陶瓷刀具材料有哪些

現(xian)代陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具材(cai)料大多數為(wei)復合(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)。目前國內外廣(guang)泛使用的(de)(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具材(cai)料以(yi)及正(zheng)在開(kai)發的(de)(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具材(cai)料，基(ji)本上都(dou)是組(zu)合(he)，采取不同的(de)(de)增韌補強機制(zhi)來進行顯(xian)微結構設計(ji)的(de)(de)，其中(zhong)以(yi)氧化鋁（Al2O3）基(ji)和氮化硅（Si3N4 ）基(ji)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具材(cai)料的(de)(de)應用最廣(guang)泛。

1、氧化鋁（Al2O3）基陶瓷刀具材料

（1）純氧化鋁陶瓷

純氧化(hua)鋁陶(tao)(tao)瓷中的(de)Al2O3成(cheng)份占99.9%以上，多呈白色(se)，俗(su)稱白陶(tao)(tao)瓷。這是早期使用(yong)的(de)陶(tao)(tao)瓷，由于其(qi)強度低，抗熱(re)振性及斷裂韌性較差，切削時易崩刃，只適用(yong)于300HBW以下(xia)的(de)鑄鐵和鋼的(de)連(lian)續(xu)表面粗加工和半精加工，使用(yong)范圍非(fei)常有限，故目(mu)前已被(bei)其(qi)它各(ge)種Al2O3基復合陶(tao)(tao)瓷所取代(dai)。

（2）氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

它是在Al2O3基體中加(jia)入TiC或SiC等成份經熱(re)壓燒(shao)結而成的(de)陶瓷(ci)(ci)，是目(mu)前國內(nei)外使用最多的(de)陶瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)材(cai)料之一。氧化鋁-碳化物系復合(he)(he)陶瓷(ci)(ci)適(shi)于(yu)加(jia)工(gong)(gong)各(ge)種鋼(gang)(gang)材(cai)（碳素結構(gou)鋼(gang)(gang)、合(he)(he)金(jin)結構(gou)鋼(gang)(gang)、高強(qiang)度鋼(gang)(gang)、高錳鋼(gang)(gang)、軸承鋼(gang)(gang)、不銹鋼(gang)(gang)、淬(cui)硬鋼(gang)(gang)等）和各(ge)種鑄(zhu)(zhu)鐵（包括冷硬鑄(zhu)(zhu)鐵、高鉻鑄(zhu)(zhu)鐵等），也可(ke)加(jia)工(gong)(gong)銅合(he)(he)金(jin)、石墨(mo)、工(gong)(gong)程塑料和復合(he)(he)材(cai)料；加(jia)工(gong)(gong)鋼(gang)(gang)優(you)于(yu)Si3N4 基陶瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)；但它不宜(yi)用來加(jia)工(gong)(gong)鋁合(he)(he)金(jin)、鈦合(he)(he)金(jin)和鉭合(he)(he)金(jin)，否則容(rong)易產生(sheng)化學磨損。

