陶瓷刀具材料有哪些

現代陶(tao)(tao)瓷(ci)刀具材(cai)料(liao)大多(duo)數為復合(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)。目前國(guo)內外(wai)廣(guang)泛使(shi)用(yong)的(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀具材(cai)料(liao)以(yi)及正在開發的(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀具材(cai)料(liao)，基(ji)本上都是(shi)組合(he)，采取不同的(de)增韌補強機制來進(jin)行顯微結(jie)構設計(ji)的(de)，其中以(yi)氧化鋁(lv)（Al2O3）基(ji)和(he)氮(dan)化硅（Si3N4 ）基(ji)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀具材(cai)料(liao)的(de)應用(yong)最廣(guang)泛。

1、氧化鋁（Al2O3）基陶瓷刀具材料

（1）純氧化鋁陶瓷

純氧(yang)化鋁(lv)陶(tao)瓷(ci)中的Al2O3成份占99.9%以上，多呈白(bai)色，俗稱白(bai)陶(tao)瓷(ci)。這(zhe)是早期使(shi)用的陶(tao)瓷(ci)，由于其強度低，抗熱振性及斷裂韌性較差，切削時(shi)易崩刃，只(zhi)適(shi)用于300HBW以下的鑄鐵(tie)和鋼的連(lian)續表面粗加(jia)(jia)工和半精加(jia)(jia)工，使(shi)用范圍(wei)非(fei)常有(you)限，故目前已被其它各種Al2O3基復合陶(tao)瓷(ci)所取代(dai)。

（2）氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

它是在(zai)Al2O3基(ji)體中加(jia)(jia)(jia)入TiC或SiC等成份(fen)經熱壓燒結而(er)成的陶(tao)瓷，是目前國內外使用(yong)最多的陶(tao)瓷刀(dao)具材料之(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(gong)各(ge)種(zhong)鋼(gang)材（碳素結構鋼(gang)、合(he)金結構鋼(gang)、高(gao)強度(du)鋼(gang)、高(gao)錳鋼(gang)、軸承鋼(gang)、不銹鋼(gang)、淬(cui)硬鋼(gang)等）和(he)各(ge)種(zhong)鑄鐵（包括(kuo)冷硬鑄鐵、高(gao)鉻(ge)鑄鐵等），也可(ke)加(jia)(jia)(jia)工(gong)銅(tong)合(he)金、石墨(mo)、工(gong)程塑料和(he)復合(he)材料；加(jia)(jia)(jia)工(gong)鋼(gang)優于(yu)Si3N4 基(ji)陶(tao)瓷刀(dao)具；但(dan)它不宜用(yong)來加(jia)(jia)(jia)工(gong)鋁合(he)金、鈦(tai)合(he)金和(he)鉭(tan)合(he)金，否則容易產生化(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(chuan)統(tong)的(de)Al2O3 / TiC金屬(shu)陶(tao)瓷(ci)(ci)中(zhong)通過加(jia)(jia)入納米材(cai)(cai)料(liao)(liao)TiN（氮(dan)化鈦(tai)）和AlN（氮(dan)化鋁(lv)），經改性而成的(de)一種新型Al2O3基陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)，可(ke)細(xi)化晶(jing)粒(li)和優化材(cai)(cai)料(liao)(liao)力學性能。使用表明，這是高技術含(han)量及(ji)高附(fu)加(jia)(jia)值的(de)新型刀(dao)(dao)具(ju)，可(ke)部(bu)分取代K20（YG8）、P10（YT15）等面廣量大(da)的(de)硬質合金刀(dao)(dao)具(ju)，刀(dao)(dao)具(ju)壽命(ming)可(ke)提(ti)高2倍(bei)以上，生產成本則與K20（YG8）刀(dao)(dao)具(ju)相(xiang)當或稍低(di)。目前，納米陶(tao)瓷(ci)(ci)及(ji)納米復(fu)合陶(tao)瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)已成為高技術陶(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)(cai)料(liao)(liao)研(yan)究開(kai)發的(de)一個前沿領(ling)域。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶瓷基(ji)體中添加(jia)20%-30% SiCw晶須(xu)（是(shi)直徑小于(yu)0.6μm，長度(du)為10?80μm的(de)(de)單晶，具有(you)一(yi)定的(de)(de)纖維(wei)結構，抗(kang)拉強度(du)為7 GPa，抗(kang)拉彈性模(mo)量超過700 GPa）而(er)成(cheng)的(de)(de)Al2O3 / SiCw晶須(xu)增韌陶瓷，可有(you)效地用于(yu)斷續切削及粗車、銑(xian)削和(he)擴孔等(deng)工序，適(shi)于(yu)加(jia)工鎳基(ji)合金、高(gao)硬度(du)鑄鐵和(he)淬硬鋼(gang)等(deng)材料。SiCw晶須(xu)作用類(lei)似鋼(gang)筋(jin)(jin)混凝土(tu)中的(de)(de)鋼(gang)筋(jin)(jin)，能成(cheng)為阻擋或改(gai)變(bian)裂(lie)紋發(fa)展的(de)(de)障礙，使其(qi)韌性大(da)幅度(du)提(ti)高(gao)。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它是(shi)通過控(kong)制(zhi)陶瓷(ci)材(cai)料的(de)組成(cheng)分(fen)布以(yi)形成(cheng)合理的(de)梯度，從而使刀具(ju)內部產生有利(li)(li)的(de)殘余應力(li)(li)分(fen)布來(lai)抵(di)消(xiao)切(qie)(qie)削中(zhong)的(de)外載應力(li)(li)。具(ju)有表層熱導率高、有利(li)(li)于切(qie)(qie)削熱的(de)傳出、熱膨脹系數小(xiao)、結(jie)構完整性好、不易破損(sun)等(deng)特點。用其加(jia)工鋼鐵材(cai)料時的(de)刀具(ju)壽命可比(bi)同類Al2O3/（W, Ti）C復合陶瓷(ci)SG-4高1-1.5倍，并且(qie)刀具(ju)有很好的(de)自礪性，崩刃后仍(reng)能進行正常切(qie)(qie)削。

