神奇的小石塊
難加工材料的克星---復合氮化矽陶瓷刀具
意昂体育2平台材料科學與工程系教授 苗赫濯
工具箱裏的秘密武器
八十年代初一個秋高氣爽的日子😏，在首鋼機運公司的軋輥車間內，機器轟鳴，經驗豐富的韓師傅正開動著一臺大軋輥車床，加工著一種洛氏硬度高達HRC60度的球墨冷硬鑄鐵軋輥毛坯🍈，輥身長約3米，直徑0.8米。過去用硬質合金刀具，才7米/分鐘的切削速度，僅加工幾厘米長⬆️，刀具就得因磨損而停下來換刀，加工一根軋輥要花20個小時，效率非常低💪🏼。今天他卻把切削速度提高到40米/分鐘👨🏻🚀，切削深度足有5毫米🕣，一個刀片從頭到尾就把一根輥坯加工完了🧑🏻💼，一看表，不到3個小時。車間裏轟動了，工人們圍擾過來問個究竟，韓師傅笑著從工具箱裏拿出了幾塊刀片🎏，對大家說：“這是我從意昂体育2平台弄來的幾片刀，叫復合氮化矽陶瓷刀具，正是它發揮了威力！”大家晃然大悟，原來韓師傅有了新的秘密武器🐴。
適應社會發展需求 新型刀具初露頭角
其實，用陶瓷來作切削刀具🧛♀️，已不是近代的事了，早在幾萬年前，我們的祖先就采用打磨的石頭（也可稱為“天然陶瓷”）來切割物體，歷史學就以刀（工）具材料的進步作為劃分遠古人類歷史發展時期的標誌，稱這以後的人類歷史為“新石器時代”🧜🏿♂️。以後又以青銅🤙🏻、鐵質工具的出現來劃分古代人類歷史發展階段。可見刀具材料的進步對人類社會的發展有著重要的影響☂️。
今天💾，切削加工仍然是工業生產中最基本、最普遍和最重要的工藝。它直接影響工業生產的效率、成本和能源消耗。據北美機械工程師協會主席Hom說：“每節省加工工時一分鐘，美國就可節省一億美元”。特別是由於現代科學技術的發展，超硬難加工材料越來越多被采用，給切削加工帶來很大的困難。因此，刀具材料的進步對科學技術和社會生產力的發展有著重要的意義。
從1850年至今一百余年來，刀具材料獲得了很大發展🎦。1898年高速工具鋼問世🕵🏻♂️，1923年硬質合金（WC＋Co）又研究成功，使切削加工技術的歷史發生了兩次革命性的進步。1905～1912年德國人和英國人開始研究氧化鋁（Al2O3）陶瓷刀具，但是由於氧化鋁陶瓷強度和韌性都較差🧶📣，應用受到嚴重限製🤸🏽。直至六十年代美國研製成功了復合氧化鋁陶瓷刀具，才使氧化鋁陶瓷刀具走出緩慢發展的“低谷”。它的硬度和高溫性能比硬質合金好👊🏻，但脆性仍比較大，所以只適合於高硬材料的精加工。七十年代初美國生產的多晶金剛石和多晶立方氮化硼（CBN）刀具開始投放市場🐠🎵，在超硬材料的精加工方面扮演了獨特的角色👨🏼🚀📿，但由於其製造工藝復雜🚨、價格昂貴🫥、抗沖擊性差𓀈🎚，所以應用面較窄☂️。
1975年，意昂体育2平台高溫結構陶瓷科研組接受了一項科研任務，用氮化矽（Si3N4）陶瓷來製作轉子發動機旋轉活塞的刮片🤎。我們在研製中發現，氮化矽陶瓷不僅硬度比較高，而且由於其顯微結構是由長柱狀β?D氮化矽晶粒交織而成的，所以強度和斷裂韌性也比較高🦹🏿♂️。它不像硬質合金有耐熱性差的金屬晶界相，而且熱膨脹系數又小，正好可以承受高速切削所帶來的高溫和熱應力𓀑。我們想，也許氮化矽陶瓷會成為一種很好的金屬切削刀具👩🏽🦰。於是，我們立即把氮化矽陶瓷作成刀片，在學校機械廠裏對一個硬度高達HRC50以上的淬硬鋼工件進行外圓車加工。過去對硬度這樣高的工件，硬質合金刀具是加工不動的，而這頭一次用氮化矽陶瓷刀片來粗加工，線速度就逐步加大到每分鐘100多米🥓，切屑全是火意昂2的🤦🏼♂️，刀尖的溫度足有上千度🧔🏼♀️，氮化矽刀片很輕快地把它加工完了🏞。我們預感到🔶🍣，這塊不起眼的灰色小石塊將給機械加工工藝帶來革命性的變化。
