神奇的小石块

清华大学材料科学与工程系教授 苗赫濯

 

 

   八十年代初一个秋高气爽的日子，在首钢机运公司的轧辊车间内，机器轰鸣，经验丰富的韩师傅正开动着一台大轧辊车床，加工着一种洛氏硬度高达HRC60度的球墨冷硬铸铁轧辊毛坯，辊身长约3米，直径0.8米。过去用硬质合金刀具，才7米/分钟的切削速度，仅加工几厘米长，刀具就得因磨损而停下来换刀，加工一根轧辊要花20个小时，效率非常低。今天他却把切削速度提高到40米/分钟，切削深度足有5毫米，一个刀片从头到尾就把一根辊坯加工完了，一看表，不到3个小时。车间里轰动了，工人们围扰过来问个究竟，韩师傅笑着从工具箱里拿出了几块刀片，对大家说：“这是我从清华大学弄来的几片刀，叫复合氮化硅陶瓷刀具，正是它发挥了威力！”大家晃然大悟，原来韩师傅有了新的秘密武器。

 

 

    其实，用陶瓷来作切削刀具，已不是近代的事了，早在几万年前，我们的祖先就采用打磨的石头（也可称为“天然陶瓷”）来切割物体，历史学就以刀（工）具材料的进步作为划分远古人类历史发展时期的标志，称这以后的人类历史为“新石器时代”。以后又以青铜、铁质工具的出现来划分古代人类历史发展阶段。可见刀具材料的进步对人类社会的发展有着重要的影响。

 

   今天，切削加工仍然是工业生产中最基本、最普遍和最重要的工艺。它直接影响工业生产的效率、成本和能源消耗。据北美机械工程师协会主席Hom说：“每节省加工工时一分钟，美国就可节省一亿美元”。特别是由于现代科学技术的发展，超硬难加工材料越来越多被采用，给切削加工带来很大的困难。因此，刀具材料的进步对科学技术和社会生产力的发展有着重要的意义。

 

   从1850年至今一百余年来，刀具材料获得了很大发展。1898年高速工具钢问世，1923年硬质合金（WC＋Co）又研究成功，使切削加工技术的历史发生了两次革命性的进步。1905～1912年德国人和英国人开始研究氧化铝（Al₂O₃）陶瓷刀具，但是由于氧化铝陶瓷强度和韧性都较差，应用受到严重限制。直至六十年代美国研制成功了复合氧化铝陶瓷刀具，才使氧化铝陶瓷刀具走出缓慢发展的“低谷”。它的硬度和高温性能比硬质合金好，但脆性仍比较大，所以只适合于高硬材料的精加工。七十年代初美国生产的多晶金刚石和多晶立方氮化硼（CBN）刀具开始投放市场，在超硬材料的精加工方面扮演了独特的角色，但由于其制造工艺复杂、价格昂贵、抗冲击性差，所以应用面较窄。

 

   1975年，清华大学高温结构陶瓷科研组接受了一项科研任务，用氮化硅（Si₃N₄）陶瓷来制作转子发动机旋转活塞的刮片。我们在研制中发现，氮化硅陶瓷不仅硬度比较高，而且由于其显微结构是由长柱状β?D氮化硅晶粒交织而成的，所以强度和断裂韧性也比较高。它不像硬质合金有耐热性差的金属晶界相，而且热膨胀系数又小，正好可以承受高速切削所带来的高温和热应力。我们想，也许氮化硅陶瓷会成为一种很好的金属切削刀具。于是，我们立即把氮化硅陶瓷作成刀片，在学校机械厂里对一个硬度高达HRC50以上的淬硬钢工件进行外圆车加工。过去对硬度这样高的工件，硬质合金刀具是加工不动的，而这头一次用氮化硅陶瓷刀片来粗加工，线速度就逐步加大到每分钟100多米，切屑全是火红色的，刀尖的温度足有上千度，氮化硅刀片很轻快地把它加工完了。我们预感到，这块不起眼的灰色小石块将给机械加工工艺带来革命性的变化。

 

