陶瓷刀具材料有哪些

現代陶(tao)瓷刀(dao)具材(cai)料(liao)大多數為復合(he)陶(tao)瓷。目前國內(nei)外廣泛使用(yong)的(de)(de)陶(tao)瓷刀(dao)具材(cai)料(liao)以(yi)及正在開(kai)發(fa)的(de)(de)陶(tao)瓷刀(dao)具材(cai)料(liao)，基本上(shang)都是組(zu)合(he)，采取不同的(de)(de)增(zeng)韌補強機制來進行顯微結(jie)構設計(ji)的(de)(de)，其(qi)中以(yi)氧化鋁(lv)（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4 ）基陶(tao)瓷刀(dao)具材(cai)料(liao)的(de)(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

純氧(yang)化鋁(lv)陶瓷(ci)(ci)(ci)中的Al2O3成(cheng)份占(zhan)99.9%以(yi)上(shang)，多呈白(bai)色(se)，俗稱白(bai)陶瓷(ci)(ci)(ci)。這是早期使用的陶瓷(ci)(ci)(ci)，由于其(qi)強度低，抗熱振性(xing)及斷裂韌性(xing)較差，切削時易崩刃(ren)，只(zhi)適用于300HBW以(yi)下(xia)的鑄(zhu)鐵和鋼的連續(xu)表面粗加工和半精加工，使用范圍非常有限，故目前已被其(qi)它各種(zhong)Al2O3基復合(he)陶瓷(ci)(ci)(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(huo)SiC等(deng)成份經熱壓(ya)燒結而成的陶(tao)瓷(ci)，是(shi)目前國內外使用最多的陶(tao)瓷(ci)刀具材料之一。氧化鋁-碳(tan)化物系復合(he)陶(tao)瓷(ci)適于加(jia)工各種鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材（碳(tan)素結構鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、合(he)金(jin)(jin)結構鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、高(gao)強度鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、高(gao)錳鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、軸承鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、不銹鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、淬硬(ying)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)等(deng)）和各種鑄鐵（包括冷硬(ying)鑄鐵、高(gao)鉻鑄鐵等(deng)），也可加(jia)工銅合(he)金(jin)(jin)、石墨、工程(cheng)塑(su)料和復合(he)材料；加(jia)工鋼(gang)(gang)(gang)(gang)優(you)于Si3N4 基陶(tao)瓷(ci)刀具；但它不宜用來加(jia)工鋁合(he)金(jin)(jin)、鈦合(he)金(jin)(jin)和鉭合(he)金(jin)(jin)，否則容易產生化學磨損(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(ta)是在傳統的(de)(de)Al2O3 / TiC金屬陶(tao)(tao)瓷(ci)中通過加入納米(mi)材(cai)料(liao)TiN（氮化(hua)鈦）和AlN（氮化(hua)鋁），經(jing)改(gai)性(xing)而成的(de)(de)一種新(xin)型(xing)Al2O3基陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具，可細化(hua)晶粒(li)和優化(hua)材(cai)料(liao)力學性(xing)能。使用表明，這是高(gao)(gao)技術(shu)含量及高(gao)(gao)附加值的(de)(de)新(xin)型(xing)刀(dao)(dao)具，可部分取(qu)代(dai)K20（YG8）、P10（YT15）等面廣(guang)量大(da)的(de)(de)硬(ying)質(zhi)合(he)金刀(dao)(dao)具，刀(dao)(dao)具壽命(ming)可提高(gao)(gao)2倍(bei)以上，生產成本則與(yu)K20（YG8）刀(dao)(dao)具相(xiang)當或稍低。目前，納米(mi)陶(tao)(tao)瓷(ci)及納米(mi)復(fu)合(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具已(yi)成為高(gao)(gao)技術(shu)陶(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)研究開發的(de)(de)一個前沿領域。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在(zai)Al2O3陶瓷基(ji)體中(zhong)添加(jia)20%-30% SiCw晶須(xu)(xu)（是(shi)直徑(jing)小于0.6μm，長(chang)度(du)為(wei)10?80μm的單晶，具有(you)一定的纖維結構，抗拉強度(du)為(wei)7 GPa，抗拉彈性(xing)(xing)模量超過700 GPa）而成(cheng)的Al2O3 / SiCw晶須(xu)(xu)增韌陶瓷，可(ke)有(you)效地用于斷續切削(xue)及粗車(che)、銑削(xue)和擴孔等工序，適于加(jia)工鎳基(ji)合金、高硬度(du)鑄鐵和淬(cui)硬鋼(gang)等材料。SiCw晶須(xu)(xu)作用類似鋼(gang)筋(jin)混凝土中(zhong)的鋼(gang)筋(jin)，能成(cheng)為(wei)阻擋或改變裂紋發展的障(zhang)礙，使其(qi)韌性(xing)(xing)大幅度(du)提高。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它是(shi)通過控制陶瓷材料(liao)的(de)(de)組成分(fen)(fen)布(bu)以形成合理的(de)(de)梯度，從而使刀具(ju)內部(bu)產(chan)生有利的(de)(de)殘余應力分(fen)(fen)布(bu)來(lai)抵消切削中(zhong)的(de)(de)外載應力。具(ju)有表層熱導率高、有利于切削熱的(de)(de)傳出(chu)、熱膨脹系數小、結構(gou)完(wan)整性好(hao)、不易破損等特點。用(yong)其加(jia)工鋼(gang)鐵(tie)材料(liao)時的(de)(de)刀具(ju)壽命可比同類Al2O3/（W, Ti）C復合陶瓷SG-4高1-1.5倍，并且刀具(ju)有很好(hao)的(de)(de)自礪性，崩(beng)刃后(hou)仍能進行正常(chang)切削。

