1 氮化硅基陶瓷刀具

1. 单一Si₃N₄陶瓷刀具
   此类陶瓷刀具主要是以Mgo为添加剂的热压陶瓷。其硬度为9l～93HRA，耐磨性介于一般陶瓷和立方氮化硼之间，抗弯强度为0.7～0.85GPa，介于一般陶瓷和YT30之间，冲击韧度相当于Y130，耐热性可达1300℃～1400℃，具有良好的抗氧化性。此外，Si陶瓷有自润滑性能，摩擦系数较小，抗粘接能力强，不易产生积屑瘤，且切削刃可磨得锋利。能加工出良好的表面质量，特别适合于车削易形成积屑瘤的工件材料，如铸造硅铝合金等。
2. 复合Si₃N₄陶瓷刀具
   由于Si₃N₄陶瓷以共价键结合，晶粒是长柱状的，因此有较高的硬度、强度和断裂韧性，同时它有较小的热膨胀系数(=3×10-6/℃)，所以有较好的抗机械冲击性和抗热冲击性。Si₃N₄刀具特别适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬质合金刀具高几倍至十几倍。在汽车发动机铸铁缸体等加工中应用越来越普遍。但是Si₃N₄陶瓷的硬度并不是特别高(HRA92.5)，在加工硬度较高的工件时，如冷硬铸铁(HS65-80)、高铬铸铁(HS80-90)等，纯Si₃N₄陶瓷刀具的耐用度是较低的。为改善其耐磨性。加人TiCN、TiCN+TiN作为硬质弥散相，以提高刀具材料的硬度，同时保留较高的强度和断裂韧性，称为复合氮化硅陶瓷刀具。与单s3N4陶瓷刀具相比，复合氮化硅陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力和耐磨性都有了很大提高，且易于制造和烧结。是今后陶瓷刀具的重点发展方向。
3. Sialon陶瓷刀具
   目前许多国家竞相开发一种新型Si基陶瓷刀具：赛隆(Sialon)刀具。赛隆刀具是英国LucasAyMon公司研制成功的一种单相陶瓷刀具，以Si₃N₄为硬质相Al₂0₃为耐磨相，并添加少量助烧剂Y₂0₃，经热压烧结而成，有很高的强度和韧性(抗弯强度可达1200MPa，硬度达1800HV)，Sialon陶瓷刀具具有良好的抗热冲击性能，与Si₃N₄相比。Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能更高。耐热温度较高达1300℃以上，具有较好的抗塑性变形能力。其冲击强度接近于涂层硬质合金刀具，巳成功应用于铸铁和高温合金等难加工材料的加工。目前国际上赛隆(Sialon)陶瓷材料的研究非常活跃，在改进制备工艺，进行复相、超细颗粒、自增韧刀具材料等的研制方面巳取得了较好的成果。
   与Si₃N₄相似，Sialon陶瓷也具有2种晶体结构，a-Sialon为等轴晶具有较高的硬度和耐磨性能，b-Sialon为柱状晶断裂韧性和热传导能力相对较好，(a+b)-Sialon复相陶瓷刀具综合了两相优点，切削性能更优异，重载条件下其耐磨性能优于单相陶瓷刀具目前有2种制备自增韧a#p#分页标题#e#-Sialon陶瓷的方法：①通过控制成核过程的热力学特点，在烧结体内原位生长柱状-Sialon晶粒以得到自增韧Sialon陶瓷；②采用燃烧合成工艺，制备单相柱状-Sialon粉体，将此粉体按照适当比例添加到原料中制备自增韧-Sialon陶瓷。为降低烧结温度，一般要加入各种烧结助剂。比较常用的烧结助剂有：Y₂O₃等氧化物和多种稀土元素，一般同时采用2种或2种以上的烧结助剂。
   Sialon陶瓷刀具适用于高速切削、强力切削、断续切削；不仅适合于干切削，也适合于湿式切削Sialon陶瓷可成功地用于铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的加工，是高速加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料。由于它和钢的化学亲和性大，Sialon陶瓷刀具不适合加工钢。
4. Si₃N₄晶须增韧陶瓷刀具
   晶须增韧陶瓷是在Si₃N₄基体中加入一定量的碳化物晶须而成，从而可提高陶瓷刀具的断裂韧性。如我国北京方大高技术陶瓷有限公司生产的FD03刀片及湖南长沙工程陶瓷公司生产的SW21牌号均属这一类。FD03刀片是在Si₃N₄陶瓷基体中加入了硬质弥散颗粒TiC，SW21刀片是在Si₃N₄中加入了一定量的SiC晶须，故有较好的使用性能。国外一些切削专家认为，用Si₃N₄基陶瓷切削钢材效果不如Al2O3基复合陶瓷，故不推荐用其加工钢材。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬钢(60～68HRC)、高锰钢、高铬钢和轴承钢时具有较好的效果。

2 金属陶瓷刀具

1. Ti(C.N)基金属陶瓷刀具
   金属陶瓷也叫硬质合金或烧结碳化物，它是陶瓷-金属复合材料以TiC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80%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30%，迄今仍在扩大应用范围。而美国却只占5%，但有人预示美国制造业中已经能看到大量应用金属陶瓷的前景。
   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。以纳米TiN占2%～15wt%改性的TiC或Ti(CN)基金属陶瓷刀具，硬度高、耐磨性好，其热稳定性、导热性、耐蚀性、抗氧化性及高温硬度、高温强度等都有明显优势。与硬质合金刀具相比，该刀具的耐用度和使用寿命提高1～50倍，切削速度提高1.5～3倍，成本与其相当或略高，而金属切削加工费用下降20%-40%与普通Ti(C.N)基金属陶瓷刀具相比，该刀具可靠性更高。
2. 涂层金属陶瓷刀具
   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TiN、TiC、Ti(CN)、TiAIN、CrC、CrN等。其中TiN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MoS基涂层，可以降低摩擦系数。另外，软硬涂层可以复合使用。
3. 纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具
   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TiC/TiN复合涂层是典型涂层材料，它相对于在TiC基加入TiN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(CFUMS)它要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。 #p#分页标题#e#
   纳米金属陶瓷刀具成分为：53TiC-10TIN(nm)-18Mo-18Ni-1C，TiN纳米粉粒度为30nm-50nm。实验表明，各力学性能的峰值分别对应一定的纳米TiN的添加量。据合肥工业大学试验，当添加量体积数6%-8%时。可获得较优的综合物理力学性能。

3 陶瓷刀具材料的研究思路和展望

4 结语