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(shi)(shi)在傳(chuan)統的(de)Al2O3 / TiC金(jin)屬(shu)陶(tao)瓷(ci)中通過加入納(na)米材(cai)料TiN（氮化(hua)(hua)鈦）和AlN（氮化(hua)(hua)鋁(lv)），經改性(xing)而成的(de)一(yi)(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)Al2O3基陶(tao)瓷(ci)刀具，可細化(hua)(hua)晶粒(li)和優化(hua)(hua)材(cai)料力學性(xing)能。使用(yong)表明，這是(shi)(shi)高(gao)技(ji)術含量(liang)及高(gao)附加值(zhi)的(de)新(xin)型(xing)刀具，可部分取代K20（YG8）、P10（YT15）等面(mian)廣量(liang)大的(de)硬質合金(jin)刀具，刀具壽命可提高(gao)2倍以上，生產成本則(ze)與(yu)K20（YG8）刀具相(xiang)當或稍(shao)低。目前，納(na)米陶(tao)瓷(ci)及納(na)米復合陶(tao)瓷(ci)刀具已成為高(gao)技(ji)術陶(tao)瓷(ci)材(cai)料研究開發的(de)一(yi)(yi)個前沿領域。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶(tao)瓷基體中添(tian)加(jia)20%-30% SiCw晶須(xu)（是直徑(jing)小(xiao)于(yu)0.6μm，長(chang)度為(wei)10?80μm的單晶，具有一定的纖維結構，抗拉強度為(wei)7 GPa，抗拉彈性模量(liang)超過700 GPa）而成的Al2O3 / SiCw晶須(xu)增韌陶(tao)瓷，可有效地用于(yu)斷(duan)續切削及粗車、銑削和擴(kuo)孔等工序，適于(yu)加(jia)工鎳基合金、高硬度鑄(zhu)鐵(tie)和淬(cui)硬鋼等材料。SiCw晶須(xu)作用類似鋼筋混凝(ning)土(tu)中的鋼筋，能成為(wei)阻擋或改變裂紋發(fa)展的障礙，使其(qi)韌性大幅度提高。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它(ta)是(shi)通過控制陶瓷材(cai)料(liao)的(de)(de)組(zu)成分布(bu)以形成合(he)理的(de)(de)梯度，從而使刀(dao)(dao)具(ju)(ju)內部產生有利的(de)(de)殘(can)余應(ying)力分布(bu)來抵(di)消切(qie)削中(zhong)的(de)(de)外(wai)載(zai)應(ying)力。具(ju)(ju)有表層熱導率高、有利于切(qie)削熱的(de)(de)傳出、熱膨(peng)脹系(xi)數小、結構完整(zheng)性好(hao)、不(bu)易破損等特點。用(yong)其加(jia)工鋼鐵(tie)材(cai)料(liao)時的(de)(de)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)壽命可比同類Al2O3/（W, Ti）C復合(he)陶瓷SG-4高1-1.5倍(bei)，并且刀(dao)(dao)具(ju)(ju)有很好(hao)的(de)(de)自(zi)礪性，崩刃后仍能進(jin)行正常切(qie)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(fen)的(de)陶(tao)瓷可(ke)進(jin)一步(bu)提(ti)高材(cai)(cai)料的(de)物理機械性能(neng)和(he)(he)切削(xue)(xue)加工性能(neng)，其中以Al2O3 / TiB2和(he)(he)Al2O3 / ZrO2使用較多。如用Al2O3/ TiB2陶(tao)瓷刀具加工40CrNiMoA鋼(gang)時(shi)，刀具壽命(ming)為Al2O3/ TiC刀具的(de)3倍(bei)，加工4Cr5MoVSi鋼(gang)時(shi)，刀具抗邊界(jie)磨損能(neng)力為Al2O3 / TiC刀具的(de)2倍(bei)。而Al2O3 / ZrO2陶(tao)瓷刀具材(cai)(cai)料的(de)斷裂(lie)韌度(du)、強度(du)和(he)(he)耐磨性高，抗崩刃性能(neng)好。如用CC620刀片粗車(che)和(he)(he)半精車(che)鑄鐵和(he)(he)球墨(mo)鑄鐵等材(cai)(cai)料，切削(xue)(xue)速(su)度(du)可(ke)達(da)900 m/min；用于加工合金鋼(gang)時(shi)，粗車(che)切削(xue)(xue)速(su)度(du)可(ke)達(da)200 m/min，精車(che)切削(xue)(xue)速(su)度(du)可(ke)達(da)800 m/min。