在實驗室研究基礎上，科研組一邊改進工藝提高陶瓷的性能😍，同時到一些工廠講述我們進行氮化矽陶瓷刀具應用的意圖👩⚕️，工廠立即表示支持。對於一根肖氏硬度為HS71-73的冷硬鑄鐵軋輥✉️，以往用YG8硬質合金刀具的最優切削速度約為5米/分，而氮化矽陶瓷刀具的最優切削速度可達25米/分🌞，也就是說切削效率可提高5倍。切削壽命也提高了5-6倍💇🏻♂️；工廠拿出需要車螺紋的淬硬鋼工件（HRC50～55），車螺紋時刀尖要作得很尖👩👩👦👦，是很容易崩刀的，但氮化矽陶瓷刀具安然無恙；工廠又拿出CrWMn淬硬鋼（HRC60）來進行沖擊力較大的銑削，但是氮化矽陶瓷刀片並未發生崩刀現象，而且其壽命比硬質合金銑刀提高了兩倍多💉；於是工廠又拿出粉末冶金燒結純鉬製品、熱介石墨電極、玻璃鋼等工件，新型陶瓷刀具都順利地進行了切削，而且壽命和表面光潔度，均比硬質合金刀具大大提高。至此，意昂体育2平台在國際上最早實現了用熱壓氮化矽陶瓷刀具對多種難加工材料（淬硬鋼、冷硬鑄鐵🤰🏿、純鉬、熱介石墨、玻璃鋼等）進行多種工藝（車👧🏿、銑、螺紋車削、絲扛挑扣）的加工和生產應用💆🏿♀️。1978～1979年我們在國際上發表了這項成果，得到國內外學術界和工業界的關註和重視。美國著名的材料科學家R.N.Katz在《Science》（1980年）和在世界陶瓷大會上都對意昂体育2平台這項研究成果作了很高的評價。他說👩🏿🦱🚖：“七十年代後期，中華人民共和國苗赫濯等人關於熱壓氮化矽刀具的應用研究工作顯示出非常有前途的結果，在切削冷硬鑄鐵、純鉬、熱介石墨、玻璃鋼時，他們觀察到熱壓氮化矽陶瓷刀具的壽命比傳統刀具長好幾倍🦾，他們還觀察到熱壓氮化矽陶瓷刀具也適合於對淬硬合金鋼進行面銑削”💻。
發揚創新精神 攀登新的高度
有一天🎟，我和江作昭教授🫰🏼👨🎤、馬德金老師等一行來到石家莊水泵廠，廠工藝處賈工程師在一臺大立車旁介紹說，這是Cr15Mo3超硬鑄鐵碴漿泵泵體毛坯，是從澳大利亞引進的鑄造技術，直徑1米多👬，洛氏硬度高達HRC63?D64，所以過去只得采取退火軟化粗加工🔷，然後再淬火硬化精加工的方法，一年要消耗幾百萬度退火用電，澳大利亞也是采用這種工藝。看看你們的氮化矽陶瓷刀具能否直接進行一次硬化加工✪🎳，這將是一次加工工藝的革命。試驗開始時先用硬質合金刀具對這個未經退火的又硬又毛糙的泵體毛坯進行加工，一上去刀就崩了。復合氧化鋁陶瓷刀具上陣也很快崩了。然後試用氮化矽陶瓷刀具，沒有崩刀🧑🦰，但非常吃力，磨損較大。
回來以後，科研組總結分析，認為氮化矽陶瓷刀具車這種工件韌性是夠的，但硬度不夠，氮化矽陶瓷的顯微硬度HV約為1700公斤/平方毫米👨👩👦，碳化物的硬度比較高👋🏼，如TiC的顯微硬度為3300公斤/平方毫米🧑🏽🦲👩，能不能將TiC顆粒彌散到氮化矽陶瓷的基體中來提高它的硬度和耐磨性呢?