（6）Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復合陶瓷

在Al2O3中(zhong)(zhong)添加(jia)TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成(cheng)份的陶瓷(ci)(ci)可進一步提高(gao)材(cai)料的物理機(ji)械性能和(he)切(qie)削加(jia)工(gong)性能，其中(zhong)(zhong)以Al2O3 / TiB2和(he)Al2O3 / ZrO2使用較多(duo)。如用Al2O3/ TiB2陶瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)加(jia)工(gong)40CrNiMoA鋼(gang)時，刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)壽命為Al2O3/ TiC刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)的3倍(bei)，加(jia)工(gong)4Cr5MoVSi鋼(gang)時，刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)抗邊界磨(mo)損能力為Al2O3 / TiC刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)的2倍(bei)。而Al2O3 / ZrO2陶瓷(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)材(cai)料的斷裂韌度(du)、強度(du)和(he)耐磨(mo)性高(gao)，抗崩刃性能好。如用CC620刀(dao)(dao)(dao)(dao)片粗車(che)和(he)半精(jing)車(che)鑄(zhu)鐵和(he)球墨鑄(zhu)鐵等材(cai)料，切(qie)削速(su)度(du)可達900 m/min；用于加(jia)工(gong)合金鋼(gang)時，粗車(che)切(qie)削速(su)度(du)可達200 m/min，精(jing)車(che)切(qie)削速(su)度(du)可達800 m/min。

