陶瓷刀具材料有哪些

現代陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具材料(liao)大(da)多數(shu)為復合陶(tao)(tao)瓷(ci)。目(mu)前國內外廣泛(fan)(fan)使用的(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具材料(liao)以及正在開發的(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具材料(liao)，基本上都是組合，采取不(bu)同的(de)增韌補強機制(zhi)來進行(xing)顯微(wei)結構設計的(de)，其中(zhong)以氧(yang)化鋁（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4 ）基陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具材料(liao)的(de)應用最廣泛(fan)(fan)。

1、氧化鋁（Al2O3）基陶瓷刀具材料

（1）純氧化鋁陶瓷

純氧(yang)化(hua)鋁陶瓷(ci)中(zhong)的(de)Al2O3成份占99.9%以(yi)上，多呈白色，俗稱白陶瓷(ci)。這是早期使用的(de)陶瓷(ci)，由(you)于其(qi)強(qiang)度低，抗熱(re)振(zhen)性及斷裂韌性較差，切(qie)削時易(yi)崩刃(ren)，只適(shi)用于300HBW以(yi)下的(de)鑄鐵和鋼的(de)連續表(biao)面粗加(jia)工和半(ban)精加(jia)工，使用范圍(wei)非常有限(xian)，故目前已(yi)被其(qi)它各種Al2O3基復合陶瓷(ci)所取(qu)代。

（2）氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

它(ta)是(shi)在Al2O3基體中加(jia)入TiC或(huo)SiC等(deng)成(cheng)份經熱壓燒(shao)結而成(cheng)的陶(tao)瓷(ci)，是(shi)目前(qian)國內外使用(yong)最(zui)多的陶(tao)瓷(ci)刀具材料(liao)之一(yi)。氧化鋁-碳化物(wu)系復(fu)合(he)陶(tao)瓷(ci)適于加(jia)工(gong)(gong)各種鋼材（碳素結構(gou)(gou)鋼、合(he)金(jin)結構(gou)(gou)鋼、高(gao)強度鋼、高(gao)錳(meng)鋼、軸(zhou)承鋼、不銹鋼、淬硬(ying)鋼等(deng)）和(he)各種鑄(zhu)鐵（包括冷硬(ying)鑄(zhu)鐵、高(gao)鉻鑄(zhu)鐵等(deng)），也可加(jia)工(gong)(gong)銅合(he)金(jin)、石(shi)墨(mo)、工(gong)(gong)程塑料(liao)和(he)復(fu)合(he)材料(liao)；加(jia)工(gong)(gong)鋼優于Si3N4 基陶(tao)瓷(ci)刀具；但它(ta)不宜用(yong)來加(jia)工(gong)(gong)鋁合(he)金(jin)、鈦(tai)合(he)金(jin)和(he)鉭(tan)合(he)金(jin)，否則容易產生化學磨損(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(shu)陶(tao)瓷中通過加入納(na)米(mi)材(cai)料(liao)TiN（氮化(hua)鈦）和AlN（氮化(hua)鋁），經改性而成的(de)一種新型(xing)Al2O3基(ji)陶(tao)瓷刀具(ju)，可(ke)細(xi)化(hua)晶粒和優化(hua)材(cai)料(liao)力學性能。使用表明，這是高(gao)(gao)技術(shu)(shu)含量及高(gao)(gao)附加值的(de)新型(xing)刀具(ju)，可(ke)部(bu)分取代K20（YG8）、P10（YT15）等(deng)面廣量大的(de)硬質(zhi)合金(jin)刀具(ju)，刀具(ju)壽命(ming)可(ke)提高(gao)(gao)2倍以(yi)上，生產成本則與K20（YG8）刀具(ju)相當或稍低。目前(qian)，納(na)米(mi)陶(tao)瓷及納(na)米(mi)復合陶(tao)瓷刀具(ju)已成為(wei)高(gao)(gao)技術(shu)(shu)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)研究(jiu)開發的(de)一個前(qian)沿領(ling)域。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶(tao)瓷基(ji)體中添加(jia)(jia)20%-30% SiCw晶(jing)(jing)須（是直徑(jing)小于(yu)(yu)0.6μm，長度(du)為10?80μm的(de)單(dan)晶(jing)(jing)，具有一定的(de)纖維結構，抗拉強度(du)為7 GPa，抗拉彈(dan)性模(mo)量超過700 GPa）而成(cheng)的(de)Al2O3 / SiCw晶(jing)(jing)須增韌陶(tao)瓷，可(ke)有效(xiao)地用于(yu)(yu)斷續(xu)切削及粗車、銑削和(he)擴孔等工序，適于(yu)(yu)加(jia)(jia)工鎳(nie)基(ji)合(he)金(jin)、高硬(ying)度(du)鑄(zhu)鐵和(he)淬硬(ying)鋼等材(cai)料。SiCw晶(jing)(jing)須作用類(lei)似鋼筋混凝土中的(de)鋼筋，能成(cheng)為阻擋或改變裂(lie)紋(wen)發展的(de)障礙(ai)，使其韌性大(da)幅(fu)度(du)提高。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它(ta)是通過控制陶瓷材料的(de)組成(cheng)分布以形成(cheng)合(he)理的(de)梯度，從而使刀具(ju)內(nei)部產生(sheng)有(you)利的(de)殘(can)余(yu)應(ying)力分布來抵消切削(xue)中的(de)外(wai)載應(ying)力。具(ju)有(you)表層熱(re)導率高、有(you)利于切削(xue)熱(re)的(de)傳(chuan)出、熱(re)膨脹系(xi)數小、結構完整性(xing)好(hao)、不(bu)易破(po)損等特(te)點。用其加工(gong)鋼鐵材料時的(de)刀具(ju)壽命可比同類Al2O3/（W, Ti）C復合(he)陶瓷SG-4高1-1.5倍，并且刀具(ju)有(you)很好(hao)的(de)自礪性(xing)，崩刃后仍能進(jin)行(xing)正常切削(xue)。

