现代陶瓷刀具材料以其优异的物理力学性能和切削性能，把金属切削加工的能力和水平提高到一个新的高度。在高速切削领域以及加工某些难加工材料方面，陶瓷刀具是包括金属刀具在内的任何高速钢和硬质合金刀具都无法比拟的[1～3 ].陶瓷刀具材料具有很高的耐磨性、耐热性和化学稳定性，因而它的应用不但能大大提高切削加工生产率，而且将极大地促进金属切削加工技术的进步。
文献[4 ]表明， 21世纪先进陶瓷的发展有以下3大趋势：一是由单相高纯向多相复合陶瓷发展二是由微米级向纳米级陶瓷材料发展三是陶瓷材料的计算机辅助设计。可以说，当前陶瓷刀具材料设计势在必行，而且，材料科学与计算机技术的飞速发展，也已经使得复相陶瓷刀具材料设计的研究具备了一定的可行性1复相陶瓷刀具材料设计的理论框架为了进一步阐明复相陶瓷刀具材料设计的总体思路，明确陶瓷刀具材料设计的内容和方向，提出复相陶瓷刀具材料设计的理论框架见图1.在这个框架中，从材料的设计要求到系统设计、组分设计、微观结构设计和工艺设计，直至材料的制备和应用，各个环节前后密切联系，构成一个有机的整体。将材料应用的结果反馈到材料设计的各个环节，还可以通过材料的二次、三次甚至多次设计，不断地修改设计参数，使之终达到设计目标的要求，从而研制出具有优良物理力学性能、切削性能和高的切削可靠性的现代陶瓷刀具材料。
在系统设计中，应首先根据对国内外已有陶瓷刀具材料的统计与分析，同时考虑到刀具材料的性能要求，确定备选的组分系统。然后，再根据物理相容性和化学相容性计算与分析的结果以及增韧补强机理的需要，进一步筛选所要研究的组分系统。后，通过理论计算确定组分系统中各增强相的极限体积含量，以进一步缩小试验范围，减少试验工作量。
需要特别指出的是，本研究把陶瓷刀具材料各组分与工件材料之间的化学相容性问题作为系统设计的一个重要组成部分，这在以往的研究中是从来没有过的。因为对于刀具材料而言，其力学性能的好坏只是一个方面。考虑到陶瓷刀具材料多用于高速切削或难加工材料的加工等领域，此时刀屑接触区的压力和温度相当高。在这种条件下，刀具材料与工件材料之间发生化学反应的可能性增大，而化学反应的发生将会使刀具材料的耐磨性能与抗破损性能有不同程度的降低。从这方面来看，在确定陶瓷刀具材料组分系统时，将各组分材料与被加工工件材料之间的化学相容性作为一项约束条件是十分必要的。因此，把工件材料也视为一独立相，着重研究它与刀具材料各组分之间的化学相容性对刀具材料切削性能的影响。
在组分设计中，首先要根据各种宏观和微观力学理论设法建立陶瓷刀具材料物理力学性能与材料组分之间的定量关系。然后以此为基础，根据刀具材料不同使用性能如耐磨性能、抗热震性能、抗破损性能以及刀具可靠性等的要求进行组分设计。由于在不同的实际工作条件下，对各项力学性能指标的要求不尽相同，或者说是侧重点不同。材料制备的经验表明，各项力学性能指标并不总在同一组分点处达到大值。这样，就存在一个优化设计的问题。除了传统的优化设计方法外，各种现代优化设计方法如人工神经网络、遗传算法以及模式识别等都将具有较好的应用效果。
增韧补强机理的需要不仅是组分系统选取时必须考虑的一个不可忽视的因素，而且也是陶瓷刀具材料微观结构设计中的主要内容之一料组分不同，相应的增韧补强机理就有所不同。例如，若要采用颗粒弥散增韧就要选用那些具有高的弹性模量并与基体具有较好物理匹配的第二相粒子若要采用晶须增韧，就要选用性能良好、具有较大长径比的晶须如等而若要采用协同增韧，就必须同时具备弥散颗粒、晶须以及相变增韧材料ZrO中的2种或多种组分。而且，从晶界应力设计的角度来看[7 ]，弱界面与微裂纹的形成作为它的2种表现形式，通过把陶瓷材料中的应力引入到晶界上，致使在材料内部形成一种具有转移、吸收或消耗外来能量的机制，从而在本质上创造了解决陶瓷材料脆性的可能性。这里，微量添加剂的应用将发挥十分重要的作用，而且初步的研究已经证明了这一点。
陶瓷刀具材料微观结构设计的另一个方面是颗粒尺寸与粒径配比的确定。颗粒尺寸不仅对陶瓷材料的抗弯强度、断裂韧性等力学性能有较大影响，而且对材料的烧结制备过程以及烧结工艺的确定也有一定程度的影响。而合适的粒径配比也是获得材料较高的力学性能的必要条件之一。
如近年来提出的多层次多相复合陶瓷材料就得益于合理的粒径配比的应用。
对于工艺设计，可以从陶瓷刀具材料制备过程中的某一个侧面出发，采用计算机仿真等方法研究工艺参数对晶粒生长动力学、致密化动力学、温度场以及热应力场的不同影响。并据此对材料的制备工艺提出相应的要求，从而可以大大减少试验工作量，缩短研制周期，加速陶瓷刀具材料的研制进程。
