1.3 新型TiB₂基陶瓷刀具材料的研究现状

1.3.1 陶瓷刀具材料的研发现状

随着难加工材料在航空航天和工业工程领域中的大量应用，其对切削刀具提出了更高的要求，尤其是在加工诸如淬硬钢、高温合金、哈氏合金（一种含W的Ni-Cr-Mo合金）等难加工材料时，传统刀具由于热硬性较低，已无法满足高速切削这些难加工材料的要求，而陶瓷刀具以优异的热硬性，在切削这些难加工材料方面显示出强大的优势。近年来，分别以Al₂O₃、Ti（C，N）、Si₃N₄、TiB₂陶瓷为基体，通过多元复合的方法制备了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基陶瓷刀具已应用在切削加工领域，近年来通过多元复合法来提高Al₂O₃陶瓷刀具材料的抗弯强度和断裂韧度。常将微米级或纳米级的TiC、TiN、Ti（C，N）、（W，Ti）C、SiC、WC、ZrB₂、ZrO₂、Si₃N₄、TiSi₂、石墨烯等与Al₂O₃复合，以制备出高性能的Al₂O₃基陶瓷刀具材料。表1-1列出了近十年来所研制成功的氧化铝基陶瓷刀具材料的制备方法和力学性能。

除了研制新型Al₂O₃基陶瓷刀具材料揭示其增韧补强机理外，部分文献还对所研制的新型Al₂O₃基陶瓷刀具材料的高温力学性能、高温下的摩擦磨损性能，以及切削性能进行了研究。

Al₂O₃-SiCw-SiCnp陶瓷刀具材料随着测试温度从700℃增大到1200℃，其抗弯强度先增大后减小，在850℃时可保有较高的抗弯强度，其值为673MPa^[83]。Al₂O₃基陶瓷刀具材料在高温下不仅保有较高的力学性能，而且还具良好的摩擦磨损性能。Al₂O₃-TiC陶瓷刀具材料在高温（200～800℃）下的摩擦因数随温度的升高而降低，磨损率随温度的升高而增加；当温度大于600℃时，TiC发生氧化，并且在磨损接触区形成润滑氧化膜，这有利于降低摩擦因数；当温度小于400℃时，陶瓷刀具材料的磨损机理为磨粒磨损，而当温度为800℃时，氧化磨损机理占主导地位^[66]。Al₂O₃基陶瓷刀具在切削难加工材料时具有良好的性能。采用Al₂O₃-Ti（C，N）陶瓷刀具连续干切削马氏体不锈钢12Cr13，当切削速度为260m/min，切削深度为0.1mm，进给量为0.1mm/r时，Al₂O₃-Ti（C，N）陶瓷刀具的使用寿命最长，且12Cr13具有良好的表面质量，陶瓷刀具材料的磨损机理主要为磨粒磨损和黏着磨损^[72]；采用Al₂O₃-TiC-TiN陶瓷刀具切削超高强度钢300M，当切削速度超过400m/min时，前刀面将出现月牙洼磨损，且后刀面磨损严重，陶瓷刀具材料的磨损机理为磨粒磨损和黏着磨损^[75]；具有微纳纹理的Al₂O₃-TiC陶瓷刀具与普通的Al₂O₃-TiC陶瓷刀具相比，其在加工AISI1045淬硬钢的过程中，可减小振动，改变切屑的形貌，实现淬硬钢的稳定加工并可提高工件表面的加工质量^[69]。

2．Ti（C，N）基陶瓷刀具材料

Ti（C，N）基陶瓷刀具也已应用在切削加工领域，近年来通过多元复合法以提高Ti（C，N）基陶瓷刀具材料的硬度为主，获取更好的切削性能和更高的刀具使用寿命。常将微米级或纳米级的WC、MoC、TaC、Al₂O₃、Cr₂C₃、TiB₂、HfC、HfN、YAG等与Ti（C，N）复合，以制备出高性能的Ti（C，N）基陶瓷刀具材料。表1-2列出了近十年来所研制成功的Ti（C，N）基陶瓷刀具材料的制备方法及力学性能。