   在实验室研究基础上，科研组一边改进工艺提高陶瓷的性能，同时到一些工厂讲述我们进行氮化硅陶瓷刀具应用的意图，工厂立即表示支持。对于一根肖氏硬度为HS71-73的冷硬铸铁轧辊，以往用YG8硬质合金刀具的最优切削速度约为5米/分，而氮化硅陶瓷刀具的最优切削速度可达25米/分，也就是说切削效率可提高5倍。切削寿命也提高了5-6倍；工厂拿出需要车螺纹的淬硬钢工件（HRC50～55），车螺纹时刀尖要作得很尖，是很容易崩刀的，但氮化硅陶瓷刀具安然无恙；工厂又拿出CrWMn淬硬钢（HRC60）来进行冲击力较大的铣削，但是氮化硅陶瓷刀片并未发生崩刀现象，而且其寿命比硬质合金铣刀提高了两倍多；于是工厂又拿出粉末冶金烧结纯钼制品、热介石墨电极、玻璃钢等工件，新型陶瓷刀具都顺利地进行了切削，而且寿命和表面光洁度，均比硬质合金刀具大大提高。至此，清华大学在国际上最早实现了用热压氮化硅陶瓷刀具对多种难加工材料（淬硬钢、冷硬铸铁、纯钼、热介石墨、玻璃钢等）进行多种工艺（车、铣、螺纹车削、丝扛挑扣）的加工和生产应用。1978～1979年我们在国际上发表了这项成果，得到国内外学术界和工业界的关注和重视。美国著名的材料科学家R.N.Katz在《Science》（1980年）和在世界陶瓷大会上都对清华大学这项研究成果作了很高的评价。他说：“七十年代后期，中华人民共和国苗赫濯等人关于热压氮化硅刀具的应用研究工作显示出非常有前途的结果，在切削冷硬铸铁、纯钼、热介石墨、玻璃钢时，他们观察到热压氮化硅陶瓷刀具的寿命比传统刀具长好几倍，他们还观察到热压氮化硅陶瓷刀具也适合于对淬硬合金钢进行面铣削”。

 

 

   有一天，我和江作昭教授、马德金老师等一行来到石家庄水泵厂，厂工艺处贾工程师在一台大立车旁介绍说，这是Cr15Mo3超硬铸铁碴浆泵泵体毛坯，是从澳大利亚引进的铸造技术，直径1米多，洛氏硬度高达HRC63?D64，所以过去只得采取退火软化粗加工，然后再淬火硬化精加工的方法，一年要消耗几百万度退火用电，澳大利亚也是采用这种工艺。看看你们的氮化硅陶瓷刀具能否直接进行一次硬化加工，这将是一次加工工艺的革命。试验开始时先用硬质合金刀具对这个未经退火的又硬又毛糙的泵体毛坯进行加工，一上去刀就崩了。复合氧化铝陶瓷刀具上阵也很快崩了。然后试用氮化硅陶瓷刀具，没有崩刀，但非常吃力，磨损较大。

 

   回来以后，科研组总结分析，认为氮化硅陶瓷刀具车这种工件韧性是够的，但硬度不够，氮化硅陶瓷的显微硬度H_V约为1700公斤/平方毫米，碳化物的硬度比较高，如TiC的显微硬度为3300公斤/平方毫米，能不能将TiC颗粒弥散到氮化硅陶瓷的基体中来提高它的硬度和耐磨性呢?

 

   于是我们采取了三种措施来提高陶瓷刀具的性能，一是在氮化硅陶瓷基体中，添加TiC，TiCN等硬质弥散颗粒；二是根据相图理论，使氮化硅与添加剂形成单相固溶体，同时对刀具进行热处理，来减少陶瓷晶界的玻璃相，提高刀具的高温性能。

 

   通过试验，果然取得了良好的效果。于是我们再次来到水泵厂。用这种新型陶瓷刀具顺利地车完了整个泵体，切削速度从硬质合金刀用的7-8米/分提高到35米/分，单件机加工工时从原来的48小时减小到一次硬化加工的8小时。特别是省去退火、再淬火两道工艺，更节省了大量工时和电力。工人们和厂领导都非常满意，从此不再采取退火加工的方法。

 