（6）Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復合陶瓷

在Al2O3中(zhong)添(tian)加(jia)(jia)TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的(de)(de)(de)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)可(ke)進一步提高(gao)材料(liao)的(de)(de)(de)物理機械性(xing)能(neng)和(he)切削加(jia)(jia)工性(xing)能(neng)，其中(zhong)以Al2O3 / TiB2和(he)Al2O3 / ZrO2使用較多。如(ru)用Al2O3/ TiB2陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)具加(jia)(jia)工40CrNiMoA鋼時，刀(dao)具壽命為(wei)Al2O3/ TiC刀(dao)具的(de)(de)(de)3倍(bei)，加(jia)(jia)工4Cr5MoVSi鋼時，刀(dao)具抗邊界磨(mo)損能(neng)力為(wei)Al2O3 / TiC刀(dao)具的(de)(de)(de)2倍(bei)。而Al2O3 / ZrO2陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)具材料(liao)的(de)(de)(de)斷裂韌度(du)、強度(du)和(he)耐磨(mo)性(xing)高(gao)，抗崩刃性(xing)能(neng)好。如(ru)用CC620刀(dao)片粗車(che)和(he)半(ban)精車(che)鑄鐵和(he)球(qiu)墨鑄鐵等材料(liao)，切削速度(du)可(ke)達900 m/min；用于加(jia)(jia)工合金鋼時，粗車(che)切削速度(du)可(ke)達200 m/min，精車(che)切削速度(du)可(ke)達800 m/min。

