陶瓷刀具材料有哪些

現代陶(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)材(cai)料(liao)大多(duo)數為復合(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)。目前(qian)國內(nei)外廣(guang)泛(fan)使用的(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)材(cai)料(liao)以及正在開(kai)發(fa)的(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)材(cai)料(liao)，基(ji)本上都是(shi)組(zu)合(he)，采取(qu)不同(tong)的(de)增韌補(bu)強機制來進行顯微結(jie)構設計的(de)，其(qi)中以氧化(hua)鋁（Al2O3）基(ji)和氮(dan)化(hua)硅（Si3N4 ）基(ji)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)材(cai)料(liao)的(de)應(ying)用最(zui)廣(guang)泛(fan)。

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)瓷中的(de)(de)Al2O3成份占(zhan)99.9%以上(shang)，多呈白色，俗稱白陶(tao)瓷。這是早期(qi)使(shi)用的(de)(de)陶(tao)瓷，由(you)于(yu)其強度(du)低，抗熱振性(xing)及斷裂韌性(xing)較差，切削時易崩刃，只適用于(yu)300HBW以下的(de)(de)鑄(zhu)鐵和(he)鋼的(de)(de)連(lian)續表面粗(cu)加(jia)工和(he)半精加(jia)工，使(shi)用范圍非常有(you)限，故目前已被其它(ta)各(ge)種Al2O3基復合陶(tao)瓷所(suo)取代。

（2）氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

它(ta)是在(zai)Al2O3基(ji)體(ti)中加入(ru)TiC或(huo)SiC等成(cheng)(cheng)份經(jing)熱壓燒結而成(cheng)(cheng)的陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)，是目(mu)前(qian)國內外使用最多的陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀具材料(liao)之一。氧化鋁(lv)-碳化物系復合(he)(he)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)適于加工各種(zhong)鋼(gang)材（碳素結構鋼(gang)、合(he)(he)金(jin)(jin)結構鋼(gang)、高強度鋼(gang)、高錳鋼(gang)、軸承(cheng)鋼(gang)、不銹鋼(gang)、淬(cui)硬(ying)鋼(gang)等）和各種(zhong)鑄(zhu)鐵（包括冷硬(ying)鑄(zhu)鐵、高鉻鑄(zhu)鐵等），也可加工銅合(he)(he)金(jin)(jin)、石(shi)墨、工程塑料(liao)和復合(he)(he)材料(liao)；加工鋼(gang)優于Si3N4 基(ji)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀具；但它(ta)不宜用來加工鋁(lv)合(he)(he)金(jin)(jin)、鈦合(he)(he)金(jin)(jin)和鉭合(he)(he)金(jin)(jin)，否(fou)則容(rong)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(tong)的(de)Al2O3 / TiC金屬陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)中通過加(jia)入納米材(cai)料TiN（氮(dan)化鈦）和(he)AlN（氮(dan)化鋁），經(jing)改(gai)性而成(cheng)的(de)一(yi)種新(xin)型Al2O3基(ji)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)，可細化晶粒(li)和(he)優化材(cai)料力(li)學性能(neng)。使用(yong)表(biao)明，這是高(gao)(gao)(gao)技術含量(liang)及高(gao)(gao)(gao)附加(jia)值的(de)新(xin)型刀(dao)(dao)具(ju)(ju)，可部分(fen)取代K20（YG8）、P10（YT15）等面廣量(liang)大(da)的(de)硬質合金刀(dao)(dao)具(ju)(ju)，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)壽命可提高(gao)(gao)(gao)2倍以上，生產成(cheng)本則與(yu)K20（YG8）刀(dao)(dao)具(ju)(ju)相當或稍低。目前(qian)，納米陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)及納米復合陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)已成(cheng)為(wei)高(gao)(gao)(gao)技術陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料研究開發的(de)一(yi)個(ge)前(qian)沿領域。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶瓷基(ji)體(ti)中添加20%-30% SiCw晶須(xu)(xu)（是直(zhi)徑小于(yu)(yu)0.6μm，長度(du)為(wei)(wei)10?80μm的(de)單晶，具有一定的(de)纖(xian)維(wei)結構，抗拉強(qiang)度(du)為(wei)(wei)7 GPa，抗拉彈性模量超過700 GPa）而成的(de)Al2O3 / SiCw晶須(xu)(xu)增韌(ren)陶瓷，可有效(xiao)地用于(yu)(yu)斷續切削(xue)及粗車、銑削(xue)和擴孔等工(gong)序，適于(yu)(yu)加工(gong)鎳基(ji)合金、高(gao)硬度(du)鑄鐵和淬硬鋼等材料。SiCw晶須(xu)(xu)作(zuo)用類似鋼筋(jin)(jin)混(hun)凝土中的(de)鋼筋(jin)(jin)，能成為(wei)(wei)阻(zu)擋(dang)或改變裂紋發展的(de)障礙，使其(qi)韌(ren)性大(da)幅(fu)度(du)提(ti)高(gao)。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它是通過控制陶瓷材(cai)料的(de)組(zu)成(cheng)分布以(yi)形成(cheng)合(he)理的(de)梯度(du)，從而(er)使刀具(ju)(ju)內部產生有(you)利(li)的(de)殘余應力(li)分布來抵消切(qie)削中的(de)外載應力(li)。具(ju)(ju)有(you)表層熱導率高、有(you)利(li)于(yu)切(qie)削熱的(de)傳(chuan)出、熱膨脹系(xi)數(shu)小、結構完整性好(hao)(hao)、不(bu)易破(po)損等特(te)點。用其(qi)加工鋼鐵材(cai)料時的(de)刀具(ju)(ju)壽命可(ke)比同類Al2O3/（W, Ti）C復合(he)陶瓷SG-4高1-1.5倍(bei)，并(bing)且(qie)刀具(ju)(ju)有(you)很好(hao)(hao)的(de)自礪性，崩刃后仍能(neng)進行(xing)正常切(qie)削。

