陶瓷刀具材料有哪些 如何選用合適的陶瓷刀具材料

陶瓷刀具材料有哪些

現代陶瓷刀具材料大多數為復合陶瓷。目前國內外廣泛使用的陶瓷刀具材料以及正在開發的陶瓷刀具材料，基本上都是組合，采取不同的增韌補強機制來進行顯微結構設計的，其中以氧化鋁（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4 ）基陶瓷刀具材料的應用最廣泛。

1、氧化鋁（Al2O3）基陶瓷刀具材料

（1）純氧化鋁陶瓷

純氧化鋁陶瓷中的Al2O3成份占99.9%以上，多呈白色，俗稱白陶瓷。這是早期使用的陶瓷，由于其強度低，抗熱振性及斷裂韌性較差，切削時易崩刃，只適用于300HBW以下的鑄鐵和鋼的連續表面粗加工和半精加工，使用范圍非常有限，故目前已被其它各種Al2O3基復合陶瓷所取代。

（2）氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

它是在Al2O3基體中加入TiC或SiC等成份經熱壓燒結而成的陶瓷，是目前國內外使用最多的陶瓷刀具材料之一。氧化鋁-碳化物系復合陶瓷適于加工各種鋼材（碳素結構鋼、合金結構鋼、高強度鋼、高錳鋼、軸承鋼、不銹鋼、淬硬鋼等）和各種鑄鐵（包括冷硬鑄鐵、高鉻鑄鐵等），也可加工銅合金、石墨、工程塑料和復合材料；加工鋼優于Si3N4 基陶瓷刀具；但它不宜用來加工鋁合金、鈦合金和鉭合金，否則容易產生化學磨損。

（3）納米金屬陶瓷刀具

它是在傳統的Al2O3 / TiC金屬陶瓷中通過加入納米材料TiN（氮化鈦）和AlN（氮化鋁），經改性而成的一種新型Al2O3基陶瓷刀具，可細化晶粒和優化材料力學性能。使用表明，這是高技術含量及高附加值的新型刀具，可部分取代K20（YG8）、P10（YT15）等面廣量大的硬質合金刀具，刀具壽命可提高2倍以上，生產成本則與K20（YG8）刀具相當或稍低。目前，納米陶瓷及納米復合陶瓷刀具已成為高技術陶瓷材料研究開發的一個前沿領域。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶瓷基體中添加20%-30% SiCw晶須（是直徑小于0.6μm，長度為10?80μm的單晶，具有一定的纖維結構，抗拉強度為7 GPa，抗拉彈性模量超過700 GPa）而成的Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷，可有效地用于斷續切削及粗車、銑削和擴孔等工序，適于加工鎳基合金、高硬度鑄鐵和淬硬鋼等材料。SiCw晶須作用類似鋼筋混凝土中的鋼筋，能成為阻擋或改變裂紋發展的障礙，使其韌性大幅度提高。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它是通過控制陶瓷材料的組成分布以形成合理的梯度，從而使刀具內部產生有利的殘余應力分布來抵消切削中的外載應力。具有表層熱導率高、有利于切削熱的傳出、熱膨脹系數小、結構完整性好、不易破損等特點。用其加工鋼鐵材料時的刀具壽命可比同類Al2O3/（W, Ti）C復合陶瓷SG-4高1-1.5倍，并且刀具有很好的自礪性，崩刃后仍能進行正常切削。

（6）Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復合陶瓷

在Al2O3中添加TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的陶瓷可進一步提高材料的物理機械性能和切削加工性能，其中以Al2O3 / TiB2和Al2O3 / ZrO2使用較多。如用Al2O3/ TiB2陶瓷刀具加工40CrNiMoA鋼時，刀具壽命為Al2O3/ TiC刀具的3倍，加工4Cr5MoVSi鋼時，刀具抗邊界磨損能力為Al2O3 / TiC刀具的2倍。而Al2O3 / ZrO2陶瓷刀具材料的斷裂韌度、強度和耐磨性高，抗崩刃性能好。如用CC620刀片粗車和半精車鑄鐵和球墨鑄鐵等材料，切削速度可達900 m/min；用于加工合金鋼時，粗車切削速度可達200 m/min，精車切削速度可達800 m/min。

