陶瓷刀具材料有哪些

現代(dai)陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)材(cai)料(liao)大多數為復(fu)合陶(tao)瓷(ci)(ci)。目前國(guo)內(nei)外廣泛使(shi)用的(de)(de)陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)材(cai)料(liao)以(yi)(yi)及正在開(kai)發(fa)的(de)(de)陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)材(cai)料(liao)，基本上都是組合，采(cai)取不同(tong)的(de)(de)增韌補強機(ji)制(zhi)來(lai)進行顯微結構設計(ji)的(de)(de)，其中以(yi)(yi)氧化(hua)鋁（Al2O3）基和氮化(hua)硅（Si3N4 ）基陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)材(cai)料(liao)的(de)(de)應(ying)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(ci)中的Al2O3成份占99.9%以上(shang)，多呈白(bai)色，俗稱白(bai)陶瓷(ci)。這是早期使用(yong)(yong)的陶瓷(ci)，由(you)于其強度(du)低，抗熱振性及(ji)斷裂韌性較差，切削時易(yi)崩刃，只適用(yong)(yong)于300HBW以下的鑄(zhu)鐵和鋼的連(lian)續表面粗加工(gong)和半精(jing)加工(gong)，使用(yong)(yong)范(fan)圍非(fei)常有(you)限，故目前已被(bei)其它各種(zhong)Al2O3基復合陶瓷(ci)所取代。

（2）氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

它是在Al2O3基體中加(jia)(jia)(jia)入TiC或SiC等(deng)成(cheng)份經熱(re)壓燒結而成(cheng)的陶瓷，是目前國內外使用最多的陶瓷刀(dao)具(ju)材(cai)料(liao)之一。氧化(hua)(hua)(hua)鋁-碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)系復合陶瓷適于加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)各種鋼(gang)(gang)(gang)材(cai)（碳(tan)(tan)素結構鋼(gang)(gang)(gang)、合金(jin)結構鋼(gang)(gang)(gang)、高(gao)強(qiang)度鋼(gang)(gang)(gang)、高(gao)錳鋼(gang)(gang)(gang)、軸承鋼(gang)(gang)(gang)、不(bu)銹鋼(gang)(gang)(gang)、淬硬鋼(gang)(gang)(gang)等(deng)）和(he)各種鑄鐵（包括冷硬鑄鐵、高(gao)鉻鑄鐵等(deng)），也(ye)可加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)銅合金(jin)、石(shi)墨、工(gong)(gong)程塑料(liao)和(he)復合材(cai)料(liao)；加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)鋼(gang)(gang)(gang)優(you)于Si3N4 基陶瓷刀(dao)具(ju)；但它不(bu)宜(yi)用來加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)鋁合金(jin)、鈦合金(jin)和(he)鉭合金(jin)，否則容易產生化(hua)(hua)(hua)學磨(mo)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