（6）Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復合陶瓷

在(zai)Al2O3中添加(jia)(jia)TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的(de)(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)可(ke)(ke)進一步提(ti)高材料的(de)(de)物理(li)機(ji)械性(xing)能(neng)和(he)切(qie)削(xue)加(jia)(jia)工(gong)性(xing)能(neng)，其(qi)中以Al2O3 / TiB2和(he)Al2O3 / ZrO2使(shi)用(yong)(yong)較多。如用(yong)(yong)Al2O3/ TiB2陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)加(jia)(jia)工(gong)40CrNiMoA鋼(gang)(gang)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)工(gong)4Cr5MoVSi鋼(gang)(gang)時，刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)抗(kang)邊界磨損能(neng)力為Al2O3 / TiC刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)2倍。而Al2O3 / ZrO2陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)材料的(de)(de)斷裂韌度(du)(du)(du)、強度(du)(du)(du)和(he)耐磨性(xing)高，抗(kang)崩(beng)刃(ren)性(xing)能(neng)好(hao)。如用(yong)(yong)CC620刀(dao)(dao)(dao)片粗(cu)車和(he)半精車鑄鐵和(he)球墨(mo)鑄鐵等材料，切(qie)削(xue)速度(du)(du)(du)可(ke)(ke)達900 m/min；用(yong)(yong)于(yu)加(jia)(jia)工(gong)合金鋼(gang)(gang)時，粗(cu)車切(qie)削(xue)速度(du)(du)(du)可(ke)(ke)達200 m/min，精車切(qie)削(xue)速度(du)(du)(du)可(ke)(ke)達800 m/min。

