陶瓷刀具材料有哪些

現(xian)代陶(tao)瓷刀(dao)具材(cai)料大多數為復合陶(tao)瓷。目前國內外廣泛使(shi)用(yong)的(de)陶(tao)瓷刀(dao)具材(cai)料以及正(zheng)在開發的(de)陶(tao)瓷刀(dao)具材(cai)料，基(ji)本(ben)上都是組合，采(cai)取不同的(de)增韌補強機制來(lai)進行顯微結構設計的(de)，其中以氧(yang)化鋁（Al2O3）基(ji)和氮化硅（Si3N4 ）基(ji)陶(tao)瓷刀(dao)具材(cai)料的(de)應用(yong)最廣泛。

1、氧化鋁（Al2O3）基陶瓷刀具材料

（1）純氧化鋁陶瓷

純(chun)氧化鋁陶瓷(ci)中(zhong)的(de)(de)Al2O3成份(fen)占99.9%以(yi)上，多呈白(bai)(bai)色，俗稱(cheng)白(bai)(bai)陶瓷(ci)。這是早期使(shi)用(yong)的(de)(de)陶瓷(ci)，由于(yu)其(qi)強度低，抗熱振性及斷裂韌性較(jiao)差，切削時易崩刃，只(zhi)適(shi)用(yong)于(yu)300HBW以(yi)下的(de)(de)鑄(zhu)鐵和鋼的(de)(de)連續(xu)表(biao)面粗加工和半精加工，使(shi)用(yong)范圍非常有限，故目前已被(bei)其(qi)它各種Al2O3基復(fu)合陶瓷(ci)所取代。

（2）氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

它是(shi)在Al2O3基體中(zhong)加(jia)入TiC或SiC等成(cheng)份經熱壓燒結而成(cheng)的(de)陶(tao)瓷，是(shi)目前國內外使用(yong)最多的(de)陶(tao)瓷刀具材(cai)料之一。氧化(hua)鋁-碳(tan)化(hua)物(wu)系(xi)復合(he)(he)(he)陶(tao)瓷適(shi)于加(jia)工(gong)各種(zhong)鋼(gang)(gang)材(cai)（碳(tan)素結構鋼(gang)(gang)、合(he)(he)(he)金(jin)(jin)結構鋼(gang)(gang)、高強度鋼(gang)(gang)、高錳鋼(gang)(gang)、軸承(cheng)鋼(gang)(gang)、不銹鋼(gang)(gang)、淬(cui)硬鋼(gang)(gang)等）和(he)各種(zhong)鑄(zhu)鐵（包括冷(leng)硬鑄(zhu)鐵、高鉻(ge)鑄(zhu)鐵等），也(ye)可加(jia)工(gong)銅(tong)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)、石墨、工(gong)程塑料和(he)復合(he)(he)(he)材(cai)料；加(jia)工(gong)鋼(gang)(gang)優于Si3N4 基陶(tao)瓷刀具；但它不宜(yi)用(yong)來加(jia)工(gong)鋁合(he)(he)(he)金(jin)(jin)、鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)和(he)鉭合(he)(he)(he)金(jin)(jin)，否則容易產生(sheng)化(hua)學(xue)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