    七十年代后期的这项创新，使我们开拓了氮化硅陶瓷刀具的一个新系列，我们把这种用硬质颗粒弥散的氮化硅陶瓷刀具称为复合氮化硅陶瓷刀具。与硬质合金刀具相比，它的切削寿命提高十几倍到几十倍，切削速度提高3～10倍，不仅可以对超硬难加工材料进行粗、精加工，也可以进行铣削、刨削、毛坯拨荒粗车等冲击力很大的加工。

 

   接着我们用这种新型刀具解决了一系列难度非常大的切削项目，这些在国际上也是首创的。例如硬度高达HRC60的冷硬铸铁轧辊毛坯拨荒粗车；超硬镍合金喷焊辊套（HRC67）粗精加工；高碳高铬耐磨铸铁碎石机鄂板（HRC62）的刨削；Cr27高硬铸铁碴浆泵护套的粗加工和护板的断续粗切削；硬镍铸铁磨环（HRC60）断续粗切削；硬度为HRC68的渗碳淬硬钢推土机肖套的半精车与精车；铣削32平米45号钢压榨机大平面。

 

   由于这个项目的开创性和社会效益比较大，因而荣获北京市科技成果一等奖（1980年），国家发明二等奖和日内瓦国际发明展览会镀金牌奖（1988年）。

 

   这项发明是综合利用氮化硅陶瓷断裂韧性高、热膨胀系数小，共价键结合的特点，以及运用硬质相弥散强化、单相固溶体、晶界玻璃相结晶化的原理，研究成功高性能的新一代陶瓷刀具，是综合运用材料微观结构机理与产品性能相结合的典型实例。

 

   从刀具的发展来说，不论高速钢刀具，还是硬质合金刀具，还是氧化铝陶瓷刀具，我国比发达国家晚了很多年才开始，而在开拓新一代刀具?D?D氮化硅陶瓷刀具方面，我国站在了世界的最前列，推动了国内外对这一新刀具的开发和应用。

 

 

   八十年代初，我们就开始向工厂转让氮化硅陶瓷刀具的生产技术，但却迟迟不能在国内形成气候。相反，外国有的公司虽然起步比我们晚，但却很快形成规模生产。我们深深体会到这种新型陶瓷刀具技术含量很高，涉及材料反应与合成工艺、机械设备与自动化、高温高压技术、精密加工技术、微观结构与性能的检测等。从实验室成果到规模生产，存在很大的技术跨度，还需要投入非常大的财力、物力和智慧。而我国工业基础比较差，接产企业又缺乏研究开发的资金和技术力量，而社会又缺乏一整套相互配合的技术创新体系，没有人进行相应的工业化生产工艺、设备和生产线的研究。

 

   因此摆在我们面前的矛盾是，要不我们的发明成果只停留在写文章，做样品上，以至半途而废；要不我们要付出比实验室研究大得多的代价，去进行一种工程量很大，同时又是我们所不擅长的工艺设备和流水线的研究。但是为了使新型陶瓷刀具的成果早日给国家产生实际的经济效益，我们决定迎难而上，选择了后者。国家科委非常支持我们的想法，连续几个五年计划都列为国家重点科技攻关项目。国家计委、经贸委、教委也看到复合氮化硅陶瓷刀具是一项社会效益很大的发明成果，同时又是属于技术难度大、工艺过程长、涉及学科多、设备精密复杂的基础工业，于是把它列为国家高技术产业化项目而给予支持。同时由清华大学和有关单位组建合资公司，科研组成员齐龙浩、司文捷和我都直接参加了公司的技术管理，以便更有效的研究开发一套工业化生产技术。

 

   在几年时间内，我们和合作单位一起解决了一系列技术难题：（1）研究成功了适合于工业生产的关键设备，如双工位自动化热压炉、双工位自动化氮化炉、经济型数控周边磨床，并通过了国家鉴定，成为设备技术的一项成果；（2）在完善了热压烧结法工艺基础上，又开发了当今最先进的热等静压烧结技术，来解决量产化和复杂形状刀片的制备；（3）针对不同的加工对象，使陶瓷刀具材料品种规格系列化；（4）摸索了生产过程各个工艺环节的技术与参数，打通了整个生产线。经过上述艰苦的努力，形成了一套完整的、具有自主知识产权的新型陶瓷刀具的生产技术，逐步向规模化生产过渡。

 

 

