【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 20世紀(jì) 50年代陶瓷刀具才真正達(dá)到實(shí)用化。我國(guó)也于20世紀(jì) 50年代末期開(kāi)始了 Al2O3陶瓷刀具的研究，但是由于 Al2O3陶瓷的強(qiáng)度和韌性都較差，抗熱震性也不好，它的發(fā)展和應(yīng)用受到了嚴(yán)重的限制。 20世紀(jì) 70年代人們研制成功了 Al2O3+TiO2系統(tǒng)復(fù)合陶瓷刀具，使 Al2O3陶瓷刀具走出了緩慢發(fā)展的低谷，成為解決超硬材冷加工的一種新型刀具材料。 ?20世紀(jì) 70年代初美國(guó)生產(chǎn)的多晶金剛石刀具和多晶立方氮化硼刀具開(kāi)始投放市場(chǎng)，它們超群的硬度和耐磨性是其他刀具難以比擬的。但是由于人造金剛石和立方氮化硼的制造工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，至今沒(méi)有廣泛地使用。 ?20世紀(jì) 80年代初清華大學(xué)用熱壓氮化硅陶瓷和英國(guó) Lucas公司用 Sialon陶瓷（ Si3N4和 Al2O3的固溶體）制作刀具都取得良好的切削效果。由于 Si3N4陶瓷有較高的強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性，又有較小的線(xiàn)膨脹系數(shù)，因而作為金屬切削刀具使用時(shí)，表現(xiàn)出很好的耐磨性、紅硬性、抗機(jī)械沖擊性和抗熱沖擊性。 ?20世紀(jì) 90年代以來(lái)，像納米顆粒和晶須增強(qiáng)陶瓷刀具、陶瓷涂層刀具、梯度功能陶瓷刀具、超硬刀具材料等都得到了快速的發(fā)展，促進(jìn)了加工制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。 氮化硅陶瓷刀具 陶瓷涂層刀具 αAl2O3與 κAl2O3交替涂層的刀具 陶瓷刀具適用于加工以下多種材質(zhì)的產(chǎn)品：高錳鋼；高鉻、鎳、鉬合金鋼；冷硬鑄鐵 （ HS8090）； 各 類(lèi) 淬 硬 鋼 （ HRC5565）； 各 類(lèi) 鑄 鐵（ HB200400）等。 陶瓷刀具與傳統(tǒng)的高速鋼和硬質(zhì)合金刀具相比，具有更好的紅硬性和耐磨性；與超硬材料金剛石和 CBN相比，它具有更低的制造成本、更好的熱穩(wěn)定性和抗沖擊能力。因而，在先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中起著如下方面的重要作用。 ? 它可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的工件，以車(chē)代磨、以銑代磨，從而免除了退火軟化加工所消耗的大量電力，并可提高工件的硬度，延長(zhǎng)機(jī)器設(shè)備的使用壽命。 ? 它可以保證在自動(dòng)化加工中較長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定的工作，保證工件的加工精度。 ? 它可以進(jìn)行高速切削，加工效率可以提高幾倍甚至幾十倍，達(dá)到節(jié)約工時(shí)、能源和機(jī)床占用臺(tái)數(shù)的效果。 近 20多年來(lái)，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都很重視陶瓷刀具的應(yīng)用和發(fā)展。 美、日、德等國(guó)家陶瓷刀具的應(yīng)用已占刀具構(gòu)成比例的 5%~10%。 在我國(guó)，陶瓷刀具已在機(jī)械、冶金、礦山、汽車(chē)（齒輪、飛輪、軸、軸承等加工） 、拖拉機(jī)、軸承、泵（葉輪、渦殼、護(hù)板、護(hù)套等加工）、交通、能源、精密儀器、航空航天等 20多個(gè)行業(yè)的幾百家工廠(chǎng)推廣應(yīng)用，解決了各行各業(yè)中高硬度難加工材料的切削加工，并能提高工作效率，大幅度地節(jié)約加工工時(shí)及電力，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 例如一汽、二汽等單位都用陶瓷刀具切削難加工材料，一汽在加工含硼和含磷的汽車(chē)缸套時(shí)，以實(shí)現(xiàn)了全部陶瓷刀具化，對(duì)提高工效和保證產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用。 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī) 自從 19世紀(jì)后期德國(guó)的 Otto和 Diesel先后發(fā)明汽油機(jī)和柴油機(jī)以來(lái)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)一直用金屬材料制造。金屬的導(dǎo)熱性好而耐熱、耐腐蝕性能差，在高溫下極易氧化、變形而導(dǎo)致破壞。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室（汽缸）必須用水或空氣冷卻，否則就會(huì)迅速被高溫燃?xì)鉄龎亩Ｖ构ぷ?。這樣，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料產(chǎn)生的人能，大約只有 1/3轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)車(chē)軸的有用功率，其余 1/3被冷卻劑帶走，另外 1/3隨廢氣排出。 100多年來(lái)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能有了很大的改進(jìn)和提高，有的已達(dá)到盡善盡美的境地，但是它的能量利用格局卻沒(méi)有根本性的突破。 