陶瓷刀具材料有哪些

現(xian)代陶(tao)(tao)瓷刀具材(cai)料大(da)多數為復合陶(tao)(tao)瓷。目前國(guo)內外(wai)廣泛使(shi)用的(de)陶(tao)(tao)瓷刀具材(cai)料以及正在開發的(de)陶(tao)(tao)瓷刀具材(cai)料，基(ji)本(ben)上都是組(zu)合，采(cai)取不同的(de)增韌補(bu)強機制來進行(xing)顯微結構設計的(de)，其中以氧化鋁（Al2O3）基(ji)和氮化硅（Si3N4 ）基(ji)陶(tao)(tao)瓷刀具材(cai)料的(de)應用最(zui)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)(ci)中(zhong)的Al2O3成份占99.9%以(yi)上，多呈白(bai)色，俗稱(cheng)白(bai)陶瓷(ci)(ci)。這是早期(qi)使用(yong)的陶瓷(ci)(ci)，由于其(qi)強度低，抗熱振性(xing)及斷裂韌性(xing)較差，切削(xue)時(shi)易崩(beng)刃，只適(shi)用(yong)于300HBW以(yi)下的鑄鐵和鋼的連續表面粗加(jia)工和半(ban)精加(jia)工，使用(yong)范(fan)圍非常有限，故目前已(yi)被其(qi)它(ta)各種Al2O3基復合陶瓷(ci)(ci)所取代。

（2）氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

它(ta)是在(zai)Al2O3基(ji)體中加入TiC或(huo)SiC等(deng)成份經熱壓燒(shao)結(jie)(jie)而成的陶瓷(ci)，是目前國(guo)內外使用(yong)最多的陶瓷(ci)刀具材(cai)料之一。氧化(hua)鋁-碳化(hua)物系復(fu)合(he)(he)(he)陶瓷(ci)適于加工(gong)(gong)各(ge)種(zhong)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材(cai)（碳素結(jie)(jie)構(gou)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)結(jie)(jie)構(gou)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、高強度鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、高錳鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、軸承鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、不銹鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、淬(cui)硬鋼(gang)(gang)(gang)(gang)等(deng)）和各(ge)種(zhong)鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)（包括冷硬鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)、高鉻鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)等(deng)），也可(ke)加工(gong)(gong)銅合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)、石墨、工(gong)(gong)程塑料和復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料；加工(gong)(gong)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)優于Si3N4 基(ji)陶瓷(ci)刀具；但它(ta)不宜(yi)用(yong)來加工(gong)(gong)鋁合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)、鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)和鉭(tan)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)，否(fou)則容(rong)易產生化(hua)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