它是在(zai)傳統的(de)(de)Al2O3 / TiC金屬陶(tao)瓷(ci)中通(tong)過(guo)加入納米(mi)材料TiN（氮(dan)(dan)化(hua)(hua)鈦）和AlN（氮(dan)(dan)化(hua)(hua)鋁(lv)），經(jing)改性而成(cheng)的(de)(de)一種新(xin)(xin)型Al2O3基陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)，可細化(hua)(hua)晶粒和優化(hua)(hua)材料力學性能。使(shi)用表(biao)明(ming)，這(zhe)是高(gao)技術含量(liang)及高(gao)附加值的(de)(de)新(xin)(xin)型刀(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)，可部分取代K20（YG8）、P10（YT15）等面廣量(liang)大的(de)(de)硬(ying)質(zhi)合(he)金刀(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)，刀(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)壽(shou)命可提高(gao)2倍以(yi)上，生產成(cheng)本則與K20（YG8）刀(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)相當或稍低(di)。目前(qian)(qian)，納米(mi)陶(tao)瓷(ci)及納米(mi)復合(he)陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)已成(cheng)為(wei)高(gao)技術陶(tao)瓷(ci)材料研究開(kai)發的(de)(de)一個前(qian)(qian)沿(yan)領(ling)域。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶(tao)瓷基體中添加20%-30% SiCw晶須（是直徑小于(yu)(yu)0.6μm，長度(du)為10?80μm的(de)單(dan)晶，具有一定的(de)纖(xian)維結(jie)構，抗拉強度(du)為7 GPa，抗拉彈性(xing)模量(liang)超過700 GPa）而(er)成的(de)Al2O3 / SiCw晶須增韌(ren)陶(tao)瓷，可有效地(di)用(yong)于(yu)(yu)斷續切削(xue)及粗車、銑(xian)削(xue)和(he)擴孔等(deng)工(gong)序，適于(yu)(yu)加工(gong)鎳基合(he)金、高硬(ying)度(du)鑄鐵和(he)淬硬(ying)鋼等(deng)材料(liao)。SiCw晶須作用(yong)類似鋼筋混凝土中的(de)鋼筋，能成為阻擋或(huo)改變裂紋發展的(de)障礙，使其韌(ren)性(xing)大幅度(du)提(ti)高。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它是(shi)通過控制(zhi)陶瓷材(cai)料的組成分布(bu)以形成合(he)理的梯度，從而使刀具(ju)(ju)(ju)內部產生(sheng)有(you)(you)利(li)的殘余應力分布(bu)來(lai)抵消切削(xue)中的外(wai)載(zai)應力。具(ju)(ju)(ju)有(you)(you)表(biao)層熱導率高、有(you)(you)利(li)于切削(xue)熱的傳出(chu)、熱膨脹系數小、結構完整性好、不(bu)易破損等特點。用(yong)其加(jia)工鋼鐵材(cai)料時的刀具(ju)(ju)(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)(ju)(ju)有(you)(you)很好的自(zi)礪性，崩刃后仍(reng)能進行正常切削(xue)。

（6）Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復合陶瓷

在Al2O3中添加(jia)TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的(de)陶瓷(ci)可(ke)(ke)(ke)進一(yi)步提高(gao)材(cai)料的(de)物理機械性能(neng)和(he)(he)切削(xue)加(jia)工(gong)性能(neng)，其中以Al2O3 / TiB2和(he)(he)Al2O3 / ZrO2使用(yong)較(jiao)多(duo)。如用(yong)Al2O3/ TiB2陶瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)加(jia)工(gong)40CrNiMoA鋼時，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)壽命(ming)為(wei)Al2O3/ TiC刀(dao)(dao)具(ju)(ju)的(de)3倍(bei)，加(jia)工(gong)4Cr5MoVSi鋼時，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)抗邊界磨(mo)損能(neng)力為(wei)Al2O3 / TiC刀(dao)(dao)具(ju)(ju)的(de)2倍(bei)。而Al2O3 / ZrO2陶瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)材(cai)料的(de)斷裂(lie)韌度(du)(du)、強度(du)(du)和(he)(he)耐磨(mo)性高(gao)，抗崩刃性能(neng)好(hao)。如用(yong)CC620刀(dao)(dao)片粗(cu)車和(he)(he)半(ban)精(jing)車鑄(zhu)鐵和(he)(he)球墨鑄(zhu)鐵等材(cai)料，切削(xue)速度(du)(du)可(ke)(ke)(ke)達(da)900 m/min；用(yong)于(yu)加(jia)工(gong)合金鋼時，粗(cu)車切削(xue)速度(du)(du)可(ke)(ke)(ke)達(da)200 m/min，精(jing)車切削(xue)速度(du)(du)可(ke)(ke)(ke)達(da)800 m/min。

