面向難加工材料的陶瓷刀具——訪清華紫光方大高技術陶瓷有限公司

   隨著現代科學技術的發展，各種高強度、高硬度的工程材料越來越多地被采用，這給高效切削加工帶來了很大的困難。與硬質合金刀具相比，陶瓷刀具因其更優良的耐熱耐磨性、高紅硬性等特點，在現代切削加工中扮演著越來越重要的角色。 
    然而目前國內陶瓷刀具的發展究竟處于什么樣的階段，我們對陶瓷刀具未來的發展又應該做些什么，帶著這樣的疑問，我們采訪了清華紫光方大高技術陶瓷有限公司(以下簡稱“紫光方大”)副總工程師仇啟源。他致力于陶瓷刀具研究已有幾十年，在向我們說起國內陶瓷刀具的發展歷程時他如數家珍，言談之中又不失風趣。
陶瓷刀具的發展概況
    目前國內市場上陶瓷刀具主要有兩大類：氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具。仇啟源介紹道：“氧化鋁基陶瓷刀具發展比較早，經過幾十年的性能改進和提高，硬度、強度、抗彎性能等都得到了加強；氮化硅基陶瓷刀具則是新一代的陶瓷刀具，具有更強的耐磨性、紅硬性、斷裂韌性和抗熱沖擊性，但由于其加工鋼件時易擴散或產生化學磨損，現在一般只用于鑄鐵件的粗加工。” 
    對于今后的陶瓷刀具將如何在高速切削領域發揮其作用，他進一步解釋道：“目前國外陶瓷刀具主要向精加工的方向發展，隨著毛坯質量提高，加工余量減少，使用陶瓷刀具可一次完成精加工；我國陶瓷刀具的發展主要是向解決難加工材料的方向發展，利用它完成高速鋼刀具、硬質合金刀具等無法解決的加工難題。” 
與別的刀具材料相比，陶瓷刀具*顯著的缺點就是斷裂韌性不足。作為評價其抗破損能力的重要指標之一，陶瓷刀具需要通過適當手段提高其硬度、抗彎強度及斷裂韌性，而在進行銑、刨、鏜削及其他斷續加工時，刀片材料的斷裂韌性更為重要。目前國內陶瓷刀具生產企業所采用的主要途徑是通過向陶瓷材料中添加ZrO2、TiC、SiC晶須及某些金屬等手段增韌，提高刀片的抗沖擊能力。 
      我國陶瓷刀具發展很早，從20世紀50年代起便已經開始。仇啟源說：“1958年大躍進時期，那時候我國還沒有正規生產陶瓷刀具的工廠，一些工人便到山里選用所謂‘石頭刀具’(即天然陶瓷刀具)，這種石頭刀具*大的缺陷是質量不穩定，所以一直沒有推廣起來，而且石頭刀具自身硬而脆，加工十分困難。直到新一代合成陶瓷刀具材料出現以后，加上金剛石砂輪在磨削方面的廣泛應用，才使陶瓷刀具產業真正發展起來。” 
目前我國刀具市場上的陶瓷刀具*數量比較少，僅占1%～3%左右，但在軋輥、碴漿泵、礦山機械、軸承、汽車等領域中都得到了廣泛應用。 
在寶鋼和瓦軸提出的軋輥和軸承加工“以車代磨”課題中，紫光方大為其做了一系列刀具材料性能、切削參數的實驗對比，*終使用陶瓷刀具切削淬硬鋼件及精密鑄件，大大降低了生產成本，現在還在這些企業中廣泛應用；汽車工業中也不斷采用許多難切削工程材料，以提高零部件性能，如含硼、鈮等稀土元素的合金鑄鐵及某些粉末冶金零件或鋼鐵合金等，在某廠的缸套加工中，采用國產陶瓷刀具替代硬質合金刀具后，切削速度由62m/min提高到332m/min，使生產效率提高了5倍，刀具耐用度也增加了5倍。 
用戶企業的幾個誤區
      仇啟源始終認為每種刀具材料都有其適用的范圍，新刀具材料的出現并不能完全取代舊材料的應用，很多舊的刀具材料仍然在不斷向前發展，比如高速鋼已發展至如今的粉末冶金高速鋼。他說：“陶瓷刀的種類、牌號多種多樣，選用時需依照加工的機床、待加工件的具體情況來確定陶瓷刀具的幾何參數和加工參數，生產中出現新的問題，便需要通過實驗來調整確定新的刀具，使用不當，用戶企業便容易陷入一些誤區。” 
