研究包括
陶瓷刀具材料和陶瓷刀具切削加工理論研究兩方面。長期以來，研究開發陶瓷刀具材料的研究者不研究陶瓷刀具的切削加工理論及應用，而研究陶瓷刀具切削加工的研究者又不研究開發陶瓷刀具材料，兩者脫節直接影響陶瓷刀具的發展和應用。我們多年來得到國家自然科學基金的資助，研究了陶瓷刀具材料切削加工基本理論和新型陶瓷刀具材料等有關課題。把二者緊密結合起來，建立陶瓷刀具研究新體系。 陶瓷刀具材料是未來發展的重要領域，將成為21世紀的**重要的刀具材料之一。目前國際上已發展有Al2O3基、Si3N4基和陶瓷
塗層刀具近40個品種200個牌號的陶瓷刀具材料，推廣應用日益廣泛，而我國目前只有20多個品種，主要用於
硬質合金無法加工的難加工材料、大型鑄件和鋼件等材料的切削加工，總產量還少於1%。因此陶瓷刀具的研究開發和應用與國外差距還相當大。本文主要介紹作者在國家自然科學基金資助下，既研究陶瓷刀具切削加工基本理論，又成功地開發出了多種新型陶瓷刀具材料，推動其走上國際先進行列所取得的新進展和成就。1 陶瓷刀具研究的新進展 陶瓷刀具破損理論的建立 陶瓷刀具磨損特徵和磨損機理 建立陶瓷刀具可靠性評價新方法 陶瓷刀具破損類型和破損形態 陶瓷刀具斷續切削時刀具損壞的主要形式是破損。刀具的破損有早期和後期兩種，早期破損是切削剛開始或短時間切削後一般衝擊次數為103次左右即發生的破損。這時前後刀面尚未產生明顯的磨損，一般VB＜0.1mm。陶瓷刀具切削高硬度材料或斷續切削時**常出現這種破損，其主要原因是
機械衝擊造成的應力超過了刀具材料許可的強度致使發生了脆性斷裂。 陶瓷刀具後期破損是在加工一定時間之後，刀具材料因衝擊、機械疲勞和熱疲勞而引起的破損。早期和後期兩種破損的形態均屬於脆性斷裂的特徵。陶瓷刀具脆性破損的形態主要有崩刃、剝落、碎斷和裂紋，陶瓷刀具的塑性破損較少。 陶瓷刀具的破損規律和破損壽命 陶瓷刀具的破損是一種典型的隨機現象，必須用概率論和數理統計方法來研究這種規律。大樣本試驗表明，陶瓷刀具斷續車削時其破損規律服從威布爾分布，而端銑時則服從對數正態分布(或近似地為威布爾分布)。脆性大的陶瓷刀具斷續切削時，很容易發生早期破損。因此，不可能按傳統的泰勒公式決定陶瓷刀具斷續切削時的磨損壽命與切削條件之間的函數關係，而應按刀具破損分布規律決定破損壽命與切削條件的關係。根據試驗數據由數理統計法估計威布爾或對數正態參數的均值，以評定陶瓷刀具破損壽命。在不同切削條件下進行試驗就可得到破損壽命與切削條件的關係。 陶瓷刀具的斷裂力學隨機特性破損判據的建立 陶瓷刀具的後期破損主要原因是在衝擊循環載荷作用下其內部存在的裂紋或類裂紋失穩。由於陶瓷刀具內裂紋及其它缺陷分布的隨機性及切削過程的複雜性，其破損又具有隨機特性。因此，以斷裂力學和概率統計學為基礎建立陶瓷刀具後期破損判據更符合實際。根據斷裂力學的材料破損條件和裂紋擴展速率，以及陶瓷刀具材料抗彎強度和裂紋的隨機分布特性，可以建立陶瓷刀具不同破損壽命下的理論破損概率。 深入進行了SiC晶須增韌
氧化鋁陶瓷刀具的磨損特徵和磨損機理的研究。研究表明，SiCW的取向對該陶瓷刀具的耐磨性能有顯著的影響。SiCW平行熱壓軸方向的平面耐磨性能優於垂直於熱壓軸方向的平面。磨損過程中SiCW有氧化現象，它加速了磨損。平行熱壓軸方向的平面受氧化影響作用較小，但垂直熱壓方向的平面的斷裂韌性比平行熱壓軸方向的平面大。摩擦表面主要是晶粒的塑性變形、機械摩擦犁溝以及SiCW的氧化脫落造成的表面缺陷引起基體晶粒的斷裂的脆性破損造成磨損。測試分析表明，Al2O3基體在熱壓過程中有