（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(de)陶瓷(ci)可進一步提高材料的(de)物(wu)理機械性能和(he)(he)切削(xue)加工(gong)(gong)性能，其(qi)中以(yi)Al2O3 / TiB2和(he)(he)Al2O3 / ZrO2使用較多。如用Al2O3/ TiB2陶瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)加工(gong)(gong)40CrNiMoA鋼時(shi)，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)壽命為Al2O3/ TiC刀(dao)(dao)具(ju)(ju)的(de)3倍(bei)，加工(gong)(gong)4Cr5MoVSi鋼時(shi)，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)抗邊界磨損(sun)能力(li)為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)材料的(de)斷裂韌度(du)、強度(du)和(he)(he)耐磨性高，抗崩刃性能好。如用CC620刀(dao)(dao)片(pian)粗車和(he)(he)半精車鑄鐵(tie)和(he)(he)球墨鑄鐵(tie)等材料，切削(xue)速度(du)可達900 m/min；用于加工(gong)(gong)合金鋼時(shi)，粗車切削(xue)速度(du)可達200 m/min，精車切削(xue)速度(du)可達800 m/min。

2、氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

Si3N4陶(tao)瓷是一種(zhong)非氧化物工程陶(tao)瓷，其硬度可達1800-2000 HV，熱硬性好，能承(cheng)受(shou)1300-1400℃的高溫(wen)，與(yu)碳和(he)金屬元(yuan)素化學反應(ying)較(jiao)小，摩(mo)擦系數也較(jiao)低。這類刀(dao)(dao)(dao)具(ju)適(shi)(shi)于(yu)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)鑄鐵、高溫(wen)合(he)金和(he)鎳基(ji)(ji)合(he)金等材料，尤其適(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)于(yu)大進給量或(huo)斷(duan)續(xu)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)。由(you)于(yu)純(chun)Si3N4 陶(tao)瓷刀(dao)(dao)(dao)具(ju)在切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)長切(qie)(qie)屑（如軟鋼(gang)）時極易產生(sheng)月牙洼(wa)磨損(sun)，所以新一代Si3N4 陶(tao)瓷均為(wei)Si3N4 復合(he)陶(tao)瓷刀(dao)(dao)(dao)具(ju)。最(zui)新的Si3N4 復合(he)陶(tao)瓷不(bu)僅可用(yong)(yong)(yong)于(yu)粗加(jia)(jia)工，而且可用(yong)(yong)(yong)于(yu)斷(duan)續(xu)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)和(he)有冷(leng)卻(que)液的切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)。目前Si3N4基(ji)(ji)陶(tao)瓷刀(dao)(dao)(dao)具(ju)的崩(beng)刃率為(wei)2%-3%，與(yu)硬質合(he)金相(xiang)當，可以大量應(ying)用(yong)(yong)(yong)于(yu)生(sheng)產線。該(gai)類陶(tao)瓷刀(dao)(dao)(dao)具(ju)的缺(que)點是加(jia)(jia)工性比(bi)普通Al2O3陶(tao)瓷差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其韌性和抗彎強度高于(yu)Al2O3基(ji)陶(tao)瓷，而硬度卻不降(jiang)低；熱(re)導率亦高于(yu)Al2O3基(ji)陶(tao)瓷，故在生產(chan)中應用比較廣泛。