它是在傳統的(de)(de)Al2O3 / TiC金屬陶(tao)瓷(ci)中通過加入(ru)納米材(cai)料(liao)(liao)TiN（氮(dan)化(hua)鈦）和AlN（氮(dan)化(hua)鋁），經改性而成(cheng)(cheng)的(de)(de)一(yi)種(zhong)新型(xing)Al2O3基陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)，可細化(hua)晶粒和優化(hua)材(cai)料(liao)(liao)力學性能。使用表明，這是高(gao)(gao)技(ji)術含量及高(gao)(gao)附加值的(de)(de)新型(xing)刀(dao)具(ju)，可部(bu)分取代(dai)K20（YG8）、P10（YT15）等面廣量大的(de)(de)硬質(zhi)合(he)金刀(dao)具(ju)，刀(dao)具(ju)壽命可提高(gao)(gao)2倍(bei)以上，生產(chan)成(cheng)(cheng)本則與K20（YG8）刀(dao)具(ju)相當(dang)或(huo)稍(shao)低(di)。目前，納米陶(tao)瓷(ci)及納米復合(he)陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)已成(cheng)(cheng)為(wei)高(gao)(gao)技(ji)術陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)(liao)研究開發(fa)的(de)(de)一(yi)個前沿領域。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶瓷基體(ti)中添(tian)加20%-30% SiCw晶須（是直(zhi)徑小(xiao)于(yu)0.6μm，長(chang)度為10?80μm的(de)(de)單晶，具(ju)有一定的(de)(de)纖維結構，抗拉強度為7 GPa，抗拉彈(dan)性模量超過700 GPa）而成(cheng)的(de)(de)Al2O3 / SiCw晶須增(zeng)韌陶瓷，可有效(xiao)地(di)用于(yu)斷續切削及粗車(che)、銑削和(he)擴孔等工序，適于(yu)加工鎳基合(he)金(jin)、高硬(ying)度鑄(zhu)鐵和(he)淬硬(ying)鋼(gang)等材料。SiCw晶須作用類似鋼(gang)筋(jin)混(hun)凝土中的(de)(de)鋼(gang)筋(jin)，能成(cheng)為阻擋或改變裂紋發展的(de)(de)障礙，使(shi)其(qi)韌性大(da)幅度提高。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它是通過控(kong)制陶瓷(ci)材料的(de)(de)組成分布(bu)以形(xing)成合(he)理的(de)(de)梯度，從而使刀具(ju)(ju)內部(bu)產生有利(li)的(de)(de)殘余應力分布(bu)來抵消切(qie)削中(zhong)的(de)(de)外載應力。具(ju)(ju)有表(biao)層熱(re)(re)導率高、有利(li)于切(qie)削熱(re)(re)的(de)(de)傳出、熱(re)(re)膨脹系數小、結構完整性好(hao)(hao)、不易破損(sun)等特點(dian)。用其(qi)加工(gong)鋼鐵材料時(shi)的(de)(de)刀具(ju)(ju)壽命可比同(tong)類Al2O3/（W, Ti）C復合(he)陶瓷(ci)SG-4高1-1.5倍，并(bing)且(qie)刀具(ju)(ju)有很好(hao)(hao)的(de)(de)自礪性，崩刃后仍(reng)能進(jin)行正常切(qie)削。

（6）Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復合陶瓷

在Al2O3中(zhong)添加(jia)(jia)(jia)(jia)TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的(de)(de)陶(tao)瓷可進一(yi)步提高材(cai)(cai)料的(de)(de)物理(li)機(ji)械性(xing)能和(he)(he)切削(xue)加(jia)(jia)(jia)(jia)工性(xing)能，其(qi)中(zhong)以Al2O3 / TiB2和(he)(he)Al2O3 / ZrO2使(shi)用較多。如(ru)用Al2O3/ TiB2陶(tao)瓷刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)加(jia)(jia)(jia)(jia)工40CrNiMoA鋼時，刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)壽命為Al2O3/ TiC刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)3倍，加(jia)(jia)(jia)(jia)工4Cr5MoVSi鋼時，刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)抗(kang)邊界磨損能力為Al2O3 / TiC刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)2倍。而Al2O3 / ZrO2陶(tao)瓷刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)材(cai)(cai)料的(de)(de)斷裂(lie)韌度(du)、強度(du)和(he)(he)耐磨性(xing)高，抗(kang)崩(beng)刃性(xing)能好。如(ru)用CC620刀(dao)(dao)(dao)片粗車和(he)(he)半精車鑄鐵(tie)和(he)(he)球墨鑄鐵(tie)等材(cai)(cai)料，切削(xue)速(su)度(du)可達900 m/min；用于(yu)加(jia)(jia)(jia)(jia)工合金鋼時，粗車切削(xue)速(su)度(du)可達200 m/min，精車切削(xue)速(su)度(du)可達800 m/min。

