陶瓷刀具材料有哪些

現(xian)代陶瓷(ci)刀具(ju)材(cai)料大多數為復合陶瓷(ci)。目前國內外(wai)廣(guang)泛使(shi)用(yong)的陶瓷(ci)刀具(ju)材(cai)料以(yi)及正在開(kai)發的陶瓷(ci)刀具(ju)材(cai)料，基本上(shang)都是組合，采取不同的增韌補強機制來進行顯微(wei)結構設計(ji)的，其中以(yi)氧化(hua)鋁（Al2O3）基和氮化(hua)硅（Si3N4 ）基陶瓷(ci)刀具(ju)材(cai)料的應(ying)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

純氧化(hua)鋁陶(tao)瓷(ci)中的Al2O3成份(fen)占99.9%以(yi)上，多(duo)呈(cheng)白(bai)色，俗(su)稱白(bai)陶(tao)瓷(ci)。這是早期使用(yong)的陶(tao)瓷(ci)，由(you)于其(qi)強度低，抗熱振性及斷裂韌性較差，切削(xue)時易崩刃(ren)，只(zhi)適用(yong)于300HBW以(yi)下(xia)的鑄鐵和(he)鋼(gang)的連續表(biao)面(mian)粗(cu)加工和(he)半精加工，使用(yong)范圍(wei)非常有限，故目前已被其(qi)它各種Al2O3基復合(he)陶(tao)瓷(ci)所取代。

（2）氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

它是(shi)在Al2O3基體中加(jia)入TiC或SiC等(deng)成(cheng)份經熱壓燒結(jie)而成(cheng)的陶(tao)瓷(ci)，是(shi)目前國內外使(shi)用最多(duo)的陶(tao)瓷(ci)刀具材(cai)料之(zhi)一。氧化鋁-碳(tan)化物系(xi)復(fu)合(he)陶(tao)瓷(ci)適(shi)于加(jia)工(gong)各種(zhong)鋼(gang)(gang)(gang)材(cai)（碳(tan)素結(jie)構鋼(gang)(gang)(gang)、合(he)金(jin)(jin)結(jie)構鋼(gang)(gang)(gang)、高(gao)強度(du)鋼(gang)(gang)(gang)、高(gao)錳鋼(gang)(gang)(gang)、軸承(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)、不銹鋼(gang)(gang)(gang)、淬硬鋼(gang)(gang)(gang)等(deng)）和各種(zhong)鑄鐵（包(bao)括(kuo)冷(leng)硬鑄鐵、高(gao)鉻鑄鐵等(deng)），也(ye)可加(jia)工(gong)銅合(he)金(jin)(jin)、石墨、工(gong)程塑料和復(fu)合(he)材(cai)料；加(jia)工(gong)鋼(gang)(gang)(gang)優于Si3N4 基陶(tao)瓷(ci)刀具；但它不宜用來加(jia)工(gong)鋁合(he)金(jin)(jin)、鈦合(he)金(jin)(jin)和鉭合(he)金(jin)(jin)，否則容易(yi)產生化學磨損。

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

它是在傳統(tong)的Al2O3 / TiC金(jin)屬陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)中(zhong)通過加(jia)入納米(mi)(mi)材(cai)料TiN（氮化鈦）和(he)AlN（氮化鋁(lv)），經(jing)改性(xing)(xing)而成(cheng)的一種新型(xing)Al2O3基陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)具(ju)(ju)，可細化晶粒和(he)優化材(cai)料力學(xue)性(xing)(xing)能。使用表明，這(zhe)是高(gao)技術含量及高(gao)附(fu)加(jia)值(zhi)的新型(xing)刀(dao)具(ju)(ju)，可部分取代K20（YG8）、P10（YT15）等面廣量大的硬質合(he)金(jin)刀(dao)具(ju)(ju)，刀(dao)具(ju)(ju)壽命可提高(gao)2倍(bei)以上，生(sheng)產成(cheng)本則與K20（YG8）刀(dao)具(ju)(ju)相當或稍低(di)。目(mu)前，納米(mi)(mi)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)及納米(mi)(mi)復合(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)具(ju)(ju)已成(cheng)為高(gao)技術陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)材(cai)料研究開(kai)發(fa)的一個前沿(yan)領域。

