陶瓷刀具材料有哪些

現(xian)代陶瓷(ci)(ci)刀(dao)具材(cai)料大(da)多數為復合陶瓷(ci)(ci)。目前國內(nei)外廣泛使用(yong)的陶瓷(ci)(ci)刀(dao)具材(cai)料以及正(zheng)在開發的陶瓷(ci)(ci)刀(dao)具材(cai)料，基本上都是組合，采取不同的增(zeng)韌補(bu)強機制(zhi)來進行顯微結構設計的，其中以氧(yang)化鋁（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4 ）基陶瓷(ci)(ci)刀(dao)具材(cai)料的應(ying)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)(ci)中(zhong)的Al2O3成份(fen)占99.9%以上，多(duo)呈白色(se)，俗稱白陶瓷(ci)(ci)。這是(shi)早期使用的陶瓷(ci)(ci)，由于(yu)其強度低，抗熱振(zhen)性及斷裂韌性較差，切削時(shi)易崩刃(ren)，只適(shi)用于(yu)300HBW以下的鑄(zhu)鐵和(he)鋼的連續表面粗加工和(he)半精加工，使用范(fan)圍非常有限，故目前已被其它各種Al2O3基(ji)復合陶瓷(ci)(ci)所取代。

（2）氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

它是(shi)在(zai)Al2O3基體中加(jia)(jia)(jia)入TiC或SiC等成(cheng)份經熱壓燒結而成(cheng)的陶(tao)瓷，是(shi)目前國內外(wai)使用(yong)最多(duo)的陶(tao)瓷刀(dao)具材(cai)料之(zhi)一。氧化(hua)鋁-碳化(hua)物(wu)系復合(he)陶(tao)瓷適于(yu)加(jia)(jia)(jia)工各種鋼(gang)(gang)(gang)材(cai)（碳素(su)結構鋼(gang)(gang)(gang)、合(he)金結構鋼(gang)(gang)(gang)、高(gao)強度鋼(gang)(gang)(gang)、高(gao)錳鋼(gang)(gang)(gang)、軸承鋼(gang)(gang)(gang)、不銹鋼(gang)(gang)(gang)、淬硬鋼(gang)(gang)(gang)等）和各種鑄鐵（包括冷硬鑄鐵、高(gao)鉻(ge)鑄鐵等），也可加(jia)(jia)(jia)工銅合(he)金、石墨、工程(cheng)塑料和復合(he)材(cai)料；加(jia)(jia)(jia)工鋼(gang)(gang)(gang)優于(yu)Si3N4 基陶(tao)瓷刀(dao)具；但它不宜用(yong)來加(jia)(jia)(jia)工鋁合(he)金、鈦(tai)合(he)金和鉭(tan)合(he)金，否則容易產生化(hua)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(ta)是在傳(chuan)統的(de)Al2O3 / TiC金屬(shu)陶(tao)瓷(ci)(ci)中通過(guo)加入(ru)納(na)(na)米材(cai)料TiN（氮化(hua)鈦）和AlN（氮化(hua)鋁(lv)），經改(gai)性而成的(de)一(yi)種新(xin)型Al2O3基陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具，可(ke)細(xi)化(hua)晶粒和優化(hua)材(cai)料力學性能。使用表(biao)明，這是高技術(shu)含量(liang)(liang)及(ji)高附加值的(de)新(xin)型刀(dao)具，可(ke)部分(fen)取代K20（YG8）、P10（YT15）等面廣量(liang)(liang)大(da)的(de)硬質合金刀(dao)具，刀(dao)具壽(shou)命可(ke)提高2倍以上，生產(chan)成本(ben)則與K20（YG8）刀(dao)具相當(dang)或稍(shao)低(di)。目前，納(na)(na)米陶(tao)瓷(ci)(ci)及(ji)納(na)(na)米復合陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具已成為高技術(shu)陶(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料研(yan)究開(kai)發的(de)一(yi)個前沿領域(yu)。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶(tao)(tao)瓷基體中(zhong)添加20%-30% SiCw晶(jing)須（是(shi)直徑小(xiao)于(yu)0.6μm，長度為10?80μm的(de)(de)單晶(jing)，具有一定的(de)(de)纖(xian)維結構，抗(kang)拉(la)強度為7 GPa，抗(kang)拉(la)彈性模(mo)量超(chao)過(guo)700 GPa）而成的(de)(de)Al2O3 / SiCw晶(jing)須增韌陶(tao)(tao)瓷，可有效地用于(yu)斷續切削(xue)及(ji)粗車、銑削(xue)和(he)擴(kuo)孔等(deng)工(gong)序，適于(yu)加工(gong)鎳基合金、高硬(ying)度鑄鐵和(he)淬硬(ying)鋼(gang)等(deng)材(cai)料。SiCw晶(jing)須作(zuo)用類似鋼(gang)筋(jin)(jin)混凝土中(zhong)的(de)(de)鋼(gang)筋(jin)(jin)，能成為阻擋或改變裂紋(wen)發展(zhan)的(de)(de)障(zhang)礙，使(shi)其韌性大幅度提高。