（2）Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

它是(shi)在Si3N4基(ji)體中加入(ru)一定量(liang)的(de)(de)碳化物晶須而成，從而可提高(gao)(gao)陶(tao)瓷刀(dao)具的(de)(de)斷(duan)裂韌度。中國生(sheng)產的(de)(de)牌號有(you)SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等。一些國外切削專家(jia)認為，用Si3N4基(ji)陶(tao)瓷切削鋼材(cai)的(de)(de)效果不(bu)如(ru)Al2O3 基(ji)復合陶(tao)瓷，故不(bu)推薦用其加工(gong)鋼材(cai)。但用FD03刀(dao)片(pian)切削淬硬(ying)鋼（60-68HRC）、高(gao)(gao)錳鋼、高(gao)(gao)鉻鋼和(he)軸(zhou)承鋼時也有(you)較好(hao)的(de)(de)效果。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是(shi)以(yi)Si3N4為(wei)硬質相，Al2O3 為(wei)耐(nai)磨(mo)相，并(bing)添加(jia)(jia)少量(liang)助(zhu)燒結(jie)劑Y2O3，經(jing)熱壓燒結(jie)而成，常稱賽(sai)阿龍（Sialon）。Sialon實際(ji)上是(shi)Si3N4中(zhong)Si、N原(yuan)子(zi)被Al和(he)O原(yuan)子(zi)置換所(suo)形成的一(yi)大類固溶體的總稱，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種，尤以(yi)前(qian)兩種最為(wei)常見。這種陶瓷(ci)的抗彎強度(du)和(he)斷裂韌度(du)較(jiao)高(gao)(gao)，抗氧化能力和(he)高(gao)(gao)溫抗蠕(ru)變能力好，熱導率高(gao)(gao)，熱膨脹系數小，抗熱振性好，適于(yu)粗車及(ji)銑削鑄鐵(tie)和(he)鎳(nie)基高(gao)(gao)溫合金(jin)等難加(jia)(jia)工(gong)(gong)材料(liao)。除(chu)能采(cai)用(yong)較(jiao)大的進給量(liang)及(ji)切削速度(du)高(gao)(gao)速加(jia)(jia)工(gong)(gong)鑄鐵(tie)和(he)高(gao)(gao)溫合金(jin)外，并(bing)可(ke)在(zai)面銑刀(dao)上采(cai)用(yong)雙(shuang)正(zheng)前(qian)角(jiao)（側前(qian)角(jiao)和(he)背前(qian)角(jiao)均為(wei)正(zheng)值(zhi)）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基陶(tao)(tao)瓷(ci)的(de)(de)(de)(de)韌(ren)性優于Al2O3基陶(tao)(tao)瓷(ci)，但(dan)其耐磨性稍差。切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)鑄鐵(tie)時，Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)(de)(de)后(hou)刀(dao)(dao)(dao)面磨損(sun)(sun)(sun)大于Al2O3陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)；切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)鋼(gang)料時，Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)(de)(de)月牙洼磨損(sun)(sun)(sun)較大。為此，國外在Si3N4基陶(tao)(tao)瓷(ci)表面上施以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等(deng)涂層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，可單涂層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，也可用多涂層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)。經涂層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)后(hou)的(de)(de)(de)(de)Si3N4陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)磨損(sun)(sun)(sun)量(liang)為未(wei)涂層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)1/3，使加(jia)工(gong)普(pu)通鑄鐵(tie)的(de)(de)(de)(de)切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)速度(du)(du)更(geng)快，并(bing)且刀(dao)(dao)(dao)具(ju)壽命(ming)更(geng)長。比(bi)如(ru)Sandvik公司(si)的(de)(de)(de)(de)GC1690涂層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)氮(dan)化(hua)硅(gui)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)，在加(jia)工(gong)高強度(du)(du)灰鑄鐵(tie)時的(de)(de)(de)(de)進(jin)給(gei)量(liang)達0.4 mm/r，切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)速度(du)(du)為500 m/min。涂層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)氮(dan)化(hua)硅(gui)陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)，切(qie)(qie)(qie)(qie)鋼(gang)時抗月牙洼磨損(sun)(sun)(sun)的(de)(de)(de)(de)能力強，其切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)速度(du)(du)可達Al2O3基陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)(de)(de)切(qie)(qie)(qie)(qie)削(xue)速度(du)(du)，但(dan)進(jin)給(gei)量(liang)卻大于后(hou)者而接近涂層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)硬質(zhi)合金刀(dao)(dao)(dao)具(ju)，使材料切(qie)(qie)(qie)(qie)除率(lv)大大提高。