為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，減少能量損耗，這就需要取消或部分取消冷卻系統(tǒng)，使用耐高溫隔熱材料以減少燃燒室熱量的損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)在更高的工作溫度下工作。 然而，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)取消冷卻系統(tǒng)以后，燃燒室各部分壁溫會(huì)大大增加，而在傳統(tǒng)柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)用的金屬零件中，鋁合金的耐熱極限為 350℃ ，鋼和鑄鐵的為 450℃ ，最好的超級(jí)耐熱合金的耐溫極限也不超過(guò) 1093℃ 。因此，金屬材料難以滿(mǎn)足上述苛刻條件的要求。 高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料由于其具有密度小、熱導(dǎo)率低、耐高溫、耐磨損以及耐腐蝕等特性，成為制造發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。發(fā)動(dòng)機(jī)使用陶瓷材料有如下優(yōu)點(diǎn)： 提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室采用陶瓷隔熱零件并取消冷卻系統(tǒng)后，會(huì)降低熱量損失，增加工作的循環(huán)平均溫度，從而使循環(huán)熱效率得到提高。 減少輔助功率消耗，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 當(dāng)燃燒室采用陶瓷隔熱技術(shù)后，可以部分取消或完全取消冷卻系統(tǒng)。使發(fā)動(dòng)機(jī)不再需要水管、水泵、風(fēng)扇、散熱器等一系列零部件，結(jié)構(gòu)上也可以取消水套。這樣，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，質(zhì)量、體積減小，原來(lái)用于驅(qū)動(dòng)水泵、風(fēng)扇的輔助工作亦被取消，輸出功率增加。在使用上可擺脫冷卻系統(tǒng)故障所帶來(lái)的麻煩，并幾乎不受惡劣氣候的影響，其軍事用途尤為明顯。 適應(yīng)多種燃料的燃燒 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室壁溫顯著升高，有利于燃料的蒸發(fā)、著火和燃燒。陶瓷材料抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，可使用質(zhì)量較差的燃油。 降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，減少排氣污染 取消或部分取消冷卻系統(tǒng)，使風(fēng)扇噪聲降低。另外，由于燃燒室燃燒溫度高（最高 1370℃ ），燃燒完全，可減少對(duì)環(huán)境的污染。 減輕質(zhì)量 陶瓷材料比金屬輕 60%左右，可減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。 資源豐富 陶瓷材料資源豐富，可減少對(duì) Co、 Ni、 Cr等戰(zhàn)略物資的依賴(lài)。 早在 20世紀(jì) 40年代，就有人用陶瓷取代金屬制造發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這類(lèi)研究到 20世紀(jì) 50年代末形成熱潮，但限于當(dāng)時(shí)的歷史條件和技術(shù)水平，沒(méi)有取得成功。 20世紀(jì) 70年代，世界石油危機(jī)，節(jié)能問(wèn)題使得利用陶瓷材料制作發(fā)動(dòng)機(jī)部件的研究再次引起人們重視。另一方面，人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，也加速了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)程。自從美國(guó) Cummins公司提出陶瓷隔熱渦輪復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)（陶瓷絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)）的設(shè)想受到美國(guó)軍方和能源部的支持之后，在世界范圍內(nèi)掀起了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)研究的熱潮。經(jīng)過(guò)近 30年的努力，陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究取得了令人矚目的成就。 貝殼與陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的故事 英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司的威廉 克萊格博士 貝殼 — 堅(jiān)硬，很不容易摔破 — 原理？ 貝殼由許多層狀的碳酸鈣組成的，但在每層碳酸鈣中間夾著一層有機(jī)質(zhì)，把層層碳酸鈣粘在一起。 把碳化硅燒結(jié)成薄薄的陶瓷片，然后在每片碳化硅陶瓷上涂上石墨層，再把涂上石墨層的碳化硅陶瓷一層層疊起來(lái)加熱擠壓，使堅(jiān)硬的碳化硅陶瓷粘在石墨層上，石墨和貝殼中的有機(jī)質(zhì)一樣，起黏結(jié)劑作用，而且粘得很牢固。