2、氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

Si3N4陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)是一種非氧(yang)化物工(gong)程陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)，其硬度可達1800-2000 HV，熱硬性好，能承受1300-1400℃的(de)高溫，與碳和(he)金屬元素化學(xue)反應較小，摩擦系數也較低(di)。這類(lei)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具適于切(qie)(qie)削(xue)(xue)鑄(zhu)鐵(tie)、高溫合(he)金和(he)鎳(nie)基(ji)合(he)金等材(cai)料(liao)，尤其適用(yong)于大(da)進給量或(huo)斷(duan)續切(qie)(qie)削(xue)(xue)。由于純Si3N4 陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具在(zai)切(qie)(qie)削(xue)(xue)長(chang)切(qie)(qie)屑(xie)（如軟鋼）時極易產生月(yue)牙洼磨(mo)損，所以(yi)新一代(dai)Si3N4 陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)均為Si3N4 復合(he)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具。最新的(de)Si3N4 復合(he)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)不(bu)僅可用(yong)于粗加工(gong)，而且可用(yong)于斷(duan)續切(qie)(qie)削(xue)(xue)和(he)有(you)冷卻液的(de)切(qie)(qie)削(xue)(xue)。目前(qian)Si3N4基(ji)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具的(de)崩刃率為2%-3%，與硬質合(he)金相當，可以(yi)大(da)量應用(yong)于生產線。該類(lei)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具的(de)缺點是加工(gong)性比(bi)普通Al2O3陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其韌性和抗(kang)彎強度(du)高(gao)(gao)于Al2O3基陶瓷，而硬度(du)卻不降低；熱導率亦高(gao)(gao)于Al2O3基陶瓷，故在生產中應用比較廣泛。