   由于人们对新型陶瓷刀具不认识，科研组采取了两种办法来推广应用新刀具：一是抓典型以点带面，亦即在各行业中，例如：冶金、机械、水泵、矿山机器、轴承、汽车、航空、精密仪器等，挑选一、两个有代表性的企业，花力气进行试验应用，取得成功以后，再向行业中的其他企业推广；二是深入工厂，帮助用户学会使用陶瓷刀具，并帮助用户算经济帐，让他们看到能获得多少经济效益。

 

   水泵行业是新刀具最早应用的行业之一。我们选择石家庄水泵厂作为典型，在国内外首次成功地用复合氮化硅刀具解决了Cr15Mo3（HRC63），Cr27（HRC60）超硬铸铁碴浆泵一次硬化加工，免除了退火工艺，节省了大量电力和工时。同时由于采用了陶瓷刀具，泵的硬度可以提高，泵的寿命提高了3－4倍，泵的工作效率也提高了，使得泵用户也得到巨大效益。天津第一热电厂使用这种泵，每台每年节电120万度，唐山发电厂使用这种泵三台，每年节电220万度。现在全国有80－90%同类产品的水泵厂都采用了复合氮化硅刀具。

 

    轨辊行业也是加工量非常大的行业，我们以全国最大的邢台轧辊厂作为典型，用氮化硅刀具加工冷硬铸铁轧辊，切除率从原用硬质合金刀具的每分钟37.5立方厘米提高到270立方厘米。在同样的厂房、机床、人工、电力消耗的条件厂，由于生产效率提高而增创产值4000万元/年，利润几百万元。在武钢，罗振璧教授、衷待群老师等结合一吨重的冷硬铸铁轧辊的加工举办了“氮化硅陶瓷刀具应用技术培训班”，学员们亲眼看到原用硬质合金焊接刀杆加工，切削速度不到10米/分，切一小段就要卸下来重磨，又费时又费钱，而一片氮化硅刀具，一口气就完成了整个轧辊的加工，切削速度还提高了3倍。坐下来一算帐，加工一根一吨重轧辊，刀具费省了88元，工时费省了459元。全国年生产约40万吨轧辊，如果全部采用复合氮化硅刀具加工，仅此一项每年就可使国家获得两亿多元的经济效益。

 

   在汽车行业，我们在上海大众用氮化硅陶瓷镗刀取代了德国刀具，来粗镗桑塔那发动机缸孔，刀具寿命相同，而价格只为其1/3。在天津夏利取代了进口的刹车毂切槽刀，寿命相同，而价格仅为其1/4。北方农用汽车公司用复合氮化硅刀具取代硬质合金刀具铣削铸钢连杆件，切削效率从每班加工200多件提高到1500件，切削寿命从每盘刀加工一千件提高到一万件，平均加工一件的刀具费从0.55元降低到0.08元，解决了对陶瓷刀具“一怕脆、二怕贵”的思想顾虑，决定大幅度应用。

 

   矿山机器行业也有大量的难加工材料。在南方耐磨材料厂约一千平米的机加工车间里，十几台普通的旧车床高速地旋转着。工件材料从高锰钢、耐热钢到高铬镍耐磨铸铁，工件类型从碴浆泵到锥形破碎机到颚式破碎机，加工方式从车削、镗孔、车螺纹直至冲击力很大的铣削、刨削，全部采用了清华复合氮化硅陶瓷刀具。生产效率提高6－10倍，在不增加厂房、机器、电力的情况下，年销售额从几百万元提高到五千万元。陶瓷刀具创造了奇迹！特别是对颚式破碎机颚板进行粗刨削时所承受的巨大冲击力，更改变了人们固有的“陶瓷一撞就碎”的传统印象。不仅在中国，就是在世界上，恐怕也难找到如此集中地用陶瓷刀具对难加工材料进行着多种难度极大的切削加工。

 

   现在，全国20多个行业上千个工厂采用了这种新型陶瓷刀具，不仅解决了一系列难加工材料的加工问题，每年还为国家创造了数以亿计的增产节能效益。

 

   切削加工，量大面广，这种新型陶瓷刀具的推广应用将给金属切削工艺带来重大革新，将改变传统的刀具材料和切削技术，将节省大量工时、电力和战略性贵重金属，从而给国家带来巨大的经济效益和社会效益。