2、氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)是一種非氧化(hua)物工程(cheng)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)，其(qi)硬(ying)度可達1800-2000 HV，熱硬(ying)性(xing)好(hao)，能承受1300-1400℃的(de)高溫，與碳(tan)和金(jin)屬(shu)元素化(hua)學反應較(jiao)小，摩擦系(xi)數也較(jiao)低。這類(lei)刀(dao)(dao)具(ju)適于(yu)切(qie)削(xue)鑄(zhu)鐵、高溫合(he)金(jin)和鎳基合(he)金(jin)等材料(liao)，尤其(qi)適用于(yu)大進給量(liang)或斷續(xu)(xu)切(qie)削(xue)。由(you)于(yu)純Si3N4 陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)在切(qie)削(xue)長(chang)切(qie)屑（如軟鋼）時極易產生(sheng)月牙洼磨(mo)損，所(suo)以新一代Si3N4 陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)均為Si3N4 復(fu)(fu)合(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)。最新的(de)Si3N4 復(fu)(fu)合(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)不僅可用于(yu)粗加工，而且可用于(yu)斷續(xu)(xu)切(qie)削(xue)和有(you)冷(leng)卻液的(de)切(qie)削(xue)。目前Si3N4基陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)的(de)崩刃率為2%-3%，與硬(ying)質合(he)金(jin)相當，可以大量(liang)應用于(yu)生(sheng)產線。該類(lei)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)的(de)缺點(dian)是加工性(xing)比普通Al2O3陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其韌性和抗彎強度高于Al2O3基陶(tao)(tao)瓷(ci)，而(er)硬度卻不降低；熱導率(lv)亦高于Al2O3基陶(tao)(tao)瓷(ci)，故(gu)在生(sheng)產中應用(yong)比較(jiao)廣泛。

