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氮化硼复合Ti(C,N)基金属陶瓷刀具：制备、性能与应用探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代制造业中，刀具材料作为切削加工的关键要素，其性能优劣直接决定了加工效率、产品质量与生产成本，对制造业的发展起着至关重要的支撑作用。切削加工在整个机械加工工作量中占比高达90%，高效先进的刀具能够显著提高加工效率，降低10%-15%的生产成本，素有“工业牙齿”之称。随着制造业的快速发展，对刀具材料的性能要求也日益严苛，不仅需要具备高硬度、高强度、高抗磨损和高耐腐蚀等基本性能，还需满足不同加工场景下的特殊需求。

传统的刀具材料，如高速钢和硬质合金，在面对现代制造业的高精度、高效率、高可靠性加工要求时，逐渐显露出其局限性。高速钢的硬度、耐磨性和耐热性相对较低，难以适应高速切削和精密加工的需求；硬质合金虽然在硬度和耐磨性方面有一定提升，但其韧性不足，在加工高硬度、高强度材料时易发生崩刃和破损，限制了其应用范围。因此，研发新型高性能刀具材料已成为推动制造业升级发展的迫切需求。

Ti(C,N)基金属陶瓷作为一种新型刀具材料，融合了金属和陶瓷的优点，自20世纪70年代问世以来，便受到了广泛关注。其主要硬质相为Ti(C,N)，并以镍、钼等作为粘结相。这种独特的组成结构赋予了Ti(C,N)基金属陶瓷高硬度、高红硬性、高抗氧化性和耐蚀性，以及切削时出色的抗粘着磨损和抗扩散磨损性能，填补了WC基硬质合金和陶瓷之间的性能空白，特别适用于钢和铸铁的半精加工和精加工。在国外，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料的用量已占刀具材料用量总量的10%-30%，而在国内，由于技术等多方面因素的限制，切削刀具仍多采用WC基硬质合金或陶瓷刀具。

然而，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具也存在一些不足之处，如抗弯强度低、红硬性和抗氧化性以及高温抗蠕变性差等，在高速切削过程中，其抗氧化磨损和抗扩散磨损能力较差，严重影响了刀具的使用寿命。为了进一步提升Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的性能，研究人员尝试通过添加各种增强相来对其进行改性。

立方氮化硼（CBN）作为一种超硬材料，具有硬度高（仅次于人造金刚石）、热稳定性好、对铁族元素化学惰性强等优点。将立方氮化硼与Ti(C,N)基金属陶瓷复合，有望制备出兼具两者优势的新型刀具材料。CBN的加入可以显著提高Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的硬度、耐磨性和热稳定性，使其能够更好地应对高速切削和难加工材料的加工需求；同时，Ti(C,N)基金属陶瓷的韧性和良好的加工工艺性，可以在一定程度上弥补CBN脆性大的缺点，提高刀具的综合性能。

本研究聚焦于氮化硼复合Ti(C,N)基金属陶瓷刀具及切削性能，具有重要的理论意义和实际应用价值。在理论层面，深入探究氮化硼与Ti(C,N)基金属陶瓷的复合机制、微观组织结构与性能之间的内在联系，有助于丰富和完善金属陶瓷材料的理论体系，为新型刀具材料的研发提供坚实的理论支撑。在实际应用方面，研发高性能的氮化硼复合Ti(C,N)基金属陶瓷刀具，能够有效满足现代制造业对高效、高精度加工的迫切需求，推动汽车、航空航天、模具制造等行业的快速发展，提高生产效率，降低生产成本，提升产品质量，增强我国制造业在国际市场上的竞争力。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外对Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料的研究起步较早，在基础理论和应用技术方面取得了众多成果。

在材料研究方面，不断探索新的成分体系和微观结构调控方法以提升性能。例如，美国的一些研究团队通过精确控制Ti(C,N)中碳氮比，优化粘结相的成分和含量，制备出了综合性能优异的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料。研究发现，当碳氮比在一定范围内时，能够有效改善材料的硬度、韧性和耐磨性之间的平衡。欧洲的研究机构则侧重于添加微量元素，如稀土元素等，来细化晶粒，增强晶界结合力，从而提高刀具材料的高温性能和抗磨损性能。德国的相关研究表明，添加适量的稀土元素可以显著提高Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料在高温下的抗氧化性能和抗热疲劳性能。

在制备工艺上，国外已经广泛应用热压烧结、放电等离子烧结（SPS）等先进技术。热压烧结技术能够在较低的温度和较短的时间内实现材料的致密化，有效减少晶粒长大，提高材料的性能。SPS技术则具有升温速度快、烧结时间短、能够制备出纳米结构材料等优点，使得制备出的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料具有更高的硬度和韧性。日本的企业在应用SPS技术制备高性能Ti(C,N)基金属陶瓷刀具方面处于领先地位，其产品在国际市场上具有很强的竞争力。

关于切削性能的研究，国外通过大量的切削实验，深入分析了切削参数、刀具几何形状