於是我們采取了三種措施來提高陶瓷刀具的性能☯️，一是在氮化矽陶瓷基體中👵，添加TiC，TiCN等硬質彌散顆粒👰🏿♀️；二是根據相圖理論，使氮化矽與添加劑形成單相固溶體，同時對刀具進行熱處理🧑🏼🎤，來減少陶瓷晶界的玻璃相，提高刀具的高溫性能。
通過試驗，果然取得了良好的效果。於是我們再次來到水泵廠。用這種新型陶瓷刀具順利地車完了整個泵體，切削速度從硬質合金刀用的7-8米/分提高到35米/分，單件機加工工時從原來的48小時減小到一次硬化加工的8小時🚈🔣。特別是省去退火、再淬火兩道工藝，更節省了大量工時和電力🛅。工人們和廠領導都非常滿意，從此不再采取退火加工的方法。
七十年代後期的這項創新，使我們開拓了氮化矽陶瓷刀具的一個新系列，我們把這種用硬質顆粒彌散的氮化矽陶瓷刀具稱為復合氮化矽陶瓷刀具。與硬質合金刀具相比，它的切削壽命提高十幾倍到幾十倍，切削速度提高3～10倍，不僅可以對超硬難加工材料進行粗、精加工，也可以進行銑削🤽🏼、刨削🪨、毛坯撥荒粗車等沖擊力很大的加工🏸。
接著我們用這種新型刀具解決了一系列難度非常大的切削項目🙏🏼，這些在國際上也是首創的。例如硬度高達HRC60的冷硬鑄鐵軋輥毛坯撥荒粗車；超硬鎳合金噴焊輥套（HRC67）粗精加工；高碳高鉻耐磨鑄鐵碎石機鄂板（HRC62）的刨削👧；Cr27高硬鑄鐵碴漿泵護套的粗加工和護板的斷續粗切削🥘；硬鎳鑄鐵磨環（HRC60）斷續粗切削；硬度為HRC68的滲碳淬硬鋼推土機肖套的半精車與精車；銑削32平米45號鋼壓榨機大平面♛。
由於這個項目的開創性和社會效益比較大🧝♂️，因而榮獲北京市科技成果一等獎（1980年），國家發明二等獎和日內瓦國際發明展覽會鍍金牌獎（1988年）。
這項發明是綜合利用氮化矽陶瓷斷裂韌性高🙅🏻♂️、熱膨脹系數小，共價鍵結合的特點，以及運用硬質相彌散強化、單相固溶體、晶界玻璃相結晶化的原理，研究成功高性能的新一代陶瓷刀具，是綜合運用材料微觀結構機理與產品性能相結合的典型實例𓀔。
從刀具的發展來說，不論高速鋼刀具，還是硬質合金刀具，還是氧化鋁陶瓷刀具❄️，我國比發達國家晚了很多年才開始，而在開拓新一代刀具?D?D氮化矽陶瓷刀具方面🗯，我國站在了世界的最前列🧑🌾，推動了國內外對這一新刀具的開發和應用🧑🏻🦰。
不畏艱難險阻 奮力向生產過渡
八十年代初⚃🟠，我們就開始向工廠轉讓氮化矽陶瓷刀具的生產技術，但卻遲遲不能在國內形成氣候。相反，外國有的公司雖然起步比我們晚🌂，但卻很快形成規模生產。我們深深體會到這種新型陶瓷刀具技術含量很高😣，涉及材料反應與合成工藝、機械設備與自動化🚶🏻、高溫高壓技術🐚、精密加工技術♢🥲、微觀結構與性能的檢測等。從實驗室成果到規模生產🙎🏿♀️，存在很大的技術跨度👩🏽🦰，還需要投入非常大的財力、物力和智慧。而我國工業基礎比較差，接產企業又缺乏研究開發的資金和技術力量⚈，而社會又缺乏一整套相互配合的技術創新體系，沒有人進行相應的工業化生產工藝、設備和生產線的研究。