它是在傳統的(de)(de)Al2O3 / TiC金屬陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)中通過加(jia)入納(na)(na)米(mi)材(cai)料TiN（氮化(hua)鈦）和AlN（氮化(hua)鋁），經改性(xing)而成的(de)(de)一種新型Al2O3基陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)，可細化(hua)晶(jing)粒和優化(hua)材(cai)料力學(xue)性(xing)能。使用表明，這是高(gao)技術含量及高(gao)附(fu)加(jia)值的(de)(de)新型刀(dao)(dao)具(ju)(ju)，可部分取代K20（YG8）、P10（YT15）等面(mian)廣量大的(de)(de)硬質合金刀(dao)(dao)具(ju)(ju)，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)壽命可提(ti)高(gao)2倍以上(shang)，生(sheng)產成本則與K20（YG8）刀(dao)(dao)具(ju)(ju)相(xiang)當或稍低。目(mu)前(qian)，納(na)(na)米(mi)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)及納(na)(na)米(mi)復合陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)已成為(wei)高(gao)技術陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)料研究開發的(de)(de)一個前(qian)沿領(ling)域。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶瓷(ci)基體中添加(jia)20%-30% SiCw晶(jing)須（是直徑小(xiao)于0.6μm，長度(du)(du)為(wei)10?80μm的單晶(jing)，具(ju)有(you)一定的纖維結構，抗拉強度(du)(du)為(wei)7 GPa，抗拉彈性模量超過(guo)700 GPa）而成的Al2O3 / SiCw晶(jing)須增韌陶瓷(ci)，可(ke)有(you)效地(di)用于斷續切削及粗車、銑削和(he)擴孔等工(gong)序，適于加(jia)工(gong)鎳基合(he)金、高(gao)硬(ying)度(du)(du)鑄鐵和(he)淬硬(ying)鋼(gang)(gang)等材料。SiCw晶(jing)須作用類似(si)鋼(gang)(gang)筋混凝土(tu)中的鋼(gang)(gang)筋，能(neng)成為(wei)阻擋或改(gai)變裂(lie)紋發展的障礙(ai)，使其韌性大幅度(du)(du)提高(gao)。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它是通過控制陶瓷材料(liao)的(de)(de)(de)組成分(fen)布(bu)以形成合理的(de)(de)(de)梯(ti)度(du)，從而(er)使刀(dao)具內部產(chan)生(sheng)有(you)利的(de)(de)(de)殘余應力分(fen)布(bu)來抵消切(qie)削(xue)中的(de)(de)(de)外載(zai)應力。具有(you)表(biao)層熱導率高、有(you)利于切(qie)削(xue)熱的(de)(de)(de)傳出(chu)、熱膨脹系(xi)數小、結構完(wan)整性(xing)好(hao)、不易破損等特點(dian)。用其加工鋼鐵材料(liao)時的(de)(de)(de)刀(dao)具壽命可(ke)比(bi)同類Al2O3/（W, Ti）C復(fu)合陶瓷SG-4高1-1.5倍(bei)，并且刀(dao)具有(you)很(hen)好(hao)的(de)(de)(de)自(zi)礪性(xing)，崩刃后(hou)仍能進(jin)行正常切(qie)削(xue)。

（6）Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復合陶瓷

在Al2O3中添加(jia)(jia)TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的陶瓷可(ke)進一步提高材料(liao)的物理(li)機械(xie)性(xing)能和切削加(jia)(jia)工性(xing)能，其中以(yi)Al2O3 / TiB2和Al2O3 / ZrO2使用較多。如用Al2O3/ TiB2陶瓷刀(dao)(dao)具加(jia)(jia)工40CrNiMoA鋼時，刀(dao)(dao)具壽命為(wei)Al2O3/ TiC刀(dao)(dao)具的3倍(bei)，加(jia)(jia)工4Cr5MoVSi鋼時，刀(dao)(dao)具抗(kang)邊界磨損能力為(wei)Al2O3 / TiC刀(dao)(dao)具的2倍(bei)。而Al2O3 / ZrO2陶瓷刀(dao)(dao)具材料(liao)的斷(duan)裂(lie)韌度(du)、強(qiang)度(du)和耐磨性(xing)高，抗(kang)崩(beng)刃性(xing)能好。如用CC620刀(dao)(dao)片(pian)粗車和半精車鑄鐵和球墨鑄鐵等材料(liao)，切削速(su)度(du)可(ke)達(da)900 m/min；用于加(jia)(jia)工合(he)金鋼時，粗車切削速(su)度(du)可(ke)達(da)200 m/min，精車切削速(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(tao)(tao)瓷(ci)(ci)是(shi)一(yi)種非(fei)氧化(hua)物工(gong)程陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)，其硬(ying)度可達1800-2000 HV，熱硬(ying)性(xing)好，能承受(shou)1300-1400℃的(de)高溫(wen)，與碳和金(jin)屬元素化(hua)學(xue)反應(ying)較(jiao)小(xiao)，摩擦系數也較(jiao)低。這類(lei)刀具適于(yu)切(qie)削鑄鐵、高溫(wen)合金(jin)和鎳基合金(jin)等材料，尤其適用(yong)于(yu)大進給量或斷(duan)續(xu)(xu)切(qie)削。由于(yu)純Si3N4 陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具在切(qie)削長切(qie)屑(xie)（如(ru)軟(ruan)鋼）時極易產生(sheng)月牙(ya)洼磨(mo)損(sun)，所以新(xin)一(yi)代Si3N4 陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)均為Si3N4 復(fu)合陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具。最(zui)新(xin)的(de)Si3N4 復(fu)合陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)不僅可用(yong)于(yu)粗加工(gong)，而(er)且(qie)可用(yong)于(yu)斷(duan)續(xu)(xu)切(qie)削和有冷卻液(ye)的(de)切(qie)削。目前(qian)Si3N4基陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具的(de)崩刃(ren)率為2%-3%，與硬(ying)質合金(jin)相當，可以大量應(ying)用(yong)于(yu)生(sheng)產線。該類(lei)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具的(de)缺點是(shi)加工(gong)性(xing)比普通Al2O3陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其韌(ren)性和抗彎強度高(gao)于Al2O3基陶(tao)瓷(ci)，而硬度卻不降低；熱導(dao)率亦高(gao)于Al2O3基陶(tao)瓷(ci)，故在生(sheng)產(chan)中(zhong)應用比(bi)較(jiao)廣泛(fan)。