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(xue)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)與加工(gong)(gong)對象的(de)力(li)學性(xing)能(neng)匹(pi)配(pei)問題主(zhu)要(yao)是指刀(dao)(dao)(dao)具(ju)與工(gong)(gong)件(jian)材(cai)料(liao)的(de)強度(du)(du)、韌性(xing)和硬(ying)度(du)(du)等力(li)學性(xing)能(neng)參數要(yao)相匹(pi)配(pei)。具(ju)有(you)不同力(li)學性(xing)能(neng)的(de)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)材(cai)料(liao)所適合(he)加工(gong)(gong)的(de)工(gong)(gong)件(jian)材(cai)料(liao)有(you)所不同。高(gao)硬(ying)度(du)(du)的(de)工(gong)(gong)件(jian)材(cai)料(liao)，必(bi)(bi)須用更高(gao)硬(ying)度(du)(du)的(de)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)來加工(gong)(gong)，刀(dao)(dao)(dao)具(ju)材(cai)料(liao)的(de)硬(ying)度(du)(du)必(bi)(bi)須高(gao)于工(gong)(gong)件(jian)材(cai)料(liao)的(de)硬(ying)度(du)(du)，一般要(yao)求在60HRC以(yi)上(shang)。刀(dao)(dao)(dao)具(ju)材(cai)料(liao)的(de)硬(ying)度(du)(du)越高(gao)，其(qi)耐(nai)磨性(xing)就越好。陶瓷刀(dao)(dao)(dao)具(ju)優良的(de)高(gao)溫性(xing)能(neng)使其(qi)能(neng)夠以(yi)高(gao)的(de)速(su)度(du)(du)進行切削(xue)，允(yun)許(xu)的(de)切削(xue)速(su)度(du)(du)可比硬(ying)質合(he)金提(ti)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(bi)如加工(gong)導(dao)熱性(xing)差(cha)的工(gong)件時(shi)，應采用導(dao)熱較好的刀(dao)具(ju)材料，以使切(qie)削熱得以迅速傳出(chu)而降(jiang)低切(qie)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(dao)具(ju)(ju)材料(liao)與加工對象的化(hua)(hua)學(xue)(xue)性能匹配問題主要(yao)是指刀(dao)具(ju)(ju)材料(liao)與工件材料(liao)化(hua)(hua)學(xue)(xue)親和(he)性、化(hua)(hua)學(xue)(xue)反應、擴散和(he)溶解等化(hua)(hua)學(xue)(xue)性能參數要(yao)相匹配。材料(liao)不同(tong)的刀(dao)具(ju)(ju)所適合加工的工件材料(liao)有(you)所不同(tong)。