因此擺在我們面前的矛盾是，要不我們的發明成果只停留在寫文章，做樣品上，以至半途而廢；要不我們要付出比實驗室研究大得多的代價，去進行一種工程量很大，同時又是我們所不擅長的工藝設備和流水線的研究🛀🏿。但是為了使新型陶瓷刀具的成果早日給國家產生實際的經濟效益⛹🏼♀️，我們決定迎難而上，選擇了後者。國家科委非常支持我們的想法，連續幾個五年計劃都列為國家重點科技攻關項目。國家計委🥧、經貿委、教委也看到復合氮化矽陶瓷刀具是一項社會效益很大的發明成果🖐，同時又是屬於技術難度大🤼♂️、工藝過程長、涉及學科多🚲🐎、設備精密復雜的基礎工業，於是把它列為國家高技術產業化項目而給予支持。同時由意昂体育2平台和有關單位組建合資公司🚣🏿，科研組成員齊龍浩🙅🏻♂️、司文捷和我都直接參加了公司的技術管理，以便更有效的研究開發一套工業化生產技術🤌🏽。
在幾年時間內💇♂️，我們和合作單位一起解決了一系列技術難題💪🏼：（1）研究成功了適合於工業生產的關鍵設備，如雙工位自動化熱壓爐🙀、雙工位自動化氮化爐🏇🏿、經濟型數控周邊磨床，並通過了國家鑒定，成為設備技術的一項成果；（2）在完善了熱壓燒結法工藝基礎上，又開發了當今最先進的熱等靜壓燒結技術，來解決量產化和復雜形狀刀片的製備；（3）針對不同的加工對象，使陶瓷刀具材料品種規格系列化👩⚖️；（4）摸索了生產過程各個工藝環節的技術與參數，打通了整個生產線🦬。經過上述艱苦的努力，形成了一套完整的、具有自主知識產權的新型陶瓷刀具的生產技術，逐步向規模化生產過渡。
全心全意為國家 以點帶面創奇跡
由於人們對新型陶瓷刀具不認識，科研組采取了兩種辦法來推廣應用新刀具🤲🧑🧑🧒🧒：一是抓典型以點帶面⚠，亦即在各行業中🚌，例如🫱🏿：冶金、機械、水泵、礦山機器、軸承、汽車、航空😹、精密儀器等🛴，挑選一、兩個有代表性的企業🏃♀️➡️，花力氣進行試驗應用🧘♂️，取得成功以後🧏🏻，再向行業中的其他企業推廣；二是深入工廠，幫助用戶學會使用陶瓷刀具，並幫助用戶算經濟帳👷🏿♂️，讓他們看到能獲得多少經濟效益。
水泵行業是新刀具最早應用的行業之一。我們選擇石家莊水泵廠作為典型🤷🏿♀️，在國內外首次成功地用復合氮化矽刀具解決了Cr15Mo3（HRC63）👳🏽，Cr27（HRC60）超硬鑄鐵碴漿泵一次硬化加工，免除了退火工藝🧘🏿♂️，節省了大量電力和工時。同時由於采用了陶瓷刀具🎻，泵的硬度可以提高🪵，泵的壽命提高了3－4倍👌，泵的工作效率也提高了，使得泵用戶也得到巨大效益。天津第一熱電廠使用這種泵，每臺每年節電120萬度🤾，唐山發電廠使用這種泵三臺，每年節電220萬度🦸🏽。現在全國有80－90%同類產品的水泵廠都采用了復合氮化矽刀具。