（2）Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

它是在Si3N4基體(ti)中加(jia)入一(yi)定量(liang)的碳化物(wu)晶須而成，從而可提高(gao)陶(tao)瓷刀具的斷裂韌度。中國生(sheng)產的牌號(hao)有SW21（Si3N4/ SiCw）與(yu)FD03（Si3N4/TiCw）等。一(yi)些國外切削(xue)專(zhuan)家認(ren)為，用Si3N4基陶(tao)瓷切削(xue)鋼材(cai)的效(xiao)果不(bu)如Al2O3 基復合陶(tao)瓷，故(gu)不(bu)推薦用其加(jia)工鋼材(cai)。但(dan)用FD03刀片切削(xue)淬硬(ying)鋼（60-68HRC）、高(gao)錳鋼、高(gao)鉻鋼和軸(zhou)承鋼時也(ye)有較好的效(xiao)果。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是以Si3N4為(wei)(wei)硬(ying)質相(xiang)，Al2O3 為(wei)(wei)耐磨相(xiang)，并(bing)添加(jia)少量(liang)助燒結(jie)劑Y2O3，經熱(re)(re)壓燒結(jie)而成，常稱賽阿龍(long)（Sialon）。Sialon實際上是Si3N4中(zhong)Si、N原(yuan)子被(bei)Al和(he)O原(yuan)子置換(huan)所形成的一大類固(gu)溶(rong)體(ti)的總稱，主要(yao)有(you)β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種，尤以前(qian)兩種最為(wei)(wei)常見。這種陶(tao)瓷(ci)的抗(kang)彎強度(du)和(he)斷裂韌度(du)較高(gao)(gao)(gao)(gao)，抗(kang)氧化能(neng)力(li)和(he)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)抗(kang)蠕(ru)變能(neng)力(li)好，熱(re)(re)導率高(gao)(gao)(gao)(gao)，熱(re)(re)膨脹(zhang)系(xi)數(shu)小，抗(kang)熱(re)(re)振性(xing)好，適(shi)于(yu)粗(cu)車(che)及(ji)銑(xian)削(xue)鑄(zhu)鐵和(he)鎳(nie)基高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)合金(jin)等難加(jia)工材料。除能(neng)采(cai)用較大的進給量(liang)及(ji)切削(xue)速(su)度(du)高(gao)(gao)(gao)(gao)速(su)加(jia)工鑄(zhu)鐵和(he)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)合金(jin)外，并(bing)可在面(mian)銑(xian)刀上采(cai)用雙正前(qian)角(jiao)（側前(qian)角(jiao)和(he)背前(qian)角(jiao)均為(wei)(wei)正值(zhi)）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基(ji)陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)的(de)(de)(de)韌性(xing)優于(yu)Al2O3基(ji)陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)，但(dan)其耐磨(mo)性(xing)稍差。切(qie)(qie)削(xue)鑄(zhu)鐵(tie)時(shi)，Si3N4陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)(ju)的(de)(de)(de)后刀面磨(mo)損(sun)(sun)大(da)(da)(da)(da)于(yu)Al2O3陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)(ju)；切(qie)(qie)削(xue)鋼料時(shi)，Si3N4陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)(ju)的(de)(de)(de)月牙洼磨(mo)損(sun)(sun)較(jiao)大(da)(da)(da)(da)。為(wei)此，國外(wai)在Si3N4基(ji)陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)表面上(shang)施以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等(deng)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)，可(ke)單涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)，也可(ke)用多涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)。經涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)后的(de)(de)(de)Si3N4陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)(ju)磨(mo)損(sun)(sun)量為(wei)未涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)1/3，使加(jia)工(gong)(gong)普通鑄(zhu)鐵(tie)的(de)(de)(de)切(qie)(qie)削(xue)速(su)(su)度更(geng)快，并(bing)且刀具(ju)(ju)壽命更(geng)長。比如Sandvik公(gong)司的(de)(de)(de)GC1690涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)氮化硅陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)(ju)，在加(jia)工(gong)(gong)高(gao)(gao)強(qiang)度灰鑄(zhu)鐵(tie)時(shi)的(de)(de)(de)進給量達0.4 mm/r，切(qie)(qie)削(xue)速(su)(su)度為(wei)500 m/min。涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)氮化硅陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)(ju)，切(qie)(qie)鋼時(shi)抗月牙洼磨(mo)損(sun)(sun)的(de)(de)(de)能力強(qiang)，其切(qie)(qie)削(xue)速(su)(su)度可(ke)達Al2O3基(ji)陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)刀具(ju)(ju)的(de)(de)(de)切(qie)(qie)削(xue)速(su)(su)度，但(dan)進給量卻(que)大(da)(da)(da)(da)于(yu)后者而接近涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)硬質合金刀具(ju)(ju)，使材料切(qie)(qie)除率大(da)(da)(da)(da)大(da)(da)(da)(da)提(ti)高(gao)(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(dao)(dao)具(ju)與加(jia)工對象的(de)(de)力(li)學性能匹(pi)配問題(ti)主要是指刀(dao)(dao)具(ju)與工件材料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)強度、韌性和硬(ying)(ying)度等力(li)學性能參數要相匹(pi)配。具(ju)有不同(tong)(tong)力(li)學性能的(de)(de)刀(dao)(dao)具(ju)材料(liao)(liao)(liao)所適合加(jia)工的(de)(de)工件材料(liao)(liao)(liao)有所不同(tong)(tong)。高硬(ying)(ying)度的(de)(de)工件材料(liao)(liao)(liao)，必須用更(geng)高硬(ying)(ying)度的(de)(de)刀(dao)(dao)具(ju)來加(jia)工，刀(dao)(dao)具(ju)材料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)硬(ying)(ying)度必須高于工件材料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)硬(ying)(ying)度，一(yi)般要求在(zai)60HRC以(yi)上。刀(dao)(dao)具(ju)材料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)硬(ying)(ying)度越高，其(qi)耐磨性就越好。陶瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)優良(liang)的(de)(de)高溫性能使其(qi)能夠以(yi)高的(de)(de)速度進行切(qie)削，允許的(de)(de)切(qie)削速度可(ke)比硬(ying)(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(ru)加工導熱性差的(de)工件時，應采用導熱較好(hao)的(de)刀(dao)具材(cai)料，以使切(qie)削熱得以迅速傳出而降低切(qie)削溫(wen)度(du)。

3、切削刀具材料與加工對象的化學性能匹配

切削(xue)刀具材(cai)料(liao)與(yu)加工(gong)對象的化(hua)(hua)(hua)學性(xing)能(neng)匹(pi)(pi)配(pei)問題主要是(shi)指刀具材(cai)料(liao)與(yu)工(gong)件(jian)材(cai)料(liao)化(hua)(hua)(hua)學親和性(xing)、化(hua)(hua)(hua)學反應(ying)、擴散和溶解(jie)等化(hua)(hua)(hua)學性(xing)能(neng)參數要相匹(pi)(pi)配(pei)。材(cai)料(liao)不同(tong)的刀具所適合(he)加工(gong)的工(gong)件(jian)材(cai)料(liao)有所不同(tong)。