2、氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

Si3N4陶瓷是一種非氧化物工程陶瓷，其硬度可達1800-2000 HV，熱硬性好，能承受1300-1400℃的高溫，與碳和金屬元素化學反應較小，摩擦系數也較低。這類刀具適于切削鑄鐵、高溫合金和鎳基合金等材料，尤其適用于大進給量或斷續切削。由于純Si3N4 陶瓷刀具在切削長切屑（如軟鋼）時極易產生月牙洼磨損，所以新一代Si3N4 陶瓷均為Si3N4 復合陶瓷刀具。最新的Si3N4 復合陶瓷不僅可用于粗加工，而且可用于斷續切削和有冷卻液的切削。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率為2%-3%，與硬質合金相當，可以大量應用于生產線。該類陶瓷刀具的缺點是加工性比普通Al2O3陶瓷差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其韌性和抗彎強度高于Al2O3基陶瓷，而硬度卻不降低；熱導率亦高于Al2O3基陶瓷，故在生產中應用比較廣泛。

（2）Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

它是在Si3N4基體中加入一定量的碳化物晶須而成，從而可提高陶瓷刀具的斷裂韌度。中國生產的牌號有SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等。一些國外切削專家認為，用Si3N4基陶瓷切削鋼材的效果不如Al2O3 基復合陶瓷，故不推薦用其加工鋼材。但用FD03刀片切削淬硬鋼（60-68HRC）、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時也有較好的效果。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是以Si3N4為硬質相，Al2O3 為耐磨相，并添加少量助燒結劑Y2O3，經熱壓燒結而成，常稱賽阿龍（Sialon）。Sialon實際上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置換所形成的一大類固溶體的總稱，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種，尤以前兩種最為常見。這種陶瓷的抗彎強度和斷裂韌度較高，抗氧化能力和高溫抗蠕變能力好，熱導率高，熱膨脹系數小，抗熱振性好，適于粗車及銑削鑄鐵和鎳基高溫合金等難加工材料。除能采用較大的進給量及切削速度高速加工鑄鐵和高溫合金外，并可在面銑刀上采用雙正前角（側前角和背前角均為正值）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基陶瓷的韌性優于Al2O3基陶瓷，但其耐磨性稍差。切削鑄鐵時，Si3N4陶瓷刀具的后刀面磨損大于Al2O3陶瓷刀具；切削鋼料時，Si3N4陶瓷刀具的月牙洼磨損較大。為此，國外在Si3N4基陶瓷表面上施以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等涂層，可單涂層，也可用多涂層。經涂層后的Si3N4陶瓷刀具磨損量為未涂層的1/3，使加工普通鑄鐵的切削速度更快，并且刀具壽命更長。比如Sandvik公司的GC1690涂層氮化硅陶瓷刀具，在加工高強度灰鑄鐵時的進給量達0.4 mm/r，切削速度為500 m/min。涂層氮化硅陶瓷刀具，切鋼時抗月牙洼磨損的能力強，其切削速度可達Al2O3基陶瓷刀具的切削速度，但進給量卻大于后者而接近涂層硬質合金刀具，使材料切除率大大提高。

如何選用合適的陶瓷刀具材料

1、切削刀具材料與加工對象的力學性能匹配

切削刀具與加工對象的力學性能匹配問題主要是指刀具與工件材料的強度、韌性和硬度等力學性能參數要相匹配。具有不同力學性能的刀具材料所適合加工的工件材料有所不同。高硬度的工件材料，必須用更高硬度的刀具來加工，刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。陶瓷刀具優良的高溫性能使其能夠以高的速度進行切削，允許的切削速度可比硬質合金提高2～10倍。

2、切削刀具材料與加工對象的物理性能匹配

比如加工導熱性差的工件時，應采用導熱較好的刀具材料，以使切削熱得以迅速傳出而降低切削溫度。

3、切削刀具材料與加工對象的化學性能匹配

切削刀具材料與加工對象的化學性能匹配問題主要是指刀具材料與工件材料化學親和性、化學反應、擴散和溶解等化學性能參數要相匹配。材料不同的刀具所適合加工的工件材料有所不同。