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它是(shi)通過控制陶(tao)瓷材料的(de)(de)組(zu)成(cheng)分布以形成(cheng)合(he)理的(de)(de)梯度，從而(er)使(shi)刀具(ju)(ju)(ju)內(nei)部(bu)產生有利的(de)(de)殘余應力分布來抵消切削中(zhong)的(de)(de)外(wai)載(zai)應力。具(ju)(ju)(ju)有表(biao)層熱導率(lv)高、有利于切削熱的(de)(de)傳出、熱膨脹(zhang)系數小、結構完(wan)整性好(hao)(hao)、不易破損等(deng)特點。用其加工鋼鐵材料時的(de)(de)刀具(ju)(ju)(ju)壽(shou)命可比同類Al2O3/（W, Ti）C復(fu)合(he)陶(tao)瓷SG-4高1-1.5倍，并且刀具(ju)(ju)(ju)有很好(hao)(hao)的(de)(de)自(zi)礪性，崩刃后仍能進(jin)行正常切削。

（6）Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復合陶瓷

在Al2O3中(zhong)添加(jia)(jia)TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等(deng)成(cheng)份的(de)陶(tao)瓷(ci)可(ke)(ke)進(jin)一步提高(gao)材(cai)料的(de)物理機械性(xing)能和切(qie)削加(jia)(jia)工(gong)性(xing)能，其(qi)中(zhong)以Al2O3 / TiB2和Al2O3 / ZrO2使用(yong)較多。如用(yong)Al2O3/ TiB2陶(tao)瓷(ci)刀具加(jia)(jia)工(gong)40CrNiMoA鋼時(shi)，刀具壽命(ming)為Al2O3/ TiC刀具的(de)3倍，加(jia)(jia)工(gong)4Cr5MoVSi鋼時(shi)，刀具抗邊(bian)界磨損能力為Al2O3 / TiC刀具的(de)2倍。而(er)Al2O3 / ZrO2陶(tao)瓷(ci)刀具材(cai)料的(de)斷裂韌度、強度和耐磨性(xing)高(gao)，抗崩刃性(xing)能好(hao)。如用(yong)CC620刀片粗車(che)和半精車(che)鑄鐵和球墨鑄鐵等(deng)材(cai)料，切(qie)削速(su)(su)度可(ke)(ke)達900 m/min；用(yong)于加(jia)(jia)工(gong)合金(jin)鋼時(shi)，粗車(che)切(qie)削速(su)(su)度可(ke)(ke)達200 m/min，精車(che)切(qie)削速(su)(su)度可(ke)(ke)達800 m/min。

2、氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)是(shi)一種非(fei)氧(yang)化物工程(cheng)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)，其硬(ying)度可(ke)達(da)1800-2000 HV，熱硬(ying)性好(hao)，能(neng)承受1300-1400℃的(de)高溫，與(yu)碳和金屬(shu)元素化學反應較小，摩擦(ca)系數也較低。這類刀(dao)具(ju)適(shi)(shi)于(yu)切(qie)(qie)削(xue)鑄(zhu)鐵、高溫合(he)金和鎳基合(he)金等材料，尤其適(shi)(shi)用(yong)于(yu)大(da)進(jin)給量(liang)或斷(duan)(duan)續切(qie)(qie)削(xue)。由(you)于(yu)純Si3N4 陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)在切(qie)(qie)削(xue)長切(qie)(qie)屑（如軟(ruan)鋼）時極易產生(sheng)月牙洼磨損(sun)，所(suo)以新一代Si3N4 陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)均為(wei)Si3N4 復合(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)。最新的(de)Si3N4 復合(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)不僅可(ke)用(yong)于(yu)粗加工，而且可(ke)用(yong)于(yu)斷(duan)(duan)續切(qie)(qie)削(xue)和有冷卻液的(de)切(qie)(qie)削(xue)。目前Si3N4基陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)的(de)崩刃率(lv)為(wei)2%-3%，與(yu)硬(ying)質(zhi)合(he)金相當，可(ke)以大(da)量(liang)應用(yong)于(yu)生(sheng)產線(xian)。