陶瓷刀具材料有哪些

現(xiàn)代陶瓷刀具材料大多數(shù)為復(fù)合陶瓷。目前國內(nèi)外廣泛使用的陶瓷刀具材料以及正在開發(fā)的陶瓷刀具材料，基本上都是組合，采取不同的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制來進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，其中以氧化鋁（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4 ）基陶瓷刀具材料的應(yīng)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(qiáng)度低，抗熱振性及斷裂韌性較差，切削時(shí)易崩刃，只適用于300HBW以下的鑄鐵和鋼的連續(xù)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(fù)合陶瓷所取代。

（2）氧化鋁-碳化物系復(fù)合陶瓷

它是在Al2O3基體中加入TiC或SiC等成份經(jīng)熱壓燒結(jié)而成的陶瓷，是目前國內(nèi)外使用最多的陶瓷刀具材料之一。氧化鋁-碳化物系復(fù)合陶瓷適于加工各種鋼材（碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)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(fù)合材料；加工鋼優(yōu)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(chǎn)生化學(xué)磨損。

（3）納米金屬陶瓷刀具

它是在傳統(tǒng)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(jīng)改性而成的一種新型Al2O3基陶瓷刀具，可細(xì)化晶粒和優(yōu)化材料力學(xué)性能。使用表明，這是高技術(shù)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(zhì)合金刀具，刀具壽命可提高2倍以上，生產(chǎn)成本則與K20（YG8）刀具相當(dāng)或稍低。目前，納米陶瓷及納米復(fù)合陶瓷刀具已成為高技術(shù)陶瓷材料研究開發(fā)的一個(gè)前沿領(lǐng)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(jié)構(gòu)，抗拉強(qiáng)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(xù)切削及粗車、銑削和擴(kuò)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(fā)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(nèi)部產(chǎn)生有利的殘余應(yīng)力分布來抵消切削中的外載應(yīng)力。具有表層熱導(dǎo)率高、有利于切削熱的傳出、熱膨脹系數(shù)小、結(jié)構(gòu)完整性好、不易破損等特點(diǎn)。用其加工鋼鐵材料時(shí)的刀具壽命可比同類Al2O3/（W, Ti）C復(fù)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(jìn)行正常切削。

（6）Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復(fù)合陶瓷

在Al2O3中添加TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的陶瓷可進(jìn)一步提高材料的物理機(jī)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(shí)，刀具壽命為Al2O3/ TiC刀具的3倍，加工4Cr5MoVSi鋼時(shí)，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(qiáng)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(dá)900 m/min；用于加工合金鋼時(shí)，粗車切削速度可達(dá)200 m/min，精車切削速度可達(dá)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(dá)1800-2000 HV，熱硬性好，能承受1300-1400℃的高溫，與碳和金屬元素化學(xué)反應(yīng)較小，摩擦系數(shù)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(jìn)給量或斷續(xù)切削。由于純Si3N4 陶瓷刀具在切削長切屑（如軟鋼）時(shí)極易產(chǎn)生月牙洼磨損，所以新一代Si3N4 陶瓷均為Si3N4 復(fù)合陶瓷刀具。最新的Si3N4 復(fù)合陶瓷不僅可用于粗加工，而且可用于斷續(xù)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(zhì)合金相當(dāng)，可以大量應(yīng)用于生產(chǎn)線。該類陶瓷刀具的缺點(diǎn)是加工性比普通Al2O3陶瓷差。

（1）Si3 N4 / TiC復(fù)合陶瓷

其韌性和抗彎強(qiáng)度高于Al2O3基陶瓷，而硬度卻不降低；熱導(dǎo)率亦高于Al2O3基陶瓷，故在生產(chǎn)中應(yīng)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(chǎn)的牌號有SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等。一些國外切削專家認(rèn)為，用Si3N4基陶瓷切削鋼材的效果不如Al2O3 基復(fù)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(shí)也有較好的效果。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是以Si3N4為硬質(zhì)相，Al2O3 為耐磨相，并添加少量助燒結(jié)劑Y2O3，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成，常稱賽阿龍（Sialon）。Sialon實(shí)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(qiáng)度和斷裂韌度較高，抗氧化能力和高溫抗蠕變能力好，熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)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(jìn)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(cè)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(yōu)于Al2O3基陶瓷，但其耐磨性稍差。切削鑄鐵時(shí)，Si3N4陶瓷刀具的后刀面磨損大于Al2O3陶瓷刀具；切削鋼料時(shí)，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(jīng)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(qiáng)度灰鑄鐵時(shí)的進(jìn)給量達(dá)0.4 mm/r，切削速度為500 m/min。涂層氮化硅陶瓷刀具，切鋼時(shí)抗月牙洼磨損的能力強(qiáng)，其切削速度可達(dá)Al2O3基陶瓷刀具的切削速度，但進(jìn)給量卻大于后者而接近涂層硬質(zhì)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(xué)性能匹配

切削刀具與加工對象的力學(xué)性能匹配問題主要是指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性和硬度等力學(xué)性能參數(shù)要相匹配。具有不同力學(xué)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(yōu)良的高溫性能使其能夠以高的速度進(jìn)行切削，允許的切削速度可比硬質(zhì)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(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)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(xué)性能匹配

切削刀具材料與加工對象的化學(xué)性能匹配問題主要是指刀具材料與工件材料化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散和溶解等化學(xué)性能參數(shù)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。