（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（是直徑小于(yu)0.6μm，長度(du)為10?80μm的(de)(de)單(dan)晶，具有(you)一定的(de)(de)纖維(wei)結構，抗(kang)(kang)拉強度(du)為7 GPa，抗(kang)(kang)拉彈性(xing)模量超過700 GPa）而成的(de)(de)Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷，可有(you)效地用(yong)于(yu)斷續(xu)切削及粗車、銑削和擴(kuo)孔等工序，適于(yu)加(jia)工鎳基(ji)合(he)金、高硬(ying)度(du)鑄鐵和淬硬(ying)鋼(gang)(gang)等材料。SiCw晶須作用(yong)類(lei)似鋼(gang)(gang)筋(jin)混凝土中的(de)(de)鋼(gang)(gang)筋(jin)，能成為阻擋或改變裂紋(wen)發展的(de)(de)障礙，使其(qi)韌性(xing)大幅度(du)提高。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它是通過控制(zhi)陶(tao)瓷材料的(de)(de)(de)組(zu)成分(fen)布以形成合理(li)的(de)(de)(de)梯度，從而使刀具(ju)內部產生有(you)利的(de)(de)(de)殘余(yu)應(ying)力分(fen)布來(lai)抵消切削(xue)中的(de)(de)(de)外載應(ying)力。具(ju)有(you)表層熱導率高、有(you)利于切削(xue)熱的(de)(de)(de)傳出、熱膨(peng)脹系數(shu)小、結構(gou)完整性好、不易破損等特點。用其加工鋼鐵材料時的(de)(de)(de)刀具(ju)壽(shou)命(ming)可(ke)比同類Al2O3/（W, Ti）C復合陶(tao)瓷SG-4高1-1.5倍(bei)，并且刀具(ju)有(you)很(hen)好的(de)(de)(de)自礪性，崩刃(ren)后仍能進行正常(chang)切削(xue)。

（6）Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復合陶瓷

在Al2O3中添加TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的陶瓷可(ke)進一步提(ti)高(gao)材(cai)(cai)料的物(wu)理機械(xie)性能和切(qie)削(xue)加工(gong)性能，其中以Al2O3 / TiB2和Al2O3 / ZrO2使(shi)用(yong)較多(duo)。如用(yong)Al2O3/ TiB2陶瓷刀(dao)(dao)具(ju)加工(gong)40CrNiMoA鋼時，刀(dao)(dao)具(ju)壽命為(wei)Al2O3/ TiC刀(dao)(dao)具(ju)的3倍(bei)，加工(gong)4Cr5MoVSi鋼時，刀(dao)(dao)具(ju)抗(kang)(kang)邊界(jie)磨損能力(li)為(wei)Al2O3 / TiC刀(dao)(dao)具(ju)的2倍(bei)。而Al2O3 / ZrO2陶瓷刀(dao)(dao)具(ju)材(cai)(cai)料的斷裂韌度(du)(du)、強度(du)(du)和耐(nai)磨性高(gao)，抗(kang)(kang)崩刃性能好。如用(yong)CC620刀(dao)(dao)片粗(cu)車(che)和半精車(che)鑄鐵和球(qiu)墨鑄鐵等材(cai)(cai)料，切(qie)削(xue)速(su)(su)度(du)(du)可(ke)達(da)900 m/min；用(yong)于加工(gong)合金(jin)鋼時，粗(cu)車(che)切(qie)削(xue)速(su)(su)度(du)(du)可(ke)達(da)200 m/min，精車(che)切(qie)削(xue)速(su)(su)度(du)(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)(ci)是一種非氧化物工(gong)程陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)，其硬(ying)度可達(da)1800-2000 HV，熱(re)硬(ying)性(xing)好，能(neng)承受1300-1400℃的(de)(de)高溫(wen)，與碳和(he)金(jin)屬元(yuan)素化學反應較小，摩擦(ca)系(xi)數(shu)也較低。這類刀(dao)(dao)具(ju)適(shi)于(yu)切(qie)削(xue)(xue)鑄鐵(tie)、高溫(wen)合(he)(he)金(jin)和(he)鎳基合(he)(he)金(jin)等材料(liao)，尤其適(shi)用(yong)于(yu)大進給(gei)量(liang)或(huo)斷續切(qie)削(xue)(xue)。由于(yu)純Si3N4 陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)在切(qie)削(xue)(xue)長切(qie)屑（如軟鋼）時極(ji)易(yi)產(chan)生月牙洼磨損，所以(yi)新(xin)一代Si3N4 陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)均為Si3N4 復合(he)(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)。最新(xin)的(de)(de)Si3N4 復合(he)(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)不僅可用(yong)于(yu)粗加工(gong)，而且可用(yong)于(yu)斷續切(qie)削(xue)(xue)和(he)有冷卻液(ye)的(de)(de)切(qie)削(xue)(xue)。目前Si3N4基陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)崩刃率為2%-3%，與硬(ying)質合(he)(he)金(jin)相(xiang)當，可以(yi)大量(liang)應用(yong)于(yu)生產(chan)線。該類陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)缺(que)點是加工(gong)性(xing)比普通Al2O3陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其(qi)韌性(xing)和抗(kang)彎強(qiang)度高于Al2O3基陶瓷，而硬度卻(que)不降(jiang)低(di)；熱導率(lv)亦高于Al2O3基陶瓷，故在生(sheng)產(chan)中應(ying)用比(bi)較廣泛。