該(gai)類陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)具(ju)的(de)缺點是(shi)加工性比(bi)普通Al2O3陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其韌性和抗(kang)彎強度(du)高于(yu)Al2O3基(ji)陶(tao)瓷，而(er)硬度(du)卻不降(jiang)低；熱導率亦高于(yu)Al2O3基(ji)陶(tao)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(zai)Si3N4基體(ti)中加(jia)入一(yi)定量的(de)碳化物晶須而(er)成，從而(er)可提高(gao)(gao)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)具的(de)斷裂韌(ren)度。中國生產的(de)牌號有SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等。一(yi)些國外切(qie)削(xue)專家認(ren)為，用(yong)(yong)Si3N4基陶(tao)(tao)瓷(ci)切(qie)削(xue)鋼(gang)(gang)(gang)材(cai)(cai)的(de)效果不(bu)如Al2O3 基復合陶(tao)(tao)瓷(ci)，故不(bu)推薦用(yong)(yong)其加(jia)工鋼(gang)(gang)(gang)材(cai)(cai)。但(dan)用(yong)(yong)FD03刀(dao)片切(qie)削(xue)淬硬鋼(gang)(gang)(gang)（60-68HRC）、高(gao)(gao)錳鋼(gang)(gang)(gang)、高(gao)(gao)鉻鋼(gang)(gang)(gang)和(he)軸承(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)時也(ye)有較好的(de)效果。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是以Si3N4為(wei)硬質相，Al2O3 為(wei)耐磨相，并添加少量助燒結劑Y2O3，經熱壓燒結而成，常(chang)稱賽阿龍(long)（Sialon）。Sialon實際上是Si3N4中Si、N原子被Al和(he)O原子置換所形成的一大類(lei)固溶體的總稱，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種，尤以前(qian)(qian)兩種最為(wei)常(chang)見。這種陶瓷的抗(kang)彎強度(du)(du)和(he)斷裂韌度(du)(du)較(jiao)高，抗(kang)氧化能(neng)(neng)(neng)力和(he)高溫抗(kang)蠕(ru)變能(neng)(neng)(neng)力好(hao)，熱導率高，熱膨(peng)脹系(xi)數小，抗(kang)熱振性好(hao)，適于粗車(che)及銑削鑄鐵和(he)鎳基高溫合金等難(nan)加工材料。除(chu)能(neng)(neng)(neng)采用(yong)較(jiao)大的進給量及切削速度(du)(du)高速加工鑄鐵和(he)高溫合金外(wai)，并可在面銑刀(dao)上采用(yong)雙正前(qian)(qian)角（側前(qian)(qian)角和(he)背前(qian)(qian)角均為(wei)正值）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基(ji)陶(tao)瓷(ci)的(de)(de)(de)(de)(de)韌性優于(yu)Al2O3基(ji)陶(tao)瓷(ci)，但其(qi)耐磨(mo)(mo)性稍(shao)差。切(qie)削(xue)鑄(zhu)鐵時(shi)，Si3N4陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)后(hou)刀(dao)面磨(mo)(mo)損(sun)大(da)于(yu)Al2O3陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)(ju)；切(qie)削(xue)鋼料(liao)(liao)時(shi)，Si3N4陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)月牙洼(wa)磨(mo)(mo)損(sun)較大(da)。為(wei)此，國外在Si3N4基(ji)陶(tao)瓷(ci)表面上施以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)，可(ke)單(dan)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)，也可(ke)用多涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)。經涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)Si3N4陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)(ju)磨(mo)(mo)損(sun)量(liang)為(wei)未涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)1/3，使(shi)加工普通鑄(zhu)鐵的(de)(de)(de)(de)(de)切(qie)削(xue)速(su)(su)度(du)更快(kuai)，并(bing)且刀(dao)具(ju)(ju)壽命更長。