2、氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)是一種非氧化(hua)(hua)物工(gong)程陶(tao)瓷(ci)(ci)，其硬(ying)(ying)度可達1800-2000 HV，熱硬(ying)(ying)性(xing)好(hao)，能承受1300-1400℃的(de)高(gao)溫，與(yu)碳和金(jin)(jin)屬元素化(hua)(hua)學反應較小，摩擦系數也(ye)較低。這(zhe)類刀(dao)具(ju)(ju)適于(yu)切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)鑄(zhu)鐵、高(gao)溫合金(jin)(jin)和鎳基合金(jin)(jin)等材料，尤(you)其適用于(yu)大進給量或(huo)斷(duan)續切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)。由于(yu)純Si3N4 陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)(ju)在切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)長切(qie)(qie)(qie)屑(xie)（如軟(ruan)鋼）時極易產(chan)(chan)生(sheng)月牙(ya)洼磨損(sun)，所以(yi)新(xin)一代Si3N4 陶(tao)瓷(ci)(ci)均為(wei)Si3N4 復(fu)合陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)(ju)。最新(xin)的(de)Si3N4 復(fu)合陶(tao)瓷(ci)(ci)不僅(jin)可用于(yu)粗加工(gong)，而且可用于(yu)斷(duan)續切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)和有冷卻液(ye)的(de)切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)。目前Si3N4基陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)(ju)的(de)崩刃(ren)率(lv)為(wei)2%-3%，與(yu)硬(ying)(ying)質合金(jin)(jin)相當，可以(yi)大量應用于(yu)生(sheng)產(chan)(chan)線。該(gai)類陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)(ju)的(de)缺點是加工(gong)性(xing)比普通Al2O3陶(tao)瓷(ci)(ci)差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其韌(ren)性和抗彎強度高于Al2O3基陶(tao)瓷，而(er)硬度卻不降低；熱導率亦高于Al2O3基陶(tao)瓷，故(gu)在生產中應用(yong)比(bi)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(de)(de)碳(tan)化物晶須而(er)成(cheng)，從而(er)可提(ti)高(gao)陶瓷(ci)(ci)刀(dao)具的(de)(de)斷(duan)裂韌(ren)度。中國生產的(de)(de)牌號有(you)SW21（Si3N4/ SiCw）與(yu)FD03（Si3N4/TiCw）等(deng)。一些國外切(qie)削專家認為，用Si3N4基陶瓷(ci)(ci)切(qie)削鋼(gang)(gang)材的(de)(de)效果不如Al2O3 基復合陶瓷(ci)(ci)，故不推(tui)薦用其加工(gong)鋼(gang)(gang)材。但用FD03刀(dao)片切(qie)削淬硬鋼(gang)(gang)（60-68HRC）、高(gao)錳(meng)鋼(gang)(gang)、高(gao)鉻鋼(gang)(gang)和軸承鋼(gang)(gang)時(shi)也有(you)較好的(de)(de)效果。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是(shi)以(yi)Si3N4為(wei)硬(ying)質相(xiang)，Al2O3 為(wei)耐磨相(xiang)，并(bing)添(tian)加少量(liang)助燒(shao)結劑Y2O3，經熱壓燒(shao)結而(er)成(cheng)，常(chang)稱(cheng)賽阿龍（Sialon）。Sialon實際上是(shi)Si3N4中Si、N原子(zi)(zi)被Al和(he)O原子(zi)(zi)置換所形(xing)成(cheng)的一(yi)大類固溶體的總稱(cheng)，主要(yao)有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種，尤以(yi)前(qian)兩種最為(wei)常(chang)見。這種陶瓷的抗彎強度(du)(du)和(he)斷裂(lie)韌度(du)(du)較(jiao)高(gao)(gao)，抗氧(yang)化能力和(he)高(gao)(gao)溫抗蠕(ru)變能力好，熱導(dao)率高(gao)(gao)，熱膨脹(zhang)系數小，抗熱振性(xing)好，適于(yu)粗車(che)及(ji)銑削鑄鐵(tie)和(he)鎳(nie)基高(gao)(gao)溫合(he)金等難加工材料。除能采用較(jiao)大的進給量(liang)及(ji)切(qie)削速度(du)(du)高(gao)(gao)速加工鑄鐵(tie)和(he)高(gao)(gao)溫合(he)金外，并(bing)可(ke)在面銑刀上采用雙正(zheng)前(qian)角(jiao)（側前(qian)角(jiao)和(he)背前(qian)角(jiao)均為(wei)正(zheng)值）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基(ji)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)的韌性優(you)于Al2O3基(ji)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)，但其耐磨性稍(shao)差(cha)。