在正常情況下能把所有的碳化硅層緊緊粘在一起，只是在遇到?jīng)_擊力產(chǎn)生裂紋時(shí)才分開(kāi)。但這種沖擊力也只能使表面的幾層脫掉，而在表面很薄的幾層脫掉時(shí)就已把大部分沖擊能量吸收掉了，避免了使整個(gè)零件碎裂。 貝殼與陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的故事 折斷這種涂有石墨層的碳化硅陶瓷，所花的力比折斷沒(méi)有石墨結(jié)合的整塊碳化硅陶瓷所花的力約大 100倍。涂石墨的碳化硅陶瓷不僅成本低，而且熔點(diǎn)極高，韌性和木頭的韌性很接近，因此不怕顛簸和振動(dòng)。 1990年英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司制造了一臺(tái)能耐高溫而不需要冷卻系統(tǒng)的陶瓷汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了成功的試驗(yàn)。 現(xiàn)在，能制造陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家很少，目前只有美國(guó)、德國(guó)、日本、英國(guó)和中國(guó)。 我國(guó)第一輛用陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)做動(dòng)力的大客車(chē)，于 1991年 3月在上海 ——北京之間的公路上行駛了 3500千米，沿途不用加冷卻水，因?yàn)樗恍枰鋮s系統(tǒng)。 1991年 3月 22日， 《 光明日?qǐng)?bào) 》 在第一版顯著位置上報(bào)道了這個(gè)振奮人心的消息。 世界各先進(jìn)工業(yè)國(guó)都將研究的重點(diǎn)集中于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷部件的研究開(kāi)發(fā)上。這些部件研制成功以后，可以直接取代金屬部件，應(yīng)用于現(xiàn)有的各種常規(guī)車(chē)用汽油機(jī)和柴油機(jī)上，達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，延長(zhǎng)部件使用壽命，減低燃料消耗，減少環(huán)境污染的目的。迄今為止，世界上有近十種陶瓷部件，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)后證明性能可靠，已投入實(shí)際使用和商業(yè)生產(chǎn)。 汽車(chē)用陶瓷零件 柴油機(jī)啟動(dòng)用陶瓷電熱塞 柴油機(jī)全陶瓷電熱塞 第一代電熱塞用金屬制造，第二代是把鎢絲埋在氮化硅陶瓷內(nèi)制成的金屬陶瓷電熱塞，第三代電熱塞是發(fā)熱體全部用導(dǎo)電陶瓷制造的全陶瓷電熱塞。其啟動(dòng)時(shí)間、點(diǎn)火穩(wěn)定性和壽命等都是一代勝過(guò)一代。 陶瓷渦流室 將整個(gè)渦流室噴涂氮化硅陶瓷并在周?chē)O(shè)有空氣隔層，制成全陶瓷的渦流室，可使渦流室內(nèi)的燃?xì)鉁囟壬?，燃燒得到改善，并降低有害排放物中顆粒物的排放量。 全陶瓷渦流室 陶瓷排氣管襯里和排氣歧管 發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管的冷熱溫度是急劇變化的，巨大的熱應(yīng)力可使排氣管產(chǎn)生裂紋， 以低熱導(dǎo)率 (1Wm1K 1)的鈦酸鋁和磷酸鋯鈉陶瓷制作發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管，具有良好的隔熱效果，可延長(zhǎng)其使用壽命。 鈦酸鋁陶瓷具有耐高溫抗熱震隔熱性好 (如在 600800℃ ，導(dǎo)熱系數(shù)僅為 1一 2Wm1K 1)的特點(diǎn)，是一種用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管、排氣道理想的隔熱材料。 用鈦酸鋁制作的排氣管、排氣道組裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上，可以保持排氣的高溫，防止熱量流失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。這對(duì)于沙漠車(chē)、軍用越野車(chē)、坦克車(chē)來(lái)說(shuō)，具有特別重要的實(shí)際意義。 德國(guó)道依茨 （ Devtz）公司的 B/FL513CP發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了鈦酸鋁陶瓷氣缸蓋排氣道，降低了氣缸蓋的熱負(fù)荷，避免了進(jìn)一步強(qiáng)化后氣缸蓋的熱開(kāi)裂，并保持了排氣高溫，有利于能量回收，進(jìn)一步提高了增壓器的工作效率，從而使單缸功率由 。 日本日產(chǎn)公司開(kāi)發(fā)了陶瓷 鋁復(fù)合排氣管用于發(fā)動(dòng)機(jī)，提高了排氣管內(nèi)溫度，使該排氣管排氣凈化效果提高了兩倍。 山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院研制的鈦酸鋁陶瓷排氣管組裝在沙漠車(chē)無(wú)水冷陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過(guò)了由新疆汽車(chē)廠(chǎng)沙漠汽車(chē)研究所負(fù)責(zé)進(jìn)行的沙漠車(chē)在新疆沙漠地區(qū)實(shí)際裝車(chē) 11212km的道路使用試驗(yàn)。 陶瓷排氣管襯里和排氣歧管 渦輪增