比(bi)如Sandvik公司的(de)(de)(de)(de)(de)GC1690涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)氮化硅陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)(ju)，在加工高(gao)強度(du)灰鑄(zhu)鐵時(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)進給(gei)(gei)量(liang)達0.4 mm/r，切(qie)削(xue)速(su)(su)度(du)為(wei)500 m/min。涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)氮化硅陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)(ju)，切(qie)鋼時(shi)抗月牙洼(wa)磨(mo)(mo)損(sun)的(de)(de)(de)(de)(de)能力(li)強，其(qi)切(qie)削(xue)速(su)(su)度(du)可(ke)達Al2O3基(ji)陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)切(qie)削(xue)速(su)(su)度(du)，但進給(gei)(gei)量(liang)卻大(da)于(yu)后(hou)者而接近涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)硬質合金(jin)刀(dao)具(ju)(ju)，使(shi)材料(liao)(liao)切(qie)除率大(da)大(da)提高(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)削刀具(ju)與(yu)(yu)加工(gong)對象的(de)力(li)學(xue)性(xing)(xing)(xing)能(neng)匹(pi)配問(wen)題主要是(shi)指刀具(ju)與(yu)(yu)工(gong)件(jian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)強(qiang)度、韌性(xing)(xing)(xing)和硬(ying)度等力(li)學(xue)性(xing)(xing)(xing)能(neng)參數要相匹(pi)配。具(ju)有不同力(li)學(xue)性(xing)(xing)(xing)能(neng)的(de)刀具(ju)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)所(suo)適合(he)加工(gong)的(de)工(gong)件(jian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)有所(suo)不同。高(gao)硬(ying)度的(de)工(gong)件(jian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，必須用更高(gao)硬(ying)度的(de)刀具(ju)來加工(gong)，刀具(ju)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)硬(ying)度必須高(gao)于工(gong)件(jian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)硬(ying)度，一般要求在60HRC以上。刀具(ju)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)硬(ying)度越高(gao)，其耐磨(mo)性(xing)(xing)(xing)就(jiu)越好。陶瓷(ci)刀具(ju)優良的(de)高(gao)溫性(xing)(xing)(xing)能(neng)使其能(neng)夠以高(gao)的(de)速度進行切(qie)削，允許的(de)切(qie)削速度可比(bi)硬(ying)質合(he)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(dao)熱(re)性(xing)差的工件時，應采(cai)用導(dao)熱(re)較(jiao)好的刀具材(cai)料，以使切削熱(re)得以迅速傳出(chu)而降低切削溫度(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(ju)(ju)材(cai)料(liao)(liao)與加(jia)工(gong)對象的(de)化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)性能(neng)匹配問(wen)題主要(yao)是指刀(dao)具(ju)(ju)材(cai)料(liao)(liao)與工(gong)件材(cai)料(liao)(liao)化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)親和(he)(he)性、化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)反應、擴散和(he)(he)溶解等化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)性能(neng)參數要(yao)相(xiang)匹配。材(cai)料(liao)(liao)不同的(de)刀(dao)具(ju)(ju)所(suo)適合加(jia)工(gong)的(de)工(gong)件材(cai)料(liao)(liao)有所(suo)不同。