李映萱 / 工研院材化所
隨著工業的進步，加工技術與工件材料不斷演進，推動了刀具材料的快速發展。陶瓷切削刀具憑藉著優異的硬度及耐熱特性，在高速切削的應用日漸受到重視，並且在傳統硬質合金刀具難以加工的高溫合金領域也越來越普及。本文系統性地回顧了刀具材料的發展歷程，並介紹當前幾種常見的氧化鋁基和氮化矽基陶瓷刀具的特性與其適用範圍。最後，為了克服陶瓷刀具的可靠度問題並延長其使用壽命，本文還探討了幾個當前主要的研究方向。
【內文精選】
刀具材料發展史
加工技術及材料科學的演進，見證了人類智慧與科技進步的歷史進程。從原始的石器時代、青銅器時代、鐵器時代到現代，人類不斷追求更高效、更精確的加工方式。機械加工/切割乃利用鋒利的刀片將物體加工成特定形狀的操作。為了使加工成為可能，切削刃必須比工件材料更硬。一般而言，切削刀具的硬度應至少是工件材料硬度的3倍。隨著現代加工速率的提升，要求刀具在高溫條件下維持高硬度，此特性稱為熱硬度(Hot Hardness)，否則刀具材料會在高溫下軟化或與工件黏附，將影響加工品質。
陶瓷刀具發展新趨勢
2. 異質界面控制
在陶瓷材料中添加硬質的增強相是常見的增韌方法，除了硬質顆粒材料的不斷創新，複合材料當中的異質界面需要被仔細地研究，若能形成熱力學穩定的界面，增強效果甚至可加倍。NTK公司發現在Al2O3-WC複合材料中添加少量的ZrO2，這些Zr原子會在界面形成單原子偏析層，如圖八(c)所示，並可顯著地提高複合陶瓷的機械性能。Zr原子在界面形成較無方向性的Zr-O離子鍵，對晶格扭曲增加的能量不如具有強方向性的共價鍵來的多，因此可有效提升異質界面的穩定性。在Al2O3-45 vol% WC複合材料中添加5 vol% ZrO2之後，其抗彎強度由原本的1 GPa大幅提升至2 GPa以上，如圖八(d)所示。
圖八、(a) NTK BIDEMICS之顯微結構；(b)模擬計算Al2O3-WC界面之微分電子密度；(c) Al2O3-WC界面之STEM照片；(d) Al2O3-45WC添加ZrO2後之彎曲強度變化
3. 自我修復機制
陶瓷刀具在切削過程中，裂紋擴展失效是導致陶瓷刀具使用壽命降低的主要原因。因此，能夠自我修復(Self-repairing)微裂紋的陶瓷刀具具有很大的應用價值與發展潛力。研究發現，在陶瓷材料中添加具有自我修復功能的組分，如：SiC、TiC、TiSi2、TiB2或MAX相(如：Ti2AlC)材料，可在切削過程中的高溫環境下引發這些成分發生氧化反應，生成液態的SiO2、TiO2及B2O3 這些玻璃液相在毛細作用下遷移到裂縫內部，同時氧化反應引起體積膨脹，擠壓裂紋壁，促進裂紋癒合。圖九為Al2O3-TiC-TiB2刀具在切削過程中的自修復機制示意圖 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖九、Al2O3-TiC-TiB2刀具在切削過程中的自修復機制示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》461期，更多資料請見下方附檔。