晶體擇優取向現象，Al2O3晶體的密排面有多數朝向試件熱壓面的趨勢，因此，性能低於與其垂直的表面。 研究結果表明，可以用KIC¾·H½(H為陶瓷刀具的硬度)和切削溫度來評價陶瓷刀具的前後刀面的耐磨損性能，即在相同的溫度下，此值越小，耐磨性能越高。 陶瓷刀具的可靠性是實際應用中的一個關鍵問題。刀具的可靠性既有一定的數量特性又有隨機性的特點。通常用可靠度作為刀具可靠性的一個評價指標。所謂刀具可靠度指的是刀具在規定的條件下規定的時間內完成確定的切削工作的概率，即刀具不損壞的概率，常用R(t)來表示。刀具損壞的主要原因是磨損和破損且兩者相互影響。 大量試驗結果表明，對於一定的陶瓷刀具材料其磨損壽命變異係數CS(樣本刀具磨損壽命的方差與其均值之比值)幾乎為一定值。因此，可以用CS來評價其磨損可靠性。 對於一定的陶瓷刀具材料可以利用其抗彎強度威布爾分布的形狀參數m來評價該陶瓷刀具的實際切削條件下的破損可靠度。對於晶須增韌陶瓷刀具可以用KIC、sb和H評價其破損可靠度。但是由於界面結合強度和材料的微觀結構組織具有更緊密直接的關係，所以用界面結合強度作為評價陶瓷刀具破損可靠度的指標，可以達到預報刀具破損可靠度和對刀具材料進行質量控制的目的。按晶須增韌陶瓷刀具材料的增韌機理可推導出界面結合強度公式。 2 建立陶瓷刀具研究新體系，加速開發新型陶瓷刀具 建立陶瓷刀具研究新體系，走上國際先進行列 加速先進陶瓷刀具的開發 努力做好成果轉化，取得實際效益 陶瓷刀具**突出的問題是要具有優異的切削性能，即具有高的抗磨損和抗破損性能，要具有高的可靠性。它與材料的成分、製造工藝、微觀結構及其物理機械性能密切相關。我們研究了陶瓷刀具材料微觀結構、力學性能等對其切削性能及其切削可靠性的影響，證實了這一點。因此可以建立以高的切削可靠性為目標的、融合陶瓷刀具切削加工與刀具材料開發於一體的陶瓷刀具研究新體系(見圖1)，根據切削可靠性優化設計陶瓷刀具材料。
圖1 陶瓷刀具研究新體系
根據上述思路，10多年來，基於切削可靠性，我們深入開發了6個品種系列、12個牌號的新型陶瓷刀具材料。80年代初研製成功了LT-55與SG-4(LT系列)陶瓷刀具材料，80年代末研究成功SiC晶須(SiCw)增韌氧化鋁基陶瓷刀具材料(JX系列)，首先優化了SiCw含量，根據熱脹失配原理分析了其中的SiCw**佳匹配，應以保證載荷通過界面有效地傳給晶須，並使界面先於基體脆性斷裂為原則。 90年代中研究成功添加硼化鈦TiB2增強氧化鋁基陶瓷刀具材料(LP系列)。以徑向殘餘應力產生不貫穿的裂紋為條件，得出在Al2O3/TiB2材料中，TiB2的體積分數為44.5%(極限量)。在此基礎上，又深入研究了晶須增韌和顆粒補強機理的協同作用。根據能量耗散理論，建立了晶須橋接、拔出與裂紋偏轉增韌理論模型和顆粒裂紋偏轉以及微裂紋區的理論模型。以此為基礎，分別研究了在Al2O3/TiB2加入SiCw和在Al2O3/SiCw中加入SiCp顆粒各自構成新的三相陶瓷刀具材料。隨著增韌補強機理研究的深入，我們又研究了添加特殊粉末以形成極微細裂紋達到增韌陶瓷刀具材料的目的，以及某些