2、氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

Si3N4陶瓷(ci)是一種非氧化物工程陶瓷(ci)，其(qi)硬度可達1800-2000 HV，熱硬性好(hao)，能承受1300-1400℃的高(gao)(gao)溫，與碳(tan)和(he)金屬元素(su)化學(xue)反應較小(xiao)，摩擦系數也較低(di)。這類(lei)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)適于(yu)切(qie)削(xue)鑄鐵、高(gao)(gao)溫合(he)金和(he)鎳基合(he)金等材料，尤其(qi)適用(yong)于(yu)大(da)進給(gei)量(liang)或斷(duan)續(xu)切(qie)削(xue)。由于(yu)純Si3N4 陶瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)在切(qie)削(xue)長切(qie)屑（如軟鋼）時(shi)極(ji)易產生月牙(ya)洼磨損，所(suo)以新一代Si3N4 陶瓷(ci)均為(wei)(wei)Si3N4 復合(he)陶瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)。最新的Si3N4 復合(he)陶瓷(ci)不僅可用(yong)于(yu)粗加(jia)工，而(er)且可用(yong)于(yu)斷(duan)續(xu)切(qie)削(xue)和(he)有冷卻液(ye)的切(qie)削(xue)。目前Si3N4基陶瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)的崩刃(ren)率(lv)為(wei)(wei)2%-3%，與硬質合(he)金相當(dang)，可以大(da)量(liang)應用(yong)于(yu)生產線。該類(lei)陶瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)的缺點(dian)是加(jia)工性比普(pu)通Al2O3陶瓷(ci)差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其韌性和抗彎強度高于Al2O3基(ji)陶瓷(ci)，而硬(ying)度卻(que)不降低；熱導率亦高于Al2O3基(ji)陶瓷(ci)，故(gu)在生產中應用比較廣泛。