（2）Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

它是在Si3N4基(ji)體中(zhong)加(jia)(jia)入一定(ding)量的(de)碳(tan)化物晶須而成，從而可提高(gao)(gao)陶瓷刀具的(de)斷裂韌度。中(zhong)國生產的(de)牌號有SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等。一些國外切(qie)削專家認為(wei)，用(yong)Si3N4基(ji)陶瓷切(qie)削鋼(gang)(gang)(gang)材的(de)效(xiao)果不如Al2O3 基(ji)復合陶瓷，故不推(tui)薦用(yong)其加(jia)(jia)工鋼(gang)(gang)(gang)材。但用(yong)FD03刀片(pian)切(qie)削淬(cui)硬鋼(gang)(gang)(gang)（60-68HRC）、高(gao)(gao)錳鋼(gang)(gang)(gang)、高(gao)(gao)鉻鋼(gang)(gang)(gang)和軸承(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)時也(ye)有較(jiao)好的(de)效(xiao)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(jia)少量助燒結劑Y2O3，經熱壓燒結而成，常稱賽阿龍（Sialon）。Sialon實際上是Si3N4中Si、N原(yuan)子被Al和O原(yuan)子置換所形成的一(yi)大類固溶(rong)體(ti)的總稱，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種，尤以前兩種最(zui)為(wei)常見。這種陶(tao)瓷(ci)的抗彎(wan)強度(du)和斷裂韌度(du)較高(gao)(gao)，抗氧化(hua)能(neng)力(li)(li)和高(gao)(gao)溫抗蠕變能(neng)力(li)(li)好，熱導率高(gao)(gao)，熱膨脹(zhang)系數小，抗熱振性好，適于粗(cu)車及銑削鑄鐵(tie)和鎳(nie)基高(gao)(gao)溫合金等難加(jia)工(gong)材料。除能(neng)采用較大的進(jin)給量及切削速度(du)高(gao)(gao)速加(jia)工(gong)鑄鐵(tie)和高(gao)(gao)溫合金外(wai)，并可在(zai)面銑刀上采用雙正前角(jiao)（側前角(jiao)和背(bei)前角(jiao)均為(wei)正值）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基陶(tao)(tao)瓷(ci)的韌性優(you)于(yu)Al2O3基陶(tao)(tao)瓷(ci)，但其耐(nai)磨(mo)(mo)性稍(shao)差。切(qie)削(xue)鑄(zhu)鐵時(shi)，Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)的后(hou)刀(dao)(dao)(dao)(dao)面(mian)磨(mo)(mo)損大(da)(da)于(yu)Al2O3陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)；切(qie)削(xue)鋼(gang)料(liao)時(shi)，Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)的月(yue)牙洼磨(mo)(mo)損較大(da)(da)。為此，國外(wai)在Si3N4基陶(tao)(tao)瓷(ci)表面(mian)上(shang)施以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和(he)Al2O3等(deng)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)，可(ke)單涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)，也可(ke)用(yong)多(duo)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)。經涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)后(hou)的Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)磨(mo)(mo)損量(liang)為未涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)的1/3，使(shi)(shi)加工(gong)普通鑄(zhu)鐵的切(qie)削(xue)速(su)度(du)更(geng)快，并(bing)且刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)壽命更(geng)長。比(bi)如(ru)Sandvik公司的GC1690涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)氮(dan)化(hua)硅(gui)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)，在加工(gong)高強度(du)灰鑄(zhu)鐵時(shi)的進給量(liang)達0.4 mm/r，切(qie)削(xue)速(su)度(du)為500 m/min。涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)氮(dan)化(hua)硅(gui)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)，切(qie)鋼(gang)時(shi)抗(kang)月(yue)牙洼磨(mo)(mo)損的能力(li)強，其切(qie)削(xue)速(su)度(du)可(ke)達Al2O3基陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)的切(qie)削(xue)速(su)度(du)，但進給量(liang)卻大(da)(da)于(yu)后(hou)者(zhe)而(er)接近涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)硬(ying)質合金刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)，使(shi)(shi)材料(liao)切(qie)除(chu)率大(da)(da)大(da)(da)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

