陶瓷刀具材料有哪些

現(xian)代陶(tao)(tao)瓷刀具材(cai)料(liao)大多數為復(fu)合陶(tao)(tao)瓷。目前國內外廣泛(fan)使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)陶(tao)(tao)瓷刀具材(cai)料(liao)以及(ji)正在開(kai)發(fa)的(de)(de)(de)(de)陶(tao)(tao)瓷刀具材(cai)料(liao)，基本上都是組合，采取(qu)不同的(de)(de)(de)(de)增(zeng)韌(ren)補強機制來(lai)進行顯(xian)微結(jie)構(gou)設(she)計的(de)(de)(de)(de)，其中(zhong)以氧化鋁（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4 ）基陶(tao)(tao)瓷刀具材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)最廣泛(fan)。

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(ci)中的(de)Al2O3成份(fen)占99.9%以(yi)上，多呈白色，俗稱(cheng)白陶瓷(ci)。這(zhe)是早期使(shi)(shi)用(yong)的(de)陶瓷(ci)，由于其(qi)強度低(di)，抗熱振性(xing)及斷裂韌性(xing)較差，切削時易崩刃，只(zhi)適用(yong)于300HBW以(yi)下的(de)鑄鐵和(he)鋼的(de)連續(xu)表(biao)面粗加工和(he)半(ban)精加工，使(shi)(shi)用(yong)范圍非常有限，故目前已(yi)被(bei)其(qi)它各種Al2O3基(ji)復合陶瓷(ci)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(deng)(deng)成份經熱壓燒結而成的陶(tao)瓷(ci)，是目(mu)前國內外使用最多的陶(tao)瓷(ci)刀具(ju)材(cai)料之一。氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)-碳化(hua)物系復(fu)合(he)陶(tao)瓷(ci)適于(yu)加工(gong)(gong)各種鋼(gang)材(cai)（碳素(su)結構鋼(gang)、合(he)金結構鋼(gang)、高強度鋼(gang)、高錳鋼(gang)、軸承(cheng)鋼(gang)、不(bu)銹鋼(gang)、淬硬鋼(gang)等(deng)(deng)）和各種鑄鐵(tie)（包括冷硬鑄鐵(tie)、高鉻鑄鐵(tie)等(deng)(deng)），也可(ke)加工(gong)(gong)銅合(he)金、石墨、工(gong)(gong)程塑料和復(fu)合(he)材(cai)料；加工(gong)(gong)鋼(gang)優于(yu)Si3N4 基陶(tao)瓷(ci)刀具(ju)；但它不(bu)宜用來加工(gong)(gong)鋁(lv)(lv)合(he)金、鈦合(he)金和鉭合(he)金，否則容易產生(sheng)化(hua)學磨損(sun)。

該圖片由注冊用戶"蕭菊"提供，版權聲明反饋

（3）納米金屬陶瓷刀具

它是在傳統的(de)Al2O3 / TiC金(jin)屬陶瓷(ci)(ci)中通過(guo)加入納(na)米(mi)材(cai)料TiN（氮化鈦）和AlN（氮化鋁），經改性而成的(de)一種新型Al2O3基(ji)陶瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)(ju)，可(ke)細(xi)化晶粒和優化材(cai)料力學性能。使用表明，這是高(gao)技術(shu)含量及(ji)(ji)高(gao)附(fu)加值的(de)新型刀(dao)具(ju)(ju)，可(ke)部分取(qu)代(dai)K20（YG8）、P10（YT15）等面廣量大的(de)硬質合金(jin)刀(dao)具(ju)(ju)，刀(dao)具(ju)(ju)壽(shou)命可(ke)提(ti)高(gao)2倍以上，生產成本則與K20（YG8）刀(dao)具(ju)(ju)相當或稍低。目(mu)前，納(na)米(mi)陶瓷(ci)(ci)及(ji)(ji)納(na)米(mi)復合陶瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)(ju)已成為高(gao)技術(shu)陶瓷(ci)(ci)材(cai)料研究開發的(de)一個前沿領域。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶瓷基體中(zhong)添加(jia)20%-30% SiCw晶須（是直(zhi)徑小于(yu)0.6μm，長度為10?80μm的(de)單晶，具有(you)一定(ding)的(de)纖維結構，抗拉強度為7 GPa，抗拉彈性(xing)模(mo)量超過700 GPa）而成的(de)Al2O3 / SiCw晶須增韌(ren)陶瓷，可有(you)效地用于(yu)斷續切削及粗車、銑削和擴孔(kong)等工序，適于(yu)加(jia)工鎳基合金、高硬(ying)度鑄鐵(tie)和淬硬(ying)鋼等材料。SiCw晶須作用類(lei)似鋼筋混凝土中(zhong)的(de)鋼筋，能成為阻擋或(huo)改(gai)變裂紋發(fa)展(zhan)的(de)障礙(ai)，使其韌(ren)性(xing)大(da)幅度提高。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它是通過控制陶(tao)瓷材料的(de)組成(cheng)(cheng)分布以形(xing)成(cheng)(cheng)合理的(de)梯度(du)，從而使刀具(ju)內部產生有(you)利的(de)殘余應力分布來抵消切削(xue)中的(de)外載應力。具(ju)有(you)表層(ceng)熱(re)導率高、有(you)利于切削(xue)熱(re)的(de)傳出、熱(re)膨(peng)脹系(xi)數小、結構完整(zheng)性(xing)好、不易破損等特(te)點。用其加(jia)工鋼(gang)鐵(tie)材料時的(de)刀具(ju)壽命可(ke)比同類Al2O3/（W, Ti）C復合陶(tao)瓷SG-4高1-1.5倍，并且刀具(ju)有(you)很好的(de)自礪性(xing)，崩刃后(hou)仍能(neng)進行(xing)正常切削(xue)。