切(qie)(qie)(qie)(qie)削鑄(zhu)鐵時(shi)，Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具的后(hou)刀(dao)(dao)面(mian)磨損(sun)大于Al2O3陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具；切(qie)(qie)(qie)(qie)削鋼料(liao)時(shi)，Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具的月(yue)牙(ya)洼(wa)磨損(sun)較大。為此，國外在(zai)Si3N4基(ji)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)表(biao)面(mian)上施以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等涂層，可(ke)(ke)單涂層，也可(ke)(ke)用多涂層。經涂層后(hou)的Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具磨損(sun)量(liang)為未涂層的1/3，使加工普通鑄(zhu)鐵的切(qie)(qie)(qie)(qie)削速(su)度更快，并且刀(dao)(dao)具壽命更長。比如Sandvik公司的GC1690涂層氮(dan)(dan)化(hua)硅陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具，在(zai)加工高強(qiang)度灰(hui)鑄(zhu)鐵時(shi)的進(jin)給量(liang)達0.4 mm/r，切(qie)(qie)(qie)(qie)削速(su)度為500 m/min。涂層氮(dan)(dan)化(hua)硅陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具，切(qie)(qie)(qie)(qie)鋼時(shi)抗月(yue)牙(ya)洼(wa)磨損(sun)的能力強(qiang)，其切(qie)(qie)(qie)(qie)削速(su)度可(ke)(ke)達Al2O3基(ji)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具的切(qie)(qie)(qie)(qie)削速(su)度，但進(jin)給量(liang)卻大于后(hou)者而接近涂層硬(ying)質(zhi)合金(jin)刀(dao)(dao)具，使材料(liao)切(qie)(qie)(qie)(qie)除率(lv)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(xue)(xue)刀(dao)具(ju)與加工(gong)(gong)(gong)對象(xiang)的(de)(de)(de)力學性(xing)能匹配問題主(zhu)要是(shi)指(zhi)刀(dao)具(ju)與工(gong)(gong)(gong)件材料(liao)的(de)(de)(de)強(qiang)度(du)、韌性(xing)和硬(ying)(ying)度(du)等(deng)力學性(xing)能參數(shu)要相匹配。具(ju)有不同力學性(xing)能的(de)(de)(de)刀(dao)具(ju)材料(liao)所適合(he)加工(gong)(gong)(gong)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)(gong)件材料(liao)有所不同。高硬(ying)(ying)度(du)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)(gong)件材料(liao)，必須(xu)用更高硬(ying)(ying)度(du)的(de)(de)(de)刀(dao)具(ju)來(lai)加工(gong)(gong)(gong)，刀(dao)具(ju)材料(liao)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)度(du)必須(xu)高于工(gong)(gong)(gong)件材料(liao)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)度(du)，一般要求在60HRC以(yi)上(shang)。刀(dao)具(ju)材料(liao)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)度(du)越(yue)高，其(qi)耐磨性(xing)就(jiu)越(yue)好。陶瓷刀(dao)具(ju)優良(liang)的(de)(de)(de)高溫(wen)性(xing)能使其(qi)能夠以(yi)高的(de)(de)(de)速度(du)進行切削(xue)(xue)，允許(xu)的(de)(de)(de)切削(xue)(xue)速度(du)可比(bi)硬(ying)(ying)質合(he)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(ru)加工(gong)導熱性差的工(gong)件(jian)時(shi)，應采用(yong)導熱較好的刀具(ju)材料，以使切(qie)削(xue)熱得以迅速(su)傳出而降低切(qie)削(xue)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(ju)材(cai)(cai)料與加(jia)工對象(xiang)的(de)化學性能(neng)匹配(pei)問(wen)題主要(yao)是指(zhi)刀具(ju)材(cai)(cai)料與工件材(cai)(cai)料化學親(qin)和性、化學反應、擴散和溶解等化學性能(neng)參數要(yao)相匹配(pei)。材(cai)(cai)料不(bu)同的(de)刀具(ju)所適合加(jia)工的(de)工件材(cai)(cai)料有所不(bu)同。