*，由于國際上的CBN技術發展很快，其切削硬度值也高于陶瓷刀具，許多用戶企業便習慣認為CBN刀具可以適用于各種加工領域。“事實上，在高硬度材料的高速加工中，CBN刀具使用效果很好，但在切削硬度為HRC50以下的鋼件時，CBN刀具因其在加工中不能使工件軟化，加工效果、耐磨性等反不如陶瓷刀具，而且陶瓷刀具的使用成本僅為CBN刀具的1/5～1/10。”國內齒輪、軍工等行業內的許多工件目前都處于這個加工硬度范圍內，在這些領域，使用陶瓷刀具可以一次完成精加工，生產效率可大大提高。 
第二，用戶企業往往認為國外刀具公司生產的典型陶瓷刀具會普遍適用于各種加工領域，實際上在某些特定的加工領域并不一定適用。上海某廠在一個淬火鋼件的加工中，原來使用的是某世界著名刀具企業生產的陶瓷刀片CC650，這是上世紀70年代便已經大規模生產的刀具型號，在世界范圍內一度被認為是*好的加工淬火鋼的氧化鋁系陶瓷刀具，而切削現場的結果對比顯示，國產的新一代FD22型號陶瓷刀在加工工件數量及已加工表面質量等方面都優于CC650，而且價格也相對便宜，現在已被該廠大量選用，每月消耗量達1000多片。 
第三，一般陶瓷刀具切削普通正火鋼的切削速度都是200～300m/min，但一些企業在使用陶瓷刀具時，認為采用較低的切削速度，可以延長刀具的使用壽命，降低生產成本。事實上，采用較低的切削速度會大大降低生產效率。研究表明，在產品的生產成本中，刀具所占份額很低，其消耗成本僅占總成本的4％～5％，但對先進刀具的選用，卻能夠大幅度降低機床費用，帶來的成本收益則遠大于刀具的消耗。切削速度、走刀量選擇不合適，都會影響陶瓷刀具效率的充分發揮。 
      另外，為更好利用陶瓷刀片資源，正確選用金剛石砂輪對陶瓷刀具進行重磨也是十分重要的。 
陶瓷刀具市場亟待規范
      也許正是因為陶瓷刀具的生產過程比較簡單，所需設備、技術要求都不太高，而且國內軍工等許多行業的產品需求旺盛，一時間國內曾涌現出很多的陶瓷刀具生產企業。 
“但真正能夠批量、穩定生產的企業卻很少，由于缺乏必要的產品研發、市場推廣能力，他們平均壽命一般都只有3～5年。”仇啟源感慨道，“山東某冶金局曾一度紅紅火火地進行陶瓷刀具的生產，投資也頗有規模，但在相關組織者離任之后，由于反對的聲音很強烈，這項計劃便流產了，十分可惜。”在生產企業停止陶瓷刀具生產后，除了給本企業造成生產設備和資源的浪費外，還會給應用陶瓷刀具的企業帶來另一個問題，他們經過較長時間的使用，已經適應了這些陶瓷刀具的應用，而今后也只能另尋解決途徑，這都將造成嚴重的資源浪費。 
目前，刀具材料的研發與產業化也還存在著很大脫節，國內某些院校的類似科研課題還只是停留在試驗階段。仇啟源不無焦慮地說：“很多高校的碩士生、博士生的研究課題就是通過對刀具材料作一些配比，添加或減少某些成分，便研制出若干新的刀具牌號，但鮮有能進入生產領域大量應用的。這樣缺乏生產考核環節的研發，不僅是對人力、物力資源的極大浪費，而且也滋生了通過這種手段獲取學位、職稱的現象。”說到這里，他頗為自豪地向記者介紹：“目前由原國家計委2001年審批的全國惟一的《陶瓷刀具及氮化物制品產業化示范工程》項目——屬國家高新技術產業化示范工程，經過5年多的努力，*近已在我公司通過了專家驗收。”的確，一旦脫離了產業化和大量生產應用的需求，這些刀具研發投入就沒有了意義。 
      正如仇啟源所說，目前國內能夠批量穩定生產陶瓷刀具的廠家只有清華紫光方大等少數幾家，另外一些硬質合金工具公司如株鉆、自貢等的相關部門也進行小批量的生產。 
   陶瓷刀具是*有發展潛力的高速切削刀具，在生產中有美好的應用前景，已引起世界各國的重視。目前，德國陶瓷刀具的年消耗量占刀具總量的10％，日本的年消耗量也占總量的8％～9％。近幾年來，中國陶瓷刀具的發展也十分迅速，品種增加，性能提高。可以預料，隨著高速切削、干式切削和硬切削應用的增多，今后必將促進陶瓷刀具的發展與使用。