（2）Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

它是在Si3N4基體中加(jia)入(ru)一(yi)(yi)定量(liang)的(de)碳化物晶須(xu)而(er)成，從而(er)可(ke)提高陶(tao)瓷刀具的(de)斷裂韌度。中國(guo)(guo)生產的(de)牌號(hao)有SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等。一(yi)(yi)些國(guo)(guo)外(wai)切(qie)削專(zhuan)家認為，用Si3N4基陶(tao)瓷切(qie)削鋼材的(de)效果(guo)不如Al2O3 基復合陶(tao)瓷，故不推薦(jian)用其加(jia)工鋼材。但用FD03刀片切(qie)削淬(cui)硬(ying)鋼（60-68HRC）、高錳鋼、高鉻鋼和軸(zhou)承鋼時也(ye)有較好的(de)效果(guo)。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是以Si3N4為硬質(zhi)相，Al2O3 為耐磨相，并(bing)添加(jia)少量(liang)助燒結劑Y2O3，經(jing)熱(re)壓燒結而成，常稱(cheng)賽阿龍（Sialon）。Sialon實(shi)際上(shang)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(cheng)，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種，尤以前兩種最為常見(jian)。這種陶瓷的抗彎強度和斷裂(lie)韌度較(jiao)(jiao)高(gao)，抗氧化能(neng)力(li)和高(gao)溫抗蠕變能(neng)力(li)好，熱(re)導(dao)率高(gao)，熱(re)膨(peng)脹系數小，抗熱(re)振性好，適于粗車及銑削鑄(zhu)(zhu)鐵和鎳基高(gao)溫合(he)(he)金(jin)等(deng)難加(jia)工材料。除能(neng)采(cai)用較(jiao)(jiao)大的進給量(liang)及切削速度高(gao)速加(jia)工鑄(zhu)(zhu)鐵和高(gao)溫合(he)(he)金(jin)外，并(bing)可在(zai)面(mian)銑刀(dao)上(shang)采(cai)用雙正前角(jiao)（側前角(jiao)和背(bei)前角(jiao)均為正值）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)的(de)(de)韌(ren)性優于(yu)Al2O3基陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)，但(dan)其耐磨性稍差。切(qie)(qie)削(xue)鑄鐵(tie)時(shi)(shi)，Si3N4陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具(ju)的(de)(de)后刀面磨損大于(yu)Al2O3陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具(ju)；切(qie)(qie)削(xue)鋼(gang)料時(shi)(shi)，Si3N4陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具(ju)的(de)(de)月牙洼(wa)磨損較大。為此(ci)，國外在Si3N4基陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)表(biao)面上施(shi)以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和(he)Al2O3等涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)，可單涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)，也可用多(duo)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)。經涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)后的(de)(de)Si3N4陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具(ju)磨損量(liang)為未(wei)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)1/3，使加工普通鑄鐵(tie)的(de)(de)切(qie)(qie)削(xue)速度(du)更快(kuai)，并且(qie)刀具(ju)壽命更長。比如Sandvik公司(si)的(de)(de)GC1690涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)氮(dan)化(hua)硅陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具(ju)，在加工高強(qiang)度(du)灰(hui)鑄鐵(tie)時(shi)(shi)的(de)(de)進給量(liang)達(da)0.4 mm/r，切(qie)(qie)削(xue)速度(du)為500 m/min。涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)氮(dan)化(hua)硅陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具(ju)，切(qie)(qie)鋼(gang)時(shi)(shi)抗月牙洼(wa)磨損的(de)(de)能力強(qiang)，其切(qie)(qie)削(xue)速度(du)可達(da)Al2O3基陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具(ju)的(de)(de)切(qie)(qie)削(xue)速度(du)，但(dan)進給量(liang)卻(que)大于(yu)后者而接近涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)硬質合金刀具(ju)，使材料切(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(qie)削刀(dao)(dao)(dao)具(ju)與加工對象的(de)(de)(de)力學(xue)(xue)性(xing)(xing)(xing)能(neng)匹配問題主要(yao)是(shi)指刀(dao)(dao)(dao)具(ju)與工件(jian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)強度、韌性(xing)(xing)(xing)和硬(ying)度等力學(xue)(xue)性(xing)(xing)(xing)能(neng)參數要(yao)相匹配。具(ju)有(you)不(bu)同(tong)力學(xue)(xue)性(xing)(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)所適(shi)合加工的(de)(de)(de)工件(jian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)有(you)所不(bu)同(tong)。高(gao)硬(ying)度的(de)(de)(de)工件(jian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，必(bi)須用更高(gao)硬(ying)度的(de)(de)(de)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)來加工，刀(dao)(dao)(dao)具(ju)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)硬(ying)度必(bi)須高(gao)于(yu)工件(jian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)硬(ying)度，一般要(yao)求在60HRC以上。刀(dao)(dao)(dao)具(ju)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)硬(ying)度越高(gao)，其耐磨性(xing)(xing)(xing)就越好。陶瓷刀(dao)(dao)(dao)具(ju)優良的(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)性(xing)(xing)(xing)能(neng)使其能(neng)夠以高(gao)的(de)(de)(de)速度進行切(qie)削，允許的(de)(de)(de)切(qie)削速度可(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(re)性差的工件時(shi)，應采(cai)用導熱(re)較好的刀具材(cai)料，以(yi)使切削(xue)熱(re)得以(yi)迅速傳出而(er)降低切削(xue)溫(wen)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)料(liao)與(yu)加(jia)工(gong)對象(xiang)的(de)(de)化(hua)學(xue)(xue)性(xing)能(neng)匹配(pei)問(wen)題主要是指刀具(ju)材(cai)料(liao)與(yu)工(gong)件(jian)材(cai)料(liao)化(hua)學(xue)(xue)親(qin)和性(xing)、化(hua)學(xue)(xue)反應、擴散和溶解等化(hua)學(xue)(xue)性(xing)能(neng)參數要相匹配(pei)。材(cai)料(liao)不同(tong)的(de)(de)刀具(ju)所適合加(jia)工(gong)的(de)(de)工(gong)件(jian)材(cai)料(liao)有所不同(tong)。