2、氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)是(shi)一(yi)種非氧化(hua)物工(gong)程陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)，其硬(ying)(ying)度(du)可(ke)達1800-2000 HV，熱硬(ying)(ying)性(xing)好，能承(cheng)受1300-1400℃的高(gao)溫(wen)，與碳和金(jin)(jin)屬(shu)元素化(hua)學反應(ying)較小，摩(mo)擦系數(shu)也(ye)較低。這類(lei)刀(dao)具(ju)適于切(qie)削(xue)鑄鐵(tie)、高(gao)溫(wen)合金(jin)(jin)和鎳基(ji)合金(jin)(jin)等材料，尤其適用于大(da)進給量(liang)或斷(duan)續切(qie)削(xue)。由于純Si3N4 陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)具(ju)在切(qie)削(xue)長切(qie)屑（如(ru)軟(ruan)鋼）時(shi)極易產生月(yue)牙(ya)洼磨損(sun)，所以新一(yi)代Si3N4 陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)均為(wei)Si3N4 復(fu)合陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)具(ju)。最新的Si3N4 復(fu)合陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)不僅可(ke)用于粗加工(gong)，而且可(ke)用于斷(duan)續切(qie)削(xue)和有冷卻(que)液的切(qie)削(xue)。目前Si3N4基(ji)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)具(ju)的崩刃率為(wei)2%-3%，與硬(ying)(ying)質合金(jin)(jin)相當，可(ke)以大(da)量(liang)應(ying)用于生產線。該類(lei)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)具(ju)的缺點是(shi)加工(gong)性(xing)比普通(tong)Al2O3陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其(qi)韌性和抗彎強度高于(yu)Al2O3基(ji)陶瓷(ci)，而硬度卻不降低(di)；熱(re)導率亦高于(yu)Al2O3基(ji)陶瓷(ci)，故在生(sheng)產中應用比(bi)較廣泛。

（2）Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

它是在Si3N4基體中(zhong)加入一定量的(de)(de)(de)碳化物晶(jing)須而成，從(cong)而可(ke)提高(gao)陶瓷(ci)刀(dao)具的(de)(de)(de)斷裂(lie)韌度。中(zhong)國(guo)生產的(de)(de)(de)牌號有(you)SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等(deng)。一些國(guo)外切(qie)削(xue)專家認為，用(yong)(yong)Si3N4基陶瓷(ci)切(qie)削(xue)鋼(gang)材(cai)的(de)(de)(de)效果不如Al2O3 基復(fu)合陶瓷(ci)，故不推薦用(yong)(yong)其加工鋼(gang)材(cai)。但(dan)用(yong)(yong)FD03刀(dao)片切(qie)削(xue)淬硬鋼(gang)（60-68HRC）、高(gao)錳鋼(gang)、高(gao)鉻鋼(gang)和軸承鋼(gang)時也有(you)較好的(de)(de)(de)效果。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是以(yi)Si3N4為硬質相，Al2O3 為耐磨相，并(bing)(bing)添加(jia)少量助(zhu)燒結劑Y2O3，經熱(re)(re)壓燒結而成，常稱賽(sai)阿龍（Sialon）。Sialon實際上是Si3N4中Si、N原子(zi)被Al和(he)O原子(zi)置換所形(xing)成的(de)一大類固溶體的(de)總(zong)稱，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種，尤以(yi)前兩(liang)種最為常見。這種陶瓷的(de)抗彎強度(du)(du)和(he)斷裂韌度(du)(du)較(jiao)高(gao)(gao)，抗氧化能(neng)力和(he)高(gao)(gao)溫(wen)抗蠕變能(neng)力好，熱(re)(re)導率(lv)高(gao)(gao)，熱(re)(re)膨脹系數小(xiao)，抗熱(re)(re)振性好，適于粗車及(ji)銑(xian)削(xue)鑄(zhu)鐵和(he)鎳(nie)基高(gao)(gao)溫(wen)合金等難加(jia)工材料。除能(neng)采用較(jiao)大的(de)進給量及(ji)切削(xue)速度(du)(du)高(gao)(gao)速加(jia)工鑄(zhu)鐵和(he)高(gao)(gao)溫(wen)合金外，并(bing)(bing)可在面銑(xian)刀上采用雙正(zheng)前角（側前角和(he)背前角均為正(zheng)值）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基陶(tao)(tao)瓷(ci)的(de)(de)韌(ren)性優于Al2O3基陶(tao)(tao)瓷(ci)，但其耐磨(mo)性稍差。切(qie)(qie)削(xue)(xue)鑄(zhu)鐵(tie)時(shi)，Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具的(de)(de)后(hou)刀(dao)(dao)面磨(mo)損大(da)(da)于Al2O3陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具；切(qie)(qie)削(xue)(xue)鋼(gang)料(liao)時(shi)，Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具的(de)(de)月牙(ya)洼(wa)磨(mo)損較大(da)(da)。為此，國外(wai)在Si3N4基陶(tao)(tao)瓷(ci)表(biao)面上施(shi)以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等(deng)涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，可單涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，也可用多涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)。經涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)后(hou)的(de)(de)Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具磨(mo)損量為未涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)1/3，使加工普通鑄(zhu)鐵(tie)的(de)(de)切(qie)(qie)削(xue)(xue)速(su)(su)度(du)更快，并且刀(dao)(dao)具壽命(ming)更長。比如(ru)Sandvik公(gong)司的(de)(de)GC1690涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)氮化(hua)硅陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具，在加工高(gao)強(qiang)度(du)灰鑄(zhu)鐵(tie)時(shi)的(de)(de)進(jin)(jin)給量達(da)0.4 mm/r，切(qie)(qie)削(xue)(xue)速(su)(su)度(du)為500 m/min。涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)氮化(hua)硅陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具，切(qie)(qie)鋼(gang)時(shi)抗月牙(ya)洼(wa)磨(mo)損的(de)(de)能(neng)力強(qiang)，其切(qie)(qie)削(xue)(xue)速(su)(su)度(du)可達(da)Al2O3基陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具的(de)(de)切(qie)(qie)削(xue)(xue)速(su)(su)度(du)，但進(jin)(jin)給量卻(que)大(da)(da)于后(hou)者而接近涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)硬質合金刀(dao)(dao)具，使材料(liao)切(qie)(qie)除率大(da)(da)大(da)(da)提(ti)高(gao)。