除了研制新型Ti（C，N）基陶瓷刀具材料揭示其制备机理外，部分文献还对新型Ti（C，N）基陶瓷刀具材料的切削性能进行了研究。向Ti（C，N）-Ni中加入WC、HfC、ZrC可提高Ti（C，N）基金属陶瓷刀具的切削性能和刀具使用寿命，加入WC或ZrC有利于提高Ti（C，N）基金属陶瓷刀具的车削寿命，而加入HfC有利于提高刀具的铣削寿命^[102]。在切削脆硬性材料时，Ti（C，N）基陶瓷刀具都展现出优异的切削性能。与YG8硬质合金刀具相比，在同等条件下切削铸铁时，Ti（C，N）-Al₂O₃-Cr₃C₂金属陶瓷刀具更适宜于高速切削铸铁，随着切削速度的增加，后刀面磨损量基本呈下降趋势；切削铸铁时，YG8刀具的磨损机理主要为扩散磨损、黏着磨损和氧化磨损，而Ti（C，N）-Al₂O₃-Cr₃C₂金属陶瓷刀具的磨损机理为磨粒磨损^[86]。Ti（C，N）-Al₂O₃陶瓷刀具在切削速度为120m/min，切削深度为0.3mm，进给量为0.1mm/r的条件下干切削40Cr淬硬钢的寿命为64.5min，工件的表面粗糙度Ra为1.27μm，刀具的失效形式主要为微崩刃，其磨损机理主要为磨粒磨损和黏着磨损^[93]。

3．Si₃N₄基陶瓷刀具材料

Si₃N₄基陶瓷刀具在切削加工领域有一定的应用，近年来通过多元复合法来提高Si₃N₄基陶瓷刀具的硬度和抗弯强度。常将微米级或纳米级的TiN、（W，Ti）C、TiC_0.7N_0.3、Al₂O₃、TiC、SiC等与Si₃N₄复合，以制备出高性能的Si₃N₄基陶瓷刀具材料。表1-3列出了近十年来所研制成功的Si₃N₄基陶瓷刀具材料的制备方法及力学性能。

除了研制新型Si₃N₄基陶瓷刀具材料揭示其制备机理外，部分文献还对新型Si₃N₄基陶瓷刀具材料的高温氧化性能和力学性能、摩擦磨损性能以及切削性能进行了研究。

Si₃N₄-Si₃N₄W-TiN陶瓷刀具材料在850℃下氧化时，只有少数晶间TiN晶粒被氧化成TiO₂；在1150℃时，TiN晶粒和Si₃N₄基体晶粒分别被氧化成TiO₂和SiO₂，晶内TiN晶粒的氧化滞后于Si₃N₄基体晶粒和晶间TiN晶粒的氧化^[110]。Si₃N₄-TiC纳米复合陶瓷材料分别在900℃、1000℃、1250℃下氧化后，其氧化增重与氧化时间呈抛物线规律，在900℃氧化100h后，材料的抗弯强度无明显下降，其抗弯强度为962MPa^[111]。Si₃N₄基陶瓷刀具材料不仅具有良好的高温抗氧化性能和力学性能，还具有良好的耐磨性。Si₃N₄-15%（W，Ti）C陶瓷刀具材料与轴承钢对磨，当负载为30N，滑动速度为100mm/s时，对磨面间的摩擦因数最小；在此负载下，当滑动速度为200mm/s时，陶瓷刀具材料的磨损率最小^[108]。此外，Si₃N₄基陶瓷刀具在切削脆硬性材料时也展现出良好的切削性能。Si₃N₄-SiC陶瓷刀具在360.7m/min切削速度下切削灰铸铁的性能优于商用刀具SN300和KY3500，其刀具寿命是商用刀具的3倍^[112]。Si₃N₄-TiC陶瓷刀具在切削淬硬钢T10A时，随着切削速度从97m/min增大到156m/min，切削温度迅速升高到了1000℃。与商用刀具SNM88相比，Si₃N₄-TiC陶瓷刀具展现出更好的耐磨性，Si₃N₄-TiC陶瓷刀具仅发生黏着磨损和磨粒磨损，而商用刀具SNM88除此之外，还发生了破损并有热震裂纹生成^[109]。