切削刀(dao)(dao)具(ju)與加(jia)工(gong)對象的(de)(de)力(li)學性(xing)能(neng)匹配問題(ti)主要(yao)是指刀(dao)(dao)具(ju)與工(gong)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)強度(du)、韌性(xing)和硬(ying)度(du)等力(li)學性(xing)能(neng)參數(shu)要(yao)相匹配。具(ju)有(you)不同力(li)學性(xing)能(neng)的(de)(de)刀(dao)(dao)具(ju)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)所適合加(jia)工(gong)的(de)(de)工(gong)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)有(you)所不同。高(gao)(gao)(gao)(gao)硬(ying)度(du)的(de)(de)工(gong)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，必須用(yong)更高(gao)(gao)(gao)(gao)硬(ying)度(du)的(de)(de)刀(dao)(dao)具(ju)來加(jia)工(gong)，刀(dao)(dao)具(ju)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)硬(ying)度(du)必須高(gao)(gao)(gao)(gao)于工(gong)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)硬(ying)度(du)，一般要(yao)求在60HRC以(yi)上。刀(dao)(dao)具(ju)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)硬(ying)度(du)越高(gao)(gao)(gao)(gao)，其耐磨(mo)性(xing)就越好。陶瓷刀(dao)(dao)具(ju)優良的(de)(de)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫性(xing)能(neng)使(shi)其能(neng)夠(gou)以(yi)高(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)速度(du)進行切削，允(yun)許的(de)(de)切削速度(du)可比硬(ying)質合金提高(gao)(gao)(gao)(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(de)工件(jian)時，應采用導熱(re)較好的(de)刀具材料(liao)，以使切削(xue)熱(re)得以迅速傳出(chu)而(er)降低切削(xue)溫度。

3、切削刀具材料與加工對象的化學性能匹配

切削(xue)刀(dao)具材(cai)料與(yu)加工(gong)(gong)(gong)對象的化學(xue)性(xing)能匹(pi)配問題主要是(shi)指刀(dao)具材(cai)料與(yu)工(gong)(gong)(gong)件材(cai)料化學(xue)親和性(xing)、化學(xue)反(fan)應(ying)、擴散和溶解等化學(xue)性(xing)能參(can)數要相匹(pi)配。材(cai)料不同(tong)的刀(dao)具所(suo)適合加工(gong)(gong)(gong)的工(gong)(gong)(gong)件材(cai)料有所(suo)不同(tong)。