因此不宜在有强烈冲击和振动的情况下使用。金属陶瓷的导热性、耐热性、抗粘结性和化学稳定性比高速钢好得多，因此。在刀具材料中获得了广泛应用。现在，金属陶瓷的发展方向是超细晶粒化和对其进行表面涂层。超细晶粒金属陶瓷可以提高切削速度，也可用来制造小尺寸刀具。与硬质合金刀具相比，该刀具的耐用度和使用寿命提高 倍，切削速度提高 倍，成本与其相当或略高，而金属切削加工费用下降 与普通 （，）基金属陶瓷刀具相比，该刀具可靠性更高。目前，国内制造业特别是机械制造业中普遍采用金属陶瓷、硬质合金等材料的刀片进行加工。陶瓷刀具以其卓越的高温性能、硬度及耐磨性得到了人们的普遍重视。但是，陶瓷材料的强度和韧性低，在许多加工条件下易于因破损而失效，这大大限制了它的应用范围，尤其是在自动加工领域，陶瓷刀具由于可靠性太差，很少在自动化加工设备中使用，尽管陶瓷材料可以通过一些增韧和补强的方法如颗粒增韧、相变增韧和晶须增韧等来提高其强度和断裂韧性，但提高的幅度十分有限。陶瓷涂层刀具结合了陶瓷材料和硬质合金材料的优点，在拥有与硬质合金材料相近的强韧性能的同时，耐磨性大大提高，能达到未加涂层刀具的几倍到十几倍，并且使加工效率显著提高，从而成为刀具材料的一个重要研究方向，在现代制造业尤其是在自动化加工中得到了广泛应用和迅速的发展。目前刀具的涂层方法仍以化学气相沉积法（）和物理气相沉积法（）为主，这两种方法在生产实践中已日渐成熟，但仍存在一些问题，比较突出的是目前应用的涂层刀具只是刀片表面涂层，而且涂层与基体间的界面结合强度低，涂层易剥落，这样就使涂层不可能做得太厚，因此在使用中涂层的使用寿命不会太长，一旦涂层被磨掉，刀具就会迅速磨损，这种情况使进一步提高涂层刀具寿命变得十分困难，另外涂层刀片基本上不具备重磨性，这将限制其在粗加工和大型加工设备中的应用。有技术人员在硬质合金粉末表面涂层 陶瓷制备刀具材料的新方法，成功地将溶胶凝胶法引人刀具材料的制备过程。溶胶凝胶法作为一种湿化学合成方法，具有设备简单、工艺易于控制、制品纯度和均匀度高等优点，近几年被广泛用于制作超导材料、光电材料、铁电材料、光导纤维，光盘介质、纳米级陶瓷粉末及陶瓷薄膜、晶须和各种复合材料。由于溶胶中胶粒尺寸很小（纳米级），具有很大的比表面能和强烈的吸附趋势，有可能形成结构致密、与基体结合牢固的陶瓷涂层。涂层金屑陶瓷目前发展速度非常迅速。涂层分为硬涂层和软涂层，前者主要是金属碳氮化物，包括 ，（），等。其中 的工艺最成熟。应用最广泛硬涂层主要是提高其硬度和耐磨性。一般可进行多层复合涂层。后者主要是 基涂层，可以降 低 摩 擦 系 数。另 外，软 硬 涂 层 可 以 复 合使用。最近由美国学者开发的纳米涂层刀具是利用纳米技术的一种新刀具，这种涂层方法采用多种材料的不同组合（如金属金属组合、金属陶瓷组合、陶瓷陶瓷组合、固体润滑剂金属组合等），以满足不同的功能和性能要求。其中 复合涂层是典型涂层材料，它相对于在 基加入 硬质合金而言，其抗弯强度得到进一步的提高，刀具的硬度和韧性显著增加。又因其具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能，十分适合于于切削。但纳米涂层的涂覆必须采用先进的工艺，如封闭场不平衡磁溅射法（）它要综述与述评 年第期（总第 期）现代技术陶瓷求精确的参数控制和先进的设备等，必然造成刀具成本的大幅提高。同时受工艺和切削条件的影响，涂层的粘结强度可能不足，切削时涂层容易脱落。切削性能迅速降低或失效。实验表明，各力学性能的峰值分别对应一定的纳米 的添加量。据试验，当添加量体积数时。可获得较优的综合物理力学性能。基金属陶瓷是在 基金属陶瓷基础上发展起来的一种具有高硬度、高强度、优良的高温和耐磨性能、良好的韧性以及密度小、导热率高 的 新 型 金 属 陶 瓷。其 主 要 硬 质 相 成 分 为 ，或 粘结相成分为 。其中 主要提高材料的硬度 提高材料的耐磨性而 提高材料的韧性。为调节材料的综合性能可适当添加其他碳化物如 ，和 等。和 可改善金属相对陶瓷相的润湿性并抑制碳化物晶粒长大 可提高材料的抗热震性能。虽然金属陶瓷材料制作的刀具硬度高、耐磨损，具有较高的高温抗软化能力和抗氧化能力，但也存在抗破损性能差及韧性低等问题。近年来以纳米粉末为原料制备出的高性能金属陶瓷为进一步提高金属陶瓷材料的综合性能提供了新途径。陶瓷切削刀具材料的研发应用方向由于陶瓷刀具具有耐用性、高硬度、化学稳定性好的性能，因此，适用于干切削加工铸铁和悴火钢，以及适于现代高速切削工艺的要求。制造业是产生环境污染的主要根源，而利用现有刀具材料的优势探索干切削新工艺，是未来金属切削发展的趋势之一。近年来，特别是工业发达国家，非常重视干式切削，为了贯彻环保政策，更是大力研开发和实施这种新型加工方法。长期以来，应用切削液一直是提高刀具寿命和加工质量的重要工艺因素，但也导致了生态环境的恶化，而且也增加了制造成本。