4．TiB₂基陶瓷刀具材料

TiB₂基陶瓷材料作为一种新型的陶瓷刀具材料，在切削领域的应用较少，目前主要通过多元复合的方法来提高TiB₂基陶瓷刀具材料的烧结性能和力学性能，在力学性能方面以提高TiB₂基陶瓷刀具材料的抗弯强度和断裂韧度为主。常将微米或纳米级的TiN、Al₂O₃、TiC、WC、（W，Ti）C、SiC、B₄C、石墨烯（GnS）等与TiB₂复合，以制备出高性能的TiB₂基陶瓷刀具材料。表1-4列出了近十年来所研制成功的TiB₂基陶瓷刀具材料的制备方法及力学性能。

除了研制新型TiB₂基陶瓷刀具材料揭示其制备机理外，部分文献还对新型TiB₂基陶瓷刀具材料的高温力学性能、高温下的摩擦磨损性能，以及切削性能进行了研究。

TiB₂-TiC-Al₂O₃-NbC陶瓷刀具材料在800℃下的抗弯强度为500MPa，可以满足切削要求，当温度大于800℃时，由于Ni黏结相的软化，材料的抗弯强度急剧下降^[119]；而TiB₂-SiC陶瓷刀具材料在800℃下的抗弯强度高于室温抗弯强度，当温度超过1000℃后，材料的抗弯强度显著降低，其在800℃、1000℃和1200℃下的抗弯强度分别为902MPa、713MPa和226MPa^[41]。TiB₂基陶瓷刀具在高温下不仅具有良好的力学性能，还具有良好的摩擦磨损性能。TiB₂-（W，Ti）C-Ag陶瓷刀具材料与Al₂O₃陶瓷材料在200℃和400℃下对磨时，Ag固体润滑剂能有效减小摩擦因数和陶瓷刀具材料的磨损量，在700℃下，生成的TiO₂氧化膜可起到减小摩擦的作用；陶瓷刀具材料在200℃下的磨损机理主要为轻微的磨粒磨损和黏着磨损，在400℃下的磨损机理主要为黏着磨损，在700℃下的磨损机理主要为轻微磨粒磨损和氧化磨损^[52]。此外，TiB₂基陶瓷刀具在切削难加工材料时也展现出优异的切削性能。与SG4陶瓷刀具相比，TiB₂-WC陶瓷刀具切削淬硬模具钢Cr12MoV时具有较优的切削性能，刀具的磨损机理为黏着磨损和磨粒磨损^[120]；在相同条件下对高温合金Inconel718切削后，TiB₂-B₄C陶瓷刀具的使用寿命是YG商用硬质合金刀具的2倍，TiB₂-B₄C陶瓷刀具材料较高的断裂韧度有利于保持切削刃的完整性和锋利程度，以及良好的抗黏着能力，其磨损机理主要为黏着磨损^[118]。

1.3.2 TiB₂基陶瓷刀具材料的研究目的及内容

针对目前切削领域所用TiB₂基陶瓷刀具的种类较少，不能满足高速切削难加工材料的需求，拟研制新型TiB₂基陶瓷刀具材料。通过控制变量法研究添加相、烧结工艺对TiB₂基陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响，揭示影响TiB₂基陶瓷刀具材料力学性能的主要因素，优化制备高性能新型TiB₂基陶瓷刀具材料工艺。研究新型TiB₂基陶瓷刀具材料与难加工材料间的摩擦磨损性能，揭示新型TiB₂基陶瓷刀具材料的磨损机理，分析其耐磨性，为新型TiB₂基陶瓷刀具材料切削性能的研究奠定基础。在此过程中，系统地阐述TiB₂基陶瓷刀具材料的设计方法、制备工艺、加工工艺和性能的表征方法，基于此设计新型TiB₂基陶瓷刀具材料，并初步制订制备工艺和加工工艺，以力学性能为评价指标逐步优化新型TiB₂基陶瓷刀具的组分配比及烧结工艺，制备出具有优异力学性能的新型TiB₂基陶瓷刀具材料，并研究其摩擦磨损性能，预知其耐磨性。这对丰富TiB₂基陶瓷刀具的种类、可靠高效地制备TiB₂基陶瓷刀具、降低加工成本具有重要的意义。