2、氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

Si3N4陶瓷是(shi)一種非氧化物(wu)工程陶瓷，其硬(ying)度可(ke)達(da)1800-2000 HV，熱硬(ying)性(xing)好(hao)，能承受1300-1400℃的高溫，與碳和(he)金(jin)(jin)屬元素化學(xue)反應(ying)較(jiao)小(xiao)，摩擦系數(shu)也較(jiao)低。這類(lei)刀(dao)具(ju)適(shi)于切(qie)(qie)(qie)削(xue)鑄鐵、高溫合(he)(he)(he)金(jin)(jin)和(he)鎳基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)等材料，尤(you)其適(shi)用(yong)于大進給量(liang)或(huo)斷續切(qie)(qie)(qie)削(xue)。由于純Si3N4 陶瓷刀(dao)具(ju)在切(qie)(qie)(qie)削(xue)長切(qie)(qie)(qie)屑（如軟(ruan)鋼）時極易產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)月牙洼磨損，所以新一代Si3N4 陶瓷均為Si3N4 復(fu)合(he)(he)(he)陶瓷刀(dao)具(ju)。最新的Si3N4 復(fu)合(he)(he)(he)陶瓷不僅可(ke)用(yong)于粗(cu)加(jia)工，而且(qie)可(ke)用(yong)于斷續切(qie)(qie)(qie)削(xue)和(he)有冷卻液的切(qie)(qie)(qie)削(xue)。目前Si3N4基陶瓷刀(dao)具(ju)的崩刃(ren)率為2%-3%，與硬(ying)質合(he)(he)(he)金(jin)(jin)相當(dang)，可(ke)以大量(liang)應(ying)用(yong)于生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)線。該類(lei)陶瓷刀(dao)具(ju)的缺點(dian)是(shi)加(jia)工性(xing)比普通Al2O3陶瓷差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其韌性(xing)和抗彎強(qiang)度(du)高于Al2O3基(ji)陶(tao)瓷，而硬度(du)卻不降低(di)；熱導(dao)率亦高于Al2O3基(ji)陶(tao)瓷，故在生產(chan)中應用比較廣泛。

