1.3 新型TiB₂基陶瓷刀具材料的研究現(xiàn)狀

1.3.1 陶瓷刀具材料的研發(fā)現(xiàn)狀

隨著難加工材料在航空航天和工業(yè)工程領(lǐng)域中的大量應(yīng)用，其對(duì)切削刀具提出了更高的要求，尤其是在加工諸如淬硬鋼、高溫合金、哈氏合金（一種含W的Ni-Cr-Mo合金）等難加工材料時(shí)，傳統(tǒng)刀具由于熱硬性較低，已無(wú)法滿(mǎn)足高速切削這些難加工材料的要求，而陶瓷刀具以?xún)?yōu)異的熱硬性，在切削這些難加工材料方面顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，分別以Al₂O₃、Ti（C，N）、Si₃N₄、TiB₂陶瓷為基體，通過(guò)多元復(fù)合的方法制備了Al₂O₃基陶瓷刀具材料、Ti（C，N）基陶瓷刀具材料、Si₃N₄基陶瓷刀具材料、TiB₂基陶瓷刀具材料。

1．Al₂O₃基陶瓷刀具材料

Al₂O₃基陶瓷刀具已應(yīng)用在切削加工領(lǐng)域，近年來(lái)通過(guò)多元復(fù)合法來(lái)提高Al₂O₃陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度。常將微米級(jí)或納米級(jí)的TiC、TiN、Ti（C，N）、（W，Ti）C、SiC、WC、ZrB₂、ZrO₂、Si₃N₄、TiSi₂、石墨烯等與Al₂O₃復(fù)合，以制備出高性能的Al₂O₃基陶瓷刀具材料。表1-1列出了近十年來(lái)所研制成功的氧化鋁基陶瓷刀具材料的制備方法和力學(xué)性能。

除了研制新型Al₂O₃基陶瓷刀具材料揭示其增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理外，部分文獻(xiàn)還對(duì)所研制的新型Al₂O₃基陶瓷刀具材料的高溫力學(xué)性能、高溫下的摩擦磨損性能，以及切削性能進(jìn)行了研究。

Al₂O₃-SiCw-SiCnp陶瓷刀具材料隨著測(cè)試溫度從700℃增大到1200℃，其抗彎強(qiáng)度先增大后減小，在850℃時(shí)可保有較高的抗彎強(qiáng)度，其值為673MPa^[83]。Al₂O₃基陶瓷刀具材料在高溫下不僅保有較高的力學(xué)性能，而且還具良好的摩擦磨損性能。Al₂O₃-TiC陶瓷刀具材料在高溫（200～800℃）下的摩擦因數(shù)隨溫度的升高而降低，磨損率隨溫度的升高而增加；當(dāng)溫度大于600℃時(shí)，TiC發(fā)生氧化，并且在磨損接觸區(qū)形成潤(rùn)滑氧化膜，這有利于降低摩擦因數(shù)；當(dāng)溫度小于400℃時(shí)，陶瓷刀具材料的磨損機(jī)理為磨粒磨損，而當(dāng)溫度為800℃時(shí)，氧化磨損機(jī)理占主導(dǎo)地位^[66]。Al₂O₃基陶瓷刀具在切削難加工材料時(shí)具有良好的性能。采用Al₂O₃-Ti（C，N）陶瓷刀具連續(xù)干切削馬氏體不銹鋼12Cr13，當(dāng)切削速度為260m/min，切削深度為0.1mm，進(jìn)給量為0.1mm/r時(shí)，Al₂O₃-Ti（C，N）陶瓷刀具的使用壽命最長(zhǎng)，且12Cr13具有良好的表面質(zhì)量，陶瓷刀具材料的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和黏著磨損^[72]；采用Al₂O₃-TiC-TiN陶瓷刀具切削超高強(qiáng)度鋼300M，當(dāng)切削速度超過(guò)400m/min時(shí)，前刀面將出現(xiàn)月牙洼磨損，且后刀面磨損嚴(yán)重，陶瓷刀具材料的磨損機(jī)理為磨粒磨損和黏著磨損^[75]；具有微納紋理的Al₂O₃-TiC陶瓷刀具與普通的Al₂O₃-TiC陶瓷刀具相比，其在加工AISI1045淬硬鋼的過(guò)程中，可減小振動(dòng)，改變切屑的形貌，實(shí)現(xiàn)淬硬鋼的穩(wěn)定加工并可提高工件表面的加工質(zhì)量^[69]。

2．Ti（C，N）基陶瓷刀具材料

Ti（C，N）基陶瓷刀具也已應(yīng)用在切削加工領(lǐng)域，近年來(lái)通過(guò)多元復(fù)合法以提高Ti（C，N）基陶瓷刀具材料的硬度為主，獲取更好的切削性能和更高的刀具使用壽命。常將微米級(jí)或納米級(jí)的WC、MoC、TaC、Al₂O₃、Cr₂C₃、TiB₂、HfC、HfN、YAG等與Ti（C，N）復(fù)合，以制備出高性能的Ti（C，N）基陶瓷刀具材料。表1-2列出了近十年來(lái)所研制成功的Ti（C，N）基陶瓷刀具材料的制備方法及力學(xué)性能。