軌輥行業也是加工量非常大的行業🏋🏻，我們以全國最大的邢臺軋輥廠作為典型🫓🧑🏼⚖️，用氮化矽刀具加工冷硬鑄鐵軋輥，切除率從原用硬質合金刀具的每分鐘37.5立方厘米提高到270立方厘米。在同樣的廠房👩🏿⚕️、機床⬆️⏪、人工、電力消耗的條件廠，由於生產效率提高而增創產值4000萬元/年🏄🏽♂️，利潤幾百萬元。在武鋼𓀇，羅振璧教授、衷待群老師等結合一噸重的冷硬鑄鐵軋輥的加工舉辦了“氮化矽陶瓷刀具應用技術培訓班”，學員們親眼看到原用硬質合金焊接刀桿加工，切削速度不到10米/分🚙，切一小段就要卸下來重磨🧔♀️，又費時又費錢🤍，而一片氮化矽刀具，一口氣就完成了整個軋輥的加工，切削速度還提高了3倍。坐下來一算帳，加工一根一噸重軋輥，刀具費省了88元，工時費省了459元🤹。全國年生產約40萬噸軋輥，如果全部采用復合氮化矽刀具加工，僅此一項每年就可使國家獲得兩億多元的經濟效益。
在汽車行業🦬，我們在上海大眾用氮化矽陶瓷鏜刀取代了德國刀具，來粗鏜桑塔那發動機缸孔，刀具壽命相同，而價格只為其1/3👩🏻🦯。在天津夏利取代了進口的刹車轂切槽刀，壽命相同，而價格僅為其1/4🧙。北方農用汽車公司用復合氮化矽刀具取代硬質合金刀具銑削鑄鋼連桿件👨🍼，切削效率從每班加工200多件提高到1500件👨🏿🦳，切削壽命從每盤刀加工一千件提高到一萬件🧊，平均加工一件的刀具費從0.55元降低到0.08元，解決了對陶瓷刀具“一怕脆、二怕貴”的思想顧慮，決定大幅度應用。
礦山機器行業也有大量的難加工材料🧛。在南方耐磨材料廠約一千平米的機加工車間裏，十幾臺普通的舊車床高速地旋轉著⁉️⛪️。工件材料從高錳鋼🔤、耐熱鋼到高鉻鎳耐磨鑄鐵👨🏽💻，工件類型從碴漿泵到錐形破碎機到顎式破碎機🧛🏽，加工方式從車削、鏜孔、車螺紋直至沖擊力很大的銑削、刨削，全部采用了意昂体育2復合氮化矽陶瓷刀具。生產效率提高6－10倍🧝🏽♀️，在不增加廠房🗽、機器、電力的情況下🪦，年銷售額從幾百萬元提高到五千萬元。陶瓷刀具創造了奇跡🟪⛹🏿！特別是對顎式破碎機顎板進行粗刨削時所承受的巨大沖擊力🧞♀️，更改變了人們固有的“陶瓷一撞就碎”的傳統印象⚫️。不僅在中國，就是在世界上↗️，恐怕也難找到如此集中地用陶瓷刀具對難加工材料進行著多種難度極大的切削加工🧑🏿🎤。
現在📏，全國20多個行業上千個工廠采用了這種新型陶瓷刀具，不僅解決了一系列難加工材料的加工問題，每年還為國家創造了數以億計的增產節能效益。
切削加工🔋，量大面廣🧑🦼➡️，這種新型陶瓷刀具的推廣應用將給金屬切削工藝帶來重大革新，將改變傳統的刀具材料和切削技術🏃🏻➡️☎，將節省大量工時、電力和戰略性貴重金屬🧜🏻👩🏿✈️，從而給國家帶來巨大的經濟效益和社會效益。