（2）Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

它是(shi)在Si3N4基(ji)體中加(jia)入一(yi)定量(liang)的(de)(de)碳(tan)化(hua)物晶須而成，從而可提高陶瓷刀具的(de)(de)斷裂韌度。中國生產的(de)(de)牌號有(you)SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等(deng)。一(yi)些國外切(qie)削專家認為，用(yong)Si3N4基(ji)陶瓷切(qie)削鋼(gang)(gang)材的(de)(de)效果不如Al2O3 基(ji)復合陶瓷，故不推薦用(yong)其加(jia)工鋼(gang)(gang)材。但用(yong)FD03刀片切(qie)削淬(cui)硬鋼(gang)(gang)（60-68HRC）、高錳鋼(gang)(gang)、高鉻(ge)鋼(gang)(gang)和軸承鋼(gang)(gang)時也有(you)較好的(de)(de)效果。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是以(yi)Si3N4為(wei)硬質相，Al2O3 為(wei)耐磨相，并(bing)添加(jia)少量(liang)助燒結劑(ji)Y2O3，經熱(re)壓燒結而(er)成(cheng)，常稱賽阿龍（Sialon）。Sialon實際上是Si3N4中Si、N原子(zi)被Al和(he)(he)O原子(zi)置換(huan)所形成(cheng)的一大類固溶體的總(zong)稱，主要有(you)β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種(zhong)，尤以(yi)前(qian)(qian)兩種(zhong)最為(wei)常見(jian)。這(zhe)種(zhong)陶瓷的抗彎強度(du)和(he)(he)斷裂韌(ren)度(du)較高，抗氧化能力和(he)(he)高溫抗蠕變能力好(hao)(hao)，熱(re)導(dao)率高，熱(re)膨脹(zhang)系數(shu)小，抗熱(re)振(zhen)性好(hao)(hao)，適于粗車及銑削鑄鐵和(he)(he)鎳基(ji)高溫合金等(deng)難加(jia)工(gong)材料。除能采(cai)用(yong)較大的進(jin)給量(liang)及切削速度(du)高速加(jia)工(gong)鑄鐵和(he)(he)高溫合金外，并(bing)可在面(mian)銑刀上采(cai)用(yong)雙正(zheng)前(qian)(qian)角(jiao)（側前(qian)(qian)角(jiao)和(he)(he)背前(qian)(qian)角(jiao)均為(wei)正(zheng)值(zhi)）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基陶(tao)(tao)瓷的(de)(de)(de)韌性(xing)優于Al2O3基陶(tao)(tao)瓷，但(dan)其(qi)耐磨(mo)性(xing)稍差。切(qie)削(xue)鑄鐵(tie)時(shi)，Si3N4陶(tao)(tao)瓷刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)后刀(dao)面磨(mo)損大于Al2O3陶(tao)(tao)瓷刀(dao)具(ju)；切(qie)削(xue)鋼料時(shi)，Si3N4陶(tao)(tao)瓷刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)月(yue)牙洼(wa)磨(mo)損較大。為此(ci)，國外在Si3N4基陶(tao)(tao)瓷表(biao)面上施以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等涂層(ceng)(ceng)，可單涂層(ceng)(ceng)，也可用多涂層(ceng)(ceng)。經涂層(ceng)(ceng)后的(de)(de)(de)Si3N4陶(tao)(tao)瓷刀(dao)具(ju)磨(mo)損量(liang)為未涂層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)1/3，使加(jia)工普(pu)通鑄鐵(tie)的(de)(de)(de)切(qie)削(xue)速(su)度(du)更快(kuai)，并且刀(dao)具(ju)壽命更長。比如(ru)Sandvik公司的(de)(de)(de)GC1690涂層(ceng)(ceng)氮化硅陶(tao)(tao)瓷刀(dao)具(ju)，在加(jia)工高強(qiang)度(du)灰鑄鐵(tie)時(shi)的(de)(de)(de)進給量(liang)達(da)0.4 mm/r，切(qie)削(xue)速(su)度(du)為500 m/min。涂層(ceng)(ceng)氮化硅陶(tao)(tao)瓷刀(dao)具(ju)，切(qie)鋼時(shi)抗月(yue)牙洼(wa)磨(mo)損的(de)(de)(de)能力強(qiang)，其(qi)切(qie)削(xue)速(su)度(du)可達(da)Al2O3基陶(tao)(tao)瓷刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)切(qie)削(xue)速(su)度(du)，但(dan)進給量(liang)卻大于后者而接近涂層(ceng)(ceng)硬(ying)質合金(jin)刀(dao)具(ju)，使材(cai)料切(qie)除率大大提(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)與(yu)加(jia)(jia)工(gong)對象的(de)(de)(de)力(li)學(xue)性(xing)(xing)能匹配問題主要(yao)是指(zhi)刀具(ju)與(yu)工(gong)件(jian)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)強度(du)、韌(ren)性(xing)(xing)和硬(ying)(ying)(ying)度(du)等力(li)學(xue)性(xing)(xing)能參數要(yao)相匹配。具(ju)有不同力(li)學(xue)性(xing)(xing)能的(de)(de)(de)刀具(ju)材(cai)料(liao)(liao)所(suo)適(shi)合加(jia)(jia)工(gong)的(de)(de)(de)工(gong)件(jian)材(cai)料(liao)(liao)有所(suo)不同。高(gao)(gao)(gao)硬(ying)(ying)(ying)度(du)的(de)(de)(de)工(gong)件(jian)材(cai)料(liao)(liao)，必(bi)須用更高(gao)(gao)(gao)硬(ying)(ying)(ying)度(du)的(de)(de)(de)刀具(ju)來加(jia)(jia)工(gong)，刀具(ju)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度(du)必(bi)須高(gao)(gao)(gao)于工(gong)件(jian)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度(du)，一般要(yao)求(qiu)在60HRC以(yi)上。刀具(ju)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度(du)越高(gao)(gao)(gao)，其耐磨性(xing)(xing)就越好。陶瓷刀具(ju)優(you)良的(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)溫性(xing)(xing)能使其能夠以(yi)高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)速(su)度(du)進行切削，允許的(de)(de)(de)切削速(su)度(du)可(ke)比硬(ying)(ying)(ying)質合金(jin)提高(gao)(gao)(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(jia)工(gong)導(dao)熱(re)性(xing)差的工(gong)件時(shi)，應采用導(dao)熱(re)較好(hao)的刀具材料，以使切削(xue)熱(re)得以迅速傳出而(er)降(jiang)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

切削刀具材(cai)料(liao)與加(jia)工(gong)對象的(de)化(hua)學性能匹(pi)配問題主要(yao)是指刀具材(cai)料(liao)與工(gong)件材(cai)料(liao)化(hua)學親和(he)性、化(hua)學反應、擴散(san)和(he)溶(rong)解等化(hua)學性能參數要(yao)相匹(pi)配。材(cai)料(liao)不同(tong)的(de)刀具所適(shi)合加(jia)工(gong)的(de)工(gong)件材(cai)料(liao)有所不同(tong)。