（2）Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

它(ta)是(shi)在(zai)Si3N4基(ji)(ji)體中(zhong)加入一定量的(de)(de)(de)碳化物晶須而成，從而可提高陶(tao)瓷(ci)刀具的(de)(de)(de)斷裂韌度。中(zhong)國(guo)生產的(de)(de)(de)牌號有SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等。一些(xie)國(guo)外切削專家(jia)認為，用(yong)Si3N4基(ji)(ji)陶(tao)瓷(ci)切削鋼(gang)材(cai)的(de)(de)(de)效果不如Al2O3 基(ji)(ji)復合(he)陶(tao)瓷(ci)，故不推(tui)薦(jian)用(yong)其加工鋼(gang)材(cai)。但(dan)用(yong)FD03刀片切削淬硬鋼(gang)（60-68HRC）、高錳鋼(gang)、高鉻(ge)鋼(gang)和軸承(cheng)鋼(gang)時也有較好的(de)(de)(de)效果。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是(shi)以Si3N4為(wei)硬(ying)質相，Al2O3 為(wei)耐(nai)磨相，并(bing)添加(jia)少量(liang)助(zhu)燒結劑Y2O3，經(jing)熱(re)壓燒結而成(cheng)，常(chang)稱賽(sai)阿龍（Sialon）。Sialon實際上(shang)是(shi)Si3N4中Si、N原子(zi)被Al和(he)(he)(he)O原子(zi)置換(huan)所(suo)形成(cheng)的(de)一大類固溶體的(de)總稱，主(zhu)要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種，尤以前(qian)兩種最為(wei)常(chang)見。這種陶瓷的(de)抗彎強度和(he)(he)(he)斷裂韌度較高(gao)，抗氧化能(neng)力和(he)(he)(he)高(gao)溫抗蠕變能(neng)力好，熱(re)導率(lv)高(gao)，熱(re)膨(peng)脹系數小，抗熱(re)振性好，適(shi)于粗車及銑削鑄鐵和(he)(he)(he)鎳基高(gao)溫合金等難加(jia)工材料。除能(neng)采(cai)(cai)用(yong)較大的(de)進給量(liang)及切(qie)削速(su)度高(gao)速(su)加(jia)工鑄鐵和(he)(he)(he)高(gao)溫合金外，并(bing)可在面銑刀上(shang)采(cai)(cai)用(yong)雙正(zheng)前(qian)角（側(ce)前(qian)角和(he)(he)(he)背(bei)前(qian)角均為(wei)正(zheng)值）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基(ji)(ji)陶瓷(ci)(ci)(ci)的(de)(de)(de)韌性優于Al2O3基(ji)(ji)陶瓷(ci)(ci)(ci)，但(dan)其(qi)耐磨(mo)(mo)性稍差。切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)鑄(zhu)鐵時(shi)，Si3N4陶瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具的(de)(de)(de)后(hou)刀(dao)(dao)面磨(mo)(mo)損(sun)大(da)于Al2O3陶瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具；切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)鋼料時(shi)，Si3N4陶瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具的(de)(de)(de)月牙洼磨(mo)(mo)損(sun)較大(da)。為(wei)(wei)此，國外在(zai)Si3N4基(ji)(ji)陶瓷(ci)(ci)(ci)表面上施以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，可(ke)單涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，也可(ke)用多涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)。經涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)后(hou)的(de)(de)(de)Si3N4陶瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具磨(mo)(mo)損(sun)量為(wei)(wei)未涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)1/3，使(shi)加工普通(tong)鑄(zhu)鐵的(de)(de)(de)切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)速度(du)更快，并且刀(dao)(dao)具壽命更長。比如Sandvik公司的(de)(de)(de)GC1690涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)氮化硅陶瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具，在(zai)加工高強度(du)灰鑄(zhu)鐵時(shi)的(de)(de)(de)進(jin)給(gei)(gei)量達(da)0.4 mm/r，切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)速度(du)為(wei)(wei)500 m/min。涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)氮化硅陶瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具，切(qie)(qie)(qie)(qie)鋼時(shi)抗月牙洼磨(mo)(mo)損(sun)的(de)(de)(de)能力強，其(qi)切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)速度(du)可(ke)達(da)Al2O3基(ji)(ji)陶瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具的(de)(de)(de)切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)速度(du)，但(dan)進(jin)給(gei)(gei)量卻大(da)于后(hou)者而接近涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)硬質合金刀(dao)(dao)具，使(shi)材料切(qie)(qie)(qie)(qie)除(chu)率大(da)大(da)提(ti)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(ju)(ju)(ju)與加(jia)工(gong)對象的(de)力學性(xing)能匹(pi)配問題(ti)主要是(shi)指刀具(ju)(ju)(ju)與工(gong)件材(cai)(cai)料(liao)的(de)強度、韌性(xing)和硬(ying)(ying)度等力學性(xing)能參數要相(xiang)匹(pi)配。具(ju)(ju)(ju)有不同力學性(xing)能的(de)刀具(ju)(ju)(ju)材(cai)(cai)料(liao)所(suo)適合加(jia)工(gong)的(de)工(gong)件材(cai)(cai)料(liao)有所(suo)不同。高(gao)(gao)(gao)硬(ying)(ying)度的(de)工(gong)件材(cai)(cai)料(liao)，必(bi)須(xu)用更(geng)高(gao)(gao)(gao)硬(ying)(ying)度的(de)刀具(ju)(ju)(ju)來(lai)加(jia)工(gong)，刀具(ju)(ju)(ju)材(cai)(cai)料(liao)的(de)硬(ying)(ying)度必(bi)須(xu)高(gao)(gao)(gao)于工(gong)件材(cai)(cai)料(liao)的(de)硬(ying)(ying)度，一般要求在60HRC以(yi)上。刀具(ju)(ju)(ju)材(cai)(cai)料(liao)的(de)硬(ying)(ying)度越高(gao)(gao)(gao)，其(qi)耐磨性(xing)就越好。陶瓷(ci)刀具(ju)(ju)(ju)優良的(de)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)性(xing)能使其(qi)能夠以(yi)高(gao)(gao)(gao)的(de)速度進行(xing)切削，允許的(de)切削速度可比硬(ying)(ying)質合金(jin)提高(gao)(gao)(gao)2～10倍(bei)。

2、切削刀具材料與加工對象的物理性能匹配

比(bi)如加工導熱性差的工件時，應(ying)采用導熱較好的刀具材(cai)料(liao)，以使(shi)切削熱得以迅(xun)速傳出而降(jiang)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(xue)刀(dao)具材料(liao)(liao)與加(jia)工對象的(de)(de)化(hua)學(xue)性能匹配問題主要是指刀(dao)具材料(liao)(liao)與工件(jian)(jian)材料(liao)(liao)化(hua)學(xue)親和性、化(hua)學(xue)反應(ying)、擴散和溶解等(deng)化(hua)學(xue)性能參數要相匹配。材料(liao)(liao)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)刀(dao)具所(suo)適合加(jia)工的(de)(de)工件(jian)(jian)材料(liao)(liao)有所(suo)不(bu)同(tong)(tong)。