（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(de)陶(tao)瓷(ci)可進一步提高材(cai)料的(de)物理機械性(xing)能(neng)和切(qie)(qie)削加工性(xing)能(neng)，其(qi)中以(yi)Al2O3 / TiB2和Al2O3 / ZrO2使用較多。如用Al2O3/ TiB2陶(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)加工40CrNiMoA鋼(gang)時(shi)，刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)壽命為(wei)Al2O3/ TiC刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)的(de)3倍，加工4Cr5MoVSi鋼(gang)時(shi)，刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)抗邊界磨損能(neng)力為(wei)Al2O3 / TiC刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)的(de)2倍。而Al2O3 / ZrO2陶(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)材(cai)料的(de)斷裂韌度(du)(du)、強度(du)(du)和耐磨性(xing)高，抗崩刃性(xing)能(neng)好(hao)。如用CC620刀(dao)(dao)(dao)片粗車和半精車鑄(zhu)鐵和球墨(mo)鑄(zhu)鐵等材(cai)料，切(qie)(qie)削速(su)(su)度(du)(du)可達(da)900 m/min；用于加工合金鋼(gang)時(shi)，粗車切(qie)(qie)削速(su)(su)度(du)(du)可達(da)200 m/min，精車切(qie)(qie)削速(su)(su)度(du)(du)可達(da)800 m/min。

2、氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

Si3N4陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)是一種非氧化(hua)物工程陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)，其(qi)硬(ying)度可(ke)達1800-2000 HV，熱(re)硬(ying)性(xing)好，能承受1300-1400℃的高溫(wen)，與碳和金(jin)(jin)(jin)屬(shu)元(yuan)素化(hua)學反應(ying)較小，摩(mo)擦系(xi)數也較低。這(zhe)類刀具(ju)適于切削(xue)鑄鐵、高溫(wen)合(he)金(jin)(jin)(jin)和鎳基合(he)金(jin)(jin)(jin)等材料，尤其(qi)適用于大進給量(liang)或(huo)斷續切削(xue)。由于純Si3N4 陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)在(zai)切削(xue)長切屑（如軟鋼）時極易產生月(yue)牙洼磨損，所以新一代Si3N4 陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)均為(wei)Si3N4 復(fu)合(he)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)。最新的Si3N4 復(fu)合(he)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)不僅可(ke)用于粗(cu)加工，而且可(ke)用于斷續切削(xue)和有(you)冷卻液(ye)的切削(xue)。目前Si3N4基陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)的崩刃率(lv)為(wei)2%-3%，與硬(ying)質合(he)金(jin)(jin)(jin)相當，可(ke)以大量(liang)應(ying)用于生產線。該(gai)類陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)的缺點是加工性(xing)比(bi)普通Al2O3陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其韌性(xing)和抗(kang)彎強度高于Al2O3基(ji)陶(tao)瓷，而硬度卻(que)不(bu)降低；熱導率亦高于Al2O3基(ji)陶(tao)瓷，故在生(sheng)產中應(ying)用比(bi)較(jiao)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(er)成，從而(er)可提高陶瓷(ci)(ci)刀(dao)具的斷裂韌度(du)。中國生產(chan)的牌(pai)號有(you)SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等。一些(xie)國外(wai)切削(xue)專家認(ren)為，用Si3N4基陶瓷(ci)(ci)切削(xue)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材(cai)的效(xiao)果(guo)不(bu)如Al2O3 基復合陶瓷(ci)(ci)，故不(bu)推薦用其加工鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材(cai)。但用FD03刀(dao)片切削(xue)淬硬鋼(gang)(gang)(gang)(gang)（60-68HRC）、高錳鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、高鉻鋼(gang)(gang)(gang)(gang)和(he)軸承鋼(gang)(gang)(gang)(gang)時也有(you)較(jiao)好的效(xiao)果(guo)。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是以(yi)Si3N4為硬質相，Al2O3 為耐(nai)磨(mo)相，并添加少量助燒(shao)結劑Y2O3，經(jing)熱壓燒(shao)結而(er)成，常稱(cheng)賽(sai)阿龍（Sialon）。Sialon實際上(shang)是Si3N4中(zhong)Si、N原子被Al和(he)O原子置換所形成的一大(da)類固溶體的總稱(cheng)，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種(zhong)，尤以(yi)前兩種(zhong)最為常見(jian)。這種(zhong)陶瓷的抗(kang)(kang)彎強度(du)和(he)斷(duan)裂韌度(du)較(jiao)高，抗(kang)(kang)氧化能力(li)和(he)高溫抗(kang)(kang)蠕變能力(li)好，熱導率高，熱膨脹系數小(xiao)，抗(kang)(kang)熱振性(xing)好，適于粗車及(ji)銑(xian)削鑄鐵和(he)鎳基(ji)高溫合金(jin)等難加工材料。除能采用較(jiao)大(da)的進給量及(ji)切削速度(du)高速加工鑄鐵和(he)高溫合金(jin)外(wai)，并可在(zai)面銑(xian)刀(dao)上(shang)采用雙正前角(jiao)（側(ce)前角(jiao)和(he)背(bei)前角(jiao)均為正值）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基陶(tao)瓷(ci)(ci)的(de)韌(ren)性優于(yu)(yu)Al2O3基陶(tao)瓷(ci)(ci)，但其(qi)耐磨(mo)(mo)性稍差。切(qie)(qie)削(xue)(xue)鑄鐵時(shi)，Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)后(hou)刀(dao)(dao)(dao)(dao)面(mian)磨(mo)(mo)損大(da)于(yu)(yu)Al2O3陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)；切(qie)(qie)削(xue)(xue)鋼料時(shi)，Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)月(yue)牙洼(wa)(wa)磨(mo)(mo)損較大(da)。為此，國外在Si3N4基陶(tao)瓷(ci)(ci)表面(mian)上施(shi)以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等涂(tu)層(ceng)，可單(dan)涂(tu)層(ceng)，也可用多涂(tu)層(ceng)。經涂(tu)層(ceng)后(hou)的(de)Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)磨(mo)(mo)損量為未涂(tu)層(ceng)的(de)1/3，使加(jia)工普通(tong)鑄鐵的(de)切(qie)(qie)削(xue)(xue)速(su)(su)度(du)更(geng)快，并(bing)且刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)壽命更(geng)長。比(bi)如Sandvik公司的(de)GC1690涂(tu)層(ceng)氮(dan)化硅陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)，在加(jia)工高(gao)強度(du)灰鑄鐵時(shi)的(de)進給(gei)量達0.4 mm/r，切(qie)(qie)削(xue)(xue)速(su)(su)度(du)為500 m/min。涂(tu)層(ceng)氮(dan)化硅陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)，切(qie)(qie)鋼時(shi)抗月(yue)牙洼(wa)(wa)磨(mo)(mo)損的(de)能力強，其(qi)切(qie)(qie)削(xue)(xue)速(su)(su)度(du)可達Al2O3基陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)切(qie)(qie)削(xue)(xue)速(su)(su)度(du)，但進給(gei)量卻大(da)于(yu)(yu)后(hou)者(zhe)而接近涂(tu)層(ceng)硬質合金刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)，使材(cai)料切(qie)(qie)除率大(da)大(da)提高(gao)。