根据美国企业的统计，在冷却加工系统中，切削液占总成本的 ，刀具成本占。因此，经济发达国家都非常重视干式加工的研究。据测，一般情况下，如减少切削液的使用可以节省 的加工成本。欧洲的工业界在大批量生产中，约有 的切削加工已经采用了干式切削。因此，未来切削加工的发展方向是尽量少用切削液。干式切削刀具设计时，应该考虑刀具的几何角度、刀具材料、刀片涂层等，而陶瓷和金属陶瓷刀具具有耐热性、高温硬度、化学稳性好的特点，因此，适合于干式切削铸铁和淬硬钢。随着金属切削技术的发展，零件的毛坯制造精度的提高，实现零件的少无切削加工已是现代制造技术的一种发展趋势。采用陶瓷刀具可以实现以车代磨，减少工序，缩短工艺路线，提高生产率。聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等；聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属，及合金、塑料和玻璃钢等；碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。硬质合金可转位刀片现在都已用化学气相沉积法涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具，也可用于高速钢刀具，如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁，使刀具在切削时的磨损速度减慢，涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高倍以上。由于在高温、高压、高速下，和在腐蚀性流体介质中工作的零件，其应用的难加工材料越来越多，切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。为了适应这种情况，刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料；进一步发展刀具的气相沉积涂层技术，在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层，更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾；进一步发展可转位刀具的结构；提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现最佳化。根据 关系，晶粒尺寸越小陶瓷材料硬度强度越高。当晶粒尺寸小到 左右时，强度硬度会有很大突破。但纳米粉活性很大，界面反应激活能较低，烧结过程极易长大，尽管加入抑制剂，效果仍不理想，因此目前还没有纳米级陶瓷刀具材料研制成功报道。纳米改性、综述与述评现代技术陶瓷 年第期（总第 期）纳米复合成功解决了晶粒异常长大问题，纳米级粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，导致基体晶粒细化。纳米改性、纳米复合及超细晶粒陶瓷刀具材料研究与开发将今后刀具材料发展主要方向。陶瓷刀具材料一种最有前途高速切削刀具材料生产有广泛应用前景。目前，它已引起世界各国重视。德国约 加工铸件工序用陶瓷刀具完成，而日本陶瓷刀具年消耗量已占刀具总量。我国陶瓷刀具发展也十分迅速，研究与开发水平与国际相当。陶瓷刀具具有非常高耐磨性，它比硬质合金有更好化学稳定性，可高速条件下切削加工并持续较长时问，比用硬质合金刀具平均提高效率 倍。它实现以车代磨、以铣代抛高效“硬加工技术”及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。实现干式切削，对控制环境污染降低制造成本有广阔应用前景。结束语新型陶瓷刀具材料具有其它刀具材料无法比拟优势，其发展潜力巨大。现代机械加工技术的发展对切削刀具材料提出了越来越高的要求，金属陶瓷作为一种硬度高、耐磨性好、韧性不断改善、可适应干式切削的新型刀具材料具有广阔的应用远景。通过对陶瓷刀具材料组分、制备工艺与材料设计研究，可以保持高硬度、高耐磨性、红硬性基础上，极大提高刀具材料韧性抗冲击性能，制备符合现代切削技术使用要求的适宜材料。随着金属陶瓷材料性能的进一步改进及产业化应用的不断推广，以及各种新型陶瓷刀具材料广泛使用，必将有力推动和促进高效机床及现代高速切削加工技术的快速发展。而高效机床及高速切削技术推广与应用，又进一步推动了新型陶瓷刀具材料快速发展。新型陶瓷刀具对切削加工朝着高速、高效、高精度方向发展将产生很大推动作用，它的推广应用将给金属切削加工工艺带来变革，改变传统的刀具材料和切削技术，节省工时、电力、机床占用台数和生产面积 ，从而带来巨大的经济效益。（，）：，：；