除了研制新型Ti（C，N）基陶瓷刀具材料揭示其制備機(jī)理外，部分文獻(xiàn)還對(duì)新型Ti（C，N）基陶瓷刀具材料的切削性能進(jìn)行了研究。向Ti（C，N）-Ni中加入WC、HfC、ZrC可提高Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具的切削性能和刀具使用壽命，加入WC或ZrC有利于提高Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具的車(chē)削壽命，而加入HfC有利于提高刀具的銑削壽命^[102]。在切削脆硬性材料時(shí)，Ti（C，N）基陶瓷刀具都展現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。與YG8硬質(zhì)合金刀具相比，在同等條件下切削鑄鐵時(shí)，Ti（C，N）-Al₂O₃-Cr₃C₂金屬陶瓷刀具更適宜于高速切削鑄鐵，隨著切削速度的增加，后刀面磨損量基本呈下降趨勢(shì)；切削鑄鐵時(shí)，YG8刀具的磨損機(jī)理主要為擴(kuò)散磨損、黏著磨損和氧化磨損，而Ti（C，N）-Al₂O₃-Cr₃C₂金屬陶瓷刀具的磨損機(jī)理為磨粒磨損^[86]。Ti（C，N）-Al₂O₃陶瓷刀具在切削速度為120m/min，切削深度為0.3mm，進(jìn)給量為0.1mm/r的條件下干切削40Cr淬硬鋼的壽命為64.5min，工件的表面粗糙度Ra為1.27μm，刀具的失效形式主要為微崩刃，其磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和黏著磨損^[93]。

3．Si₃N₄基陶瓷刀具材料

Si₃N₄基陶瓷刀具在切削加工領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，近年來(lái)通過(guò)多元復(fù)合法來(lái)提高Si₃N₄基陶瓷刀具的硬度和抗彎強(qiáng)度。常將微米級(jí)或納米級(jí)的TiN、（W，Ti）C、TiC_0.7N_0.3、Al₂O₃、TiC、SiC等與Si₃N₄復(fù)合，以制備出高性能的Si₃N₄基陶瓷刀具材料。表1-3列出了近十年來(lái)所研制成功的Si₃N₄基陶瓷刀具材料的制備方法及力學(xué)性能。

除了研制新型Si₃N₄基陶瓷刀具材料揭示其制備機(jī)理外，部分文獻(xiàn)還對(duì)新型Si₃N₄基陶瓷刀具材料的高溫氧化性能和力學(xué)性能、摩擦磨損性能以及切削性能進(jìn)行了研究。

Si₃N₄-Si₃N₄W-TiN陶瓷刀具材料在850℃下氧化時(shí)，只有少數(shù)晶間TiN晶粒被氧化成TiO₂；在1150℃時(shí)，TiN晶粒和Si₃N₄基體晶粒分別被氧化成TiO₂和SiO₂，晶內(nèi)TiN晶粒的氧化滯后于Si₃N₄基體晶粒和晶間TiN晶粒的氧化^[110]。Si₃N₄-TiC納米復(fù)合陶瓷材料分別在900℃、1000℃、1250℃下氧化后，其氧化增重與氧化時(shí)間呈拋物線規(guī)律，在900℃氧化100h后，材料的抗彎強(qiáng)度無(wú)明顯下降，其抗彎強(qiáng)度為962MPa^[111]。Si₃N₄基陶瓷刀具材料不僅具有良好的高溫抗氧化性能和力學(xué)性能，還具有良好的耐磨性。Si₃N₄-15%（W，Ti）C陶瓷刀具材料與軸承鋼對(duì)磨，當(dāng)負(fù)載為30N，滑動(dòng)速度為100mm/s時(shí)，對(duì)磨面間的摩擦因數(shù)最小；在此負(fù)載下，當(dāng)滑動(dòng)速度為200mm/s時(shí)，陶瓷刀具材料的磨損率最小^[108]。此外，Si₃N₄基陶瓷刀具在切削脆硬性材料時(shí)也展現(xiàn)出良好的切削性能。Si₃N₄-SiC陶瓷刀具在360.7m/min切削速度下切削灰鑄鐵的性能優(yōu)于商用刀具SN300和KY3500，其刀具壽命是商用刀具的3倍^[112]。Si₃N₄-TiC陶瓷刀具在切削淬硬鋼T10A時(shí)，隨著切削速度從97m/min增大到156m/min，切削溫度迅速升高到了1000℃。與商用刀具SNM88相比，Si₃N₄-TiC陶瓷刀具展現(xiàn)出更好的耐磨性，Si₃N₄-TiC陶瓷刀具僅發(fā)生黏著磨損和磨粒磨損，而商用刀具SNM88除此之外，還發(fā)生了破損并有熱震裂紋生成^[109]。