在上述各个设计环节结束以后，再辅之以少量的材料试验，就可以制得一种新型陶瓷刀具材料。之后，通过对其物理力学性能测试以及微观结构的分析，检验并修正前面的设计理论。并通过切削试验与进一步的实际应用，从切削性能和切削可靠性的角度对所研制的陶瓷刀具材料提出修改建议，并反馈到各个设计环节进行修正。这样，通过不断的反馈和修正，就能终获得满足设计要求的新型陶瓷刀具材料。
2应用与讨论笔者遵循上述研究思路，在陶瓷刀具材料设计的各个环节中做了尝试，研制成功几种A l系复相陶瓷刀具材料的后刀面磨损曲线。试验条件如下：机床为何角度为V瓷刀具材料的耐磨性能均低于稀土补强陶瓷刀具材料和若切削速度再提高，这种差别将更为明显。
试验发现[ 8]，几种新型陶瓷刀具材料在切削复相陶瓷刀具材料设计的理论框架――许崇海黄传真艾兴等淬硬45钢时刀具磨损形式基本相同，均以后刀面磨损和前刀面月牙洼磨损为主，此外还有轻微的边界磨损。对于含S iC的A SW 3和A ST 3陶瓷刀具材料，其月牙洼磨损不均匀，磨损沟纹深而明显，且有粘结物存在。而对于不含S iC的稀土补强陶瓷刀具材料和其月牙洼磨损较为均匀，但由磨粒磨损形成的沟纹较不明显而且月牙洼内的粘结物相对较少。
事实上，用含有S iC的陶瓷刀具加工淬硬钢时， S iC很容易在切削高温的作用下与工件材料中的F e元素发生化学反应而且热力学计算结果也证明了这一点[8 ].切削速度越高，切削温度也就越高，由此导致F e与S iC的反应进一步加剧。而S iC与Fe反应后使原有的硬度与耐磨性下降，与基体的结合强度削弱，因此在切削中硬质点的划擦作用下很容易脱落，从而降低整个材料的切削性能。此外，高温下的溶解磨损也是含的陶瓷刀具材料切削性能较差的原因之一[ 13 ].这样，由于Fe与S iC的化学反应及溶解磨损的影响，使刀具中Fe元素含量增加，从而增大刀具与工件发生粘结的倾向，降低刀具的耐磨性能。
如果刀具材料中含有易与工件材料发生反应的组分（如A SW 3和A ST 3刀具材料中的S iC等），那么在相同的切削条件下，它的切削性能就会较低，低于那些不易与工件材料发生反应的刀具材料（如A T 1和A T 2）。这一点同样也可以从其它切削试验中得到进一步的验证，证明了笔者提出的在复相陶瓷刀具材料设计的理论框架中把工件材料视为一独立相，充分考虑它与刀具材料之间化学相容性的新思路的正确性，它对复相陶瓷刀具材料的系统设计具有极重要的理论指导作用。
应该指出，虽然含S iC的复相陶瓷刀具材料在切削铁族类工件材料时的切削性能较差。但研究表明[14 ]，在切削镍基合金以及纯镍时，各种含S iC的陶瓷刀具材料均表现出良好的切削性能。
热力学计算表明， S iC与N i的反应在800K时的化学反应自由能为ΔG= 22. 1 kJ / m ol 0（受现有热力学数据的限制，仅能计算到此时该反应不可能发生。但文献[11]通过试验在1200K时发现了S iC与N i的反应产物的存在。与Fe相比较， S iC与N i的反应相对较轻，而且开始反应温度较高。可以说，这是含S iC的陶瓷刀具材料在加工N i基合金时具有较好的切削性能的重要因素之一。因此，可以预计含S iC的多相复合陶瓷刀具材料A SW 3和A ST 3在加工镍基合金时切削性能将有所提高。
[1 ]艾兴，萧虹。陶瓷刀具切削加工。北京：机械工业出[ 3 ]肖诗纲。现代刀具材料。重庆：重庆大学出版社，郭景坤。关于先进结构陶瓷的研究。无机材料学报，师昌绪。材料科学大词典。北京：化学工业出版社，[ 7 ]郭景坤。陶瓷晶界应力设计。无机材料学报， 1995，[ 8 ]许崇海。复相陶瓷刀具材料设计、仿真及其应用研究： [博士学位论文].济南：山东工业大学， 1998.
[ 9]金宗哲，张国军，包亦望等。复相陶瓷增强颗粒尺[ 14 ]黄传真。新型复相陶瓷刀具材料的研制及切削可靠性研究： [博士学位论文].济南：山东工业大（编辑马尧发）250100）机电工程系副教授、博士。研究方向为先进陶瓷刀具材料及结构陶瓷材料设计、制造及应用。发表论文50余篇。黄传真，男， 1967年生。山东大学（济南市250061）机械工程学院教授、博士研究生导师。艾兴，男， 1924年生。山东大学机械工程学院教授、博士研究生导师、中国工程院院士。赵忠元，男， 1958年生。
山东轻工业学院科研处副教授。