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(qie)削(xue)(xue)刀具(ju)與加工(gong)對象的(de)(de)力學(xue)性(xing)能(neng)(neng)匹配問(wen)題(ti)主要是指刀具(ju)與工(gong)件材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)強度、韌(ren)性(xing)和硬(ying)度等力學(xue)性(xing)能(neng)(neng)參數要相匹配。具(ju)有不(bu)同力學(xue)性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)刀具(ju)材(cai)(cai)料(liao)所適合加工(gong)的(de)(de)工(gong)件材(cai)(cai)料(liao)有所不(bu)同。高(gao)硬(ying)度的(de)(de)工(gong)件材(cai)(cai)料(liao)，必須用更高(gao)硬(ying)度的(de)(de)刀具(ju)來(lai)加工(gong)，刀具(ju)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)硬(ying)度必須高(gao)于工(gong)件材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)硬(ying)度，一般要求在(zai)60HRC以上。刀具(ju)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)硬(ying)度越高(gao)，其(qi)耐磨性(xing)就越好。陶(tao)瓷刀具(ju)優(you)良的(de)(de)高(gao)溫(wen)性(xing)能(neng)(neng)使其(qi)能(neng)(neng)夠(gou)以高(gao)的(de)(de)速度進行切(qie)削(xue)(xue)，允許的(de)(de)切(qie)削(xue)(xue)速度可(ke)比硬(ying)質合金提高(gao)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(yong)導熱較好的刀具(ju)材料(liao)，以使切削(xue)熱得以迅速傳(chuan)出而降低切削(xue)溫度。

3、切削刀具材料與加工對象的化學性能匹配

切(qie)削刀(dao)具(ju)材料與加(jia)工對(dui)象的化(hua)(hua)學性(xing)能匹配問題(ti)主要是指刀(dao)具(ju)材料與工件(jian)材料化(hua)(hua)學親和性(xing)、化(hua)(hua)學反應、擴散和溶解等化(hua)(hua)學性(xing)能參數要相匹配。材料不同(tong)的刀(dao)具(ju)所(suo)適合加(jia)工的工件(jian)材料有(you)所(suo)不同(tong)。