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)(qie)削(xue)(xue)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)與(yu)加(jia)工(gong)對(dui)象的力學性能(neng)匹配(pei)問題主(zhu)要是(shi)指刀(dao)(dao)具(ju)(ju)與(yu)工(gong)件(jian)材料的強度(du)、韌性和硬(ying)度(du)等力學性能(neng)參數要相匹配(pei)。具(ju)(ju)有不(bu)同(tong)力學性能(neng)的刀(dao)(dao)具(ju)(ju)材料所(suo)適合加(jia)工(gong)的工(gong)件(jian)材料有所(suo)不(bu)同(tong)。高硬(ying)度(du)的工(gong)件(jian)材料，必須用更高硬(ying)度(du)的刀(dao)(dao)具(ju)(ju)來加(jia)工(gong)，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)材料的硬(ying)度(du)必須高于工(gong)件(jian)材料的硬(ying)度(du)，一般要求在60HRC以上。刀(dao)(dao)具(ju)(ju)材料的硬(ying)度(du)越(yue)(yue)高，其(qi)耐磨(mo)性就越(yue)(yue)好。陶瓷刀(dao)(dao)具(ju)(ju)優良的高溫性能(neng)使其(qi)能(neng)夠以高的速(su)度(du)進行切(qie)(qie)削(xue)(xue)，允許的切(qie)(qie)削(xue)(xue)速(su)度(du)可比硬(ying)質合金提高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(gong)(gong)導(dao)(dao)熱(re)性差的工(gong)(gong)件時，應采用(yong)導(dao)(dao)熱(re)較好的刀具(ju)材(cai)料(liao)，以使切削熱(re)得以迅速傳出而降低(di)切削溫度(du)。

3、切削刀具材料與加工對象的化學性能匹配

切削刀(dao)具材料與(yu)加工對象的化學(xue)性能匹配問(wen)題(ti)主(zhu)要(yao)是指刀(dao)具材料與(yu)工件材料化學(xue)親和(he)性、化學(xue)反應(ying)、擴散和(he)溶解等化學(xue)性能參數要(yao)相匹配。材料不(bu)同的刀(dao)具所(suo)適(shi)合加工的工件材料有所(suo)不(bu)同。