（2）Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

它是在Si3N4基(ji)體中加入(ru)一定量的碳(tan)化物晶(jing)須(xu)而(er)成，從(cong)而(er)可(ke)提高(gao)陶瓷刀(dao)具的斷裂韌度。中國生(sheng)產的牌號(hao)有SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等。一些(xie)國外切(qie)削專家認為，用Si3N4基(ji)陶瓷切(qie)削鋼(gang)材的效果不如(ru)Al2O3 基(ji)復合陶瓷，故不推薦用其加工鋼(gang)材。但用FD03刀(dao)片切(qie)削淬硬(ying)鋼(gang)（60-68HRC）、高(gao)錳(meng)鋼(gang)、高(gao)鉻鋼(gang)和軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)時(shi)也有較好的效果。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是以(yi)Si3N4為硬質相(xiang)，Al2O3 為耐磨(mo)相(xiang)，并添加少量(liang)助燒結劑Y2O3，經熱(re)(re)壓燒結而成，常稱賽阿(a)龍（Sialon）。Sialon實際上(shang)是Si3N4中Si、N原子被Al和(he)(he)O原子置(zhi)換所形成的(de)一大類固溶體的(de)總(zong)稱，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種(zhong)，尤以(yi)前兩種(zhong)最為常見。這種(zhong)陶瓷(ci)的(de)抗(kang)彎強度(du)(du)和(he)(he)斷裂韌度(du)(du)較高(gao)，抗(kang)氧化能(neng)力(li)和(he)(he)高(gao)溫抗(kang)蠕變能(neng)力(li)好，熱(re)(re)導率高(gao)，熱(re)(re)膨(peng)脹系數小(xiao)，抗(kang)熱(re)(re)振性好，適于粗車(che)及銑削鑄鐵(tie)和(he)(he)鎳基高(gao)溫合金(jin)等難加工(gong)材(cai)料。除能(neng)采用較大的(de)進給量(liang)及切削速(su)度(du)(du)高(gao)速(su)加工(gong)鑄鐵(tie)和(he)(he)高(gao)溫合金(jin)外，并可(ke)在面銑刀上(shang)采用雙(shuang)正(zheng)前角（側前角和(he)(he)背前角均為正(zheng)值(zhi)）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基(ji)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)的(de)韌性優于Al2O3基(ji)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)，但其耐磨(mo)(mo)性稍差。切(qie)削(xue)(xue)鑄鐵時(shi)，Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具的(de)后刀(dao)(dao)(dao)(dao)面磨(mo)(mo)損大(da)(da)(da)于Al2O3陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具；切(qie)削(xue)(xue)鋼料(liao)時(shi)，Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具的(de)月(yue)牙洼(wa)磨(mo)(mo)損較大(da)(da)(da)。為此，國(guo)外(wai)在(zai)(zai)Si3N4基(ji)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)表面上施(shi)以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等涂(tu)(tu)(tu)(tu)層(ceng)，可(ke)單涂(tu)(tu)(tu)(tu)層(ceng)，也可(ke)用多涂(tu)(tu)(tu)(tu)層(ceng)。經(jing)涂(tu)(tu)(tu)(tu)層(ceng)后的(de)Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具磨(mo)(mo)損量(liang)為未涂(tu)(tu)(tu)(tu)層(ceng)的(de)1/3，使(shi)加工普通鑄鐵的(de)切(qie)削(xue)(xue)速度更(geng)快，并且刀(dao)(dao)(dao)(dao)具壽命更(geng)長。比如Sandvik公司的(de)GC1690涂(tu)(tu)(tu)(tu)層(ceng)氮化硅陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具，在(zai)(zai)加工高強(qiang)度灰鑄鐵時(shi)的(de)進給(gei)量(liang)達0.4 mm/r，切(qie)削(xue)(xue)速度為500 m/min。涂(tu)(tu)(tu)(tu)層(ceng)氮化硅陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具，切(qie)鋼時(shi)抗(kang)月(yue)牙洼(wa)磨(mo)(mo)損的(de)能力強(qiang)，其切(qie)削(xue)(xue)速度可(ke)達Al2O3基(ji)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具的(de)切(qie)削(xue)(xue)速度，但進給(gei)量(liang)卻大(da)(da)(da)于后者而接近涂(tu)(tu)(tu)(tu)層(ceng)硬質合金刀(dao)(dao)(dao)(dao)具，使(shi)材(cai)料(liao)切(qie)除率大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)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(qie)(qie)削刀(dao)(dao)(dao)(dao)具與加(jia)工(gong)對象的(de)(de)(de)(de)力學性(xing)(xing)能(neng)匹配(pei)問題主要(yao)是指(zhi)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具與工(gong)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)、韌性(xing)(xing)和(he)硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)等力學性(xing)(xing)能(neng)參數要(yao)相匹配(pei)。具有不(bu)同力學性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具材(cai)(cai)(cai)料(liao)所(suo)適合加(jia)工(gong)的(de)(de)(de)(de)工(gong)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)有所(suo)不(bu)同。高(gao)硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)工(gong)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)，必(bi)須用更高(gao)硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具來加(jia)工(gong)，刀(dao)(dao)(dao)(dao)具材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)必(bi)須高(gao)于工(gong)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)，一(yi)般要(yao)求(qiu)在60HRC以上。刀(dao)(dao)(dao)(dao)具材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)越高(gao)，其耐磨性(xing)(xing)就越好。陶瓷刀(dao)(dao)(dao)(dao)具優良的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫性(xing)(xing)能(neng)使其能(neng)夠以高(gao)的(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)(du)(du)(du)進行切(qie)(qie)削，允許(xu)的(de)(de)(de)(de)切(qie)(qie)削速(su)度(du)(du)(du)(du)可(ke)比硬(ying)(ying)(ying)質合金提(ti)高(gao)2～10倍(bei)。

2、切削刀具材料與加工對象的物理性能匹配

比如加工導熱性差的工件時，應采用導熱較好的刀(dao)具材料(liao)，以使切削熱得以迅速傳出而降(jiang)低切削溫(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)(liao)(liao)與加(jia)工(gong)對(dui)象的(de)化(hua)(hua)學(xue)性能(neng)匹配(pei)問題主要是指刀具(ju)材(cai)料(liao)(liao)(liao)與工(gong)件材(cai)料(liao)(liao)(liao)化(hua)(hua)學(xue)親(qin)和性、化(hua)(hua)學(xue)反應、擴散和溶(rong)解等化(hua)(hua)學(xue)性能(neng)參數(shu)要相匹配(pei)。材(cai)料(liao)(liao)(liao)不同(tong)(tong)的(de)刀具(ju)所(suo)適合加(jia)工(gong)的(de)工(gong)件材(cai)料(liao)(liao)(liao)有所(suo)不同(tong)(tong)。