稀土元素在復相陶瓷中可以清潔表面、提高界面結合強度、活化燒結與質點強化等作用機制而改善復相陶瓷刀具材料的力學性能的機理，研製成功了添加某些特殊粉末和稀土的LD系列陶瓷刀具材料。 陶瓷刀具材料的熱導率和抗拉強度較低，如果按導熱性能和應力分布設計陶瓷刀具材料的組分分布，使其表層具有**大導熱係數，有利於切削熱的迅速傳出，同時表層具有**小的熱膨脹係數，以使材料熱壓過程中形成壓應力來抵消切削過程的拉應力，也就是設計材料的組分，形成梯度分布。根據這種構思，**近開發出一種全新的梯度功能陶瓷刀具材料(FG系列)，經生產驗證表明，其切削性能比非梯度分布的陶瓷刀具優越得多。 陶瓷刀具的**大弱點是抗彎強度仍然較低。如果採用複合刀片形式，選用高硬度的Al2O3基的復相陶瓷材料為耐磨相，配合應用高強度、高彈性模量的硬質合金作為基體材料，通過熱壓製成陶瓷/硬質合金複合刀片(FH1-1和FH1-2)。其中FH1-1為單面陶瓷，FH1-2為雙面陶瓷，中間為硬質合金，兩者的等效抗彎強度比同類陶瓷刀片平均提高20%，斷裂韌性平均提高8.5%。生產試用結果表明，刀具壽命提高20%～30%，而抗破損能力提高更大。現在我們已開發出的新型陶瓷刀具的性能和用途見表1。這些刀具材料不僅填補了國內空白，其中JX-2、LP-2、LD-1和FG與FH等國外也未見報導。 表1 新型陶瓷刀具材料的物理機械性能 牌號 密度(g/cm3) 硬度(HRA) 抗彎強度(MPa) 斷裂韌性(Mpa·m½) 用途 SG-4 6.65 94.7～95.3 850 4.94 加工各種鋼和
鑄鐵，特別適於加工淬硬鋼(HRC60～65) JX-1 3.63 94～95 700～800 8.5 適於加工高溫鎳基合金 JX-2 3.73 93～94 650～750 8.0～8.5 **適合於加工純鎳和高鎳合金 LP-1 4.08 94～95 800～900 5.2 適於加工各種鋼和鑄鐵 LP-2 3.94 94～95 700～800 7～8 適於加工鎳基高溫合金 LD-1 4.95 93～94 ＞750 5.8～6.6 適於斷續切削各種鋼和鑄鐵 LD-2 6.51 93.5～94.5 700～860 5.8～6.5 適於斷續切削各種鋼和鑄鐵 FG-1 4.46 94～95 700～800 9.0 適於加工超高強鋼和高硬鑄鐵 FG-2 6.08 94.7～95.3 700～800 8.4 特別適於加工淬硬鋼 FH1-1 複合 94～95 800～1000 5.3～5.8 加工淬硬鋼 FH1-2 刀片 94～95 800～1000 5.3～5.8 適於斷續切削鋼和鑄鐵(包括淬硬鋼) 應用基礎研究絕不能停留在論文發表上，應該努力轉化為新的技術和產品。在完成基金資助項目後，我們又爭取到國家自然科學基金、山東省有關部門及工廠的支持，批量試製和試驗，並送工廠使用考驗和驗證，繼續完善和提高，同時擴大影響，爭取用戶。6個品種系列12個牌號的陶瓷刀具均有產品供貨，其中JX-2加工某火箭的電鑄純鎳件，刀具壽命很長，被工人譽為「神刀」。LT系列的SG-4、FG系列的FG-2與FH1系列陶瓷刀具為國內目前加工淬硬鋼(HRC60～65)**好的陶瓷刀具。