4．TiB₂基陶瓷刀具材料

TiB₂基陶瓷材料作為一種新型的陶瓷刀具材料，在切削領(lǐng)域的應(yīng)用較少，目前主要通過(guò)多元復(fù)合的方法來(lái)提高TiB₂基陶瓷刀具材料的燒結(jié)性能和力學(xué)性能，在力學(xué)性能方面以提高TiB₂基陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度為主。常將微米或納米級(jí)的TiN、Al₂O₃、TiC、WC、（W，Ti）C、SiC、B₄C、石墨烯（GnS）等與TiB₂復(fù)合，以制備出高性能的TiB₂基陶瓷刀具材料。表1-4列出了近十年來(lái)所研制成功的TiB₂基陶瓷刀具材料的制備方法及力學(xué)性能。

除了研制新型TiB₂基陶瓷刀具材料揭示其制備機(jī)理外，部分文獻(xiàn)還對(duì)新型TiB₂基陶瓷刀具材料的高溫力學(xué)性能、高溫下的摩擦磨損性能，以及切削性能進(jìn)行了研究。

TiB₂-TiC-Al₂O₃-NbC陶瓷刀具材料在800℃下的抗彎強(qiáng)度為500MPa，可以滿(mǎn)足切削要求，當(dāng)溫度大于800℃時(shí)，由于Ni黏結(jié)相的軟化，材料的抗彎強(qiáng)度急劇下降^[119]；而TiB₂-SiC陶瓷刀具材料在800℃下的抗彎強(qiáng)度高于室溫抗彎強(qiáng)度，當(dāng)溫度超過(guò)1000℃后，材料的抗彎強(qiáng)度顯著降低，其在800℃、1000℃和1200℃下的抗彎強(qiáng)度分別為902MPa、713MPa和226MPa^[41]。TiB₂基陶瓷刀具在高溫下不僅具有良好的力學(xué)性能，還具有良好的摩擦磨損性能。TiB₂-（W，Ti）C-Ag陶瓷刀具材料與Al₂O₃陶瓷材料在200℃和400℃下對(duì)磨時(shí)，Ag固體潤(rùn)滑劑能有效減小摩擦因數(shù)和陶瓷刀具材料的磨損量，在700℃下，生成的TiO₂氧化膜可起到減小摩擦的作用；陶瓷刀具材料在200℃下的磨損機(jī)理主要為輕微的磨粒磨損和黏著磨損，在400℃下的磨損機(jī)理主要為黏著磨損，在700℃下的磨損機(jī)理主要為輕微磨粒磨損和氧化磨損^[52]。此外，TiB₂基陶瓷刀具在切削難加工材料時(shí)也展現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。與SG4陶瓷刀具相比，TiB₂-WC陶瓷刀具切削淬硬模具鋼Cr12MoV時(shí)具有較優(yōu)的切削性能，刀具的磨損機(jī)理為黏著磨損和磨粒磨損^[120]；在相同條件下對(duì)高溫合金Inconel718切削后，TiB₂-B₄C陶瓷刀具的使用壽命是YG商用硬質(zhì)合金刀具的2倍，TiB₂-B₄C陶瓷刀具材料較高的斷裂韌度有利于保持切削刃的完整性和鋒利程度，以及良好的抗黏著能力，其磨損機(jī)理主要為黏著磨損^[118]。

1.3.2 TiB₂基陶瓷刀具材料的研究目的及內(nèi)容

針對(duì)目前切削領(lǐng)域所用TiB₂基陶瓷刀具的種類(lèi)較少，不能滿(mǎn)足高速切削難加工材料的需求，擬研制新型TiB₂基陶瓷刀具材料。通過(guò)控制變量法研究添加相、燒結(jié)工藝對(duì)TiB₂基陶瓷刀具材料力學(xué)性能和微觀組織的影響，揭示影響TiB₂基陶瓷刀具材料力學(xué)性能的主要因素，優(yōu)化制備高性能新型TiB₂基陶瓷刀具材料工藝。研究新型TiB₂基陶瓷刀具材料與難加工材料間的摩擦磨損性能，揭示新型TiB₂基陶瓷刀具材料的磨損機(jī)理，分析其耐磨性，為新型TiB₂基陶瓷刀具材料切削性能的研究奠定基礎(chǔ)。在此過(guò)程中，系統(tǒng)地闡述TiB₂基陶瓷刀具材料的設(shè)計(jì)方法、制備工藝、加工工藝和性能的表征方法，基于此設(shè)計(jì)新型TiB₂基陶瓷刀具材料，并初步制訂制備工藝和加工工藝，以力學(xué)性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)逐步優(yōu)化新型TiB₂基陶瓷刀具的組分配比及燒結(jié)工藝，制備出具有優(yōu)異力學(xué)性能的新型TiB₂基陶瓷刀具材料，并研究其摩擦磨損性能，預(yù)知其耐磨性。這對(duì)豐富TiB₂基陶瓷刀具的種類(lèi)、可靠高效地制備TiB₂基陶瓷刀具、降低加工成本具有重要的意義。