陶瓷刀具材料有哪些

現(xian)代陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具材料大多數(shu)為復合(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)。目(mu)前國內外(wai)廣(guang)泛(fan)使用的陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具材料以及正在開發的陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具材料，基(ji)(ji)本(ben)上都是組合(he)，采取不同的增韌補強機(ji)制(zhi)來進行顯微結構設計的，其(qi)中(zhong)以氧化鋁（Al2O3）基(ji)(ji)和氮化硅（Si3N4 ）基(ji)(ji)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)刀具材料的應(ying)用最廣(guang)泛(fan)。

1、氧化鋁（Al2O3）基陶瓷刀具材料

（1）純氧化鋁陶瓷

純氧化鋁陶(tao)瓷中的Al2O3成(cheng)份占(zhan)99.9%以(yi)上，多(duo)呈白色，俗稱白陶(tao)瓷。這是早(zao)期使用(yong)(yong)的陶(tao)瓷，由于(yu)其強度低，抗熱(re)振性及斷裂(lie)韌(ren)性較差，切削時易崩刃，只(zhi)適用(yong)(yong)于(yu)300HBW以(yi)下的鑄(zhu)鐵和鋼的連續表面(mian)粗(cu)加工和半(ban)精加工，使用(yong)(yong)范圍非常有限，故目前已被(bei)其它各種Al2O3基復合陶(tao)瓷所(suo)取代。

（2）氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

它是在Al2O3基體中加(jia)入TiC或SiC等成(cheng)份經熱壓燒結(jie)而(er)成(cheng)的(de)陶瓷(ci)(ci)，是目(mu)前(qian)國內外使用最多的(de)陶瓷(ci)(ci)刀具材料(liao)之一。氧化(hua)鋁-碳化(hua)物系復合(he)(he)(he)陶瓷(ci)(ci)適于(yu)加(jia)工(gong)(gong)(gong)各(ge)種鋼(gang)(gang)材（碳素結(jie)構鋼(gang)(gang)、合(he)(he)(he)金(jin)結(jie)構鋼(gang)(gang)、高強度(du)鋼(gang)(gang)、高錳鋼(gang)(gang)、軸承鋼(gang)(gang)、不(bu)銹鋼(gang)(gang)、淬硬(ying)鋼(gang)(gang)等）和各(ge)種鑄鐵(tie)(tie)（包(bao)括冷硬(ying)鑄鐵(tie)(tie)、高鉻鑄鐵(tie)(tie)等），也可(ke)加(jia)工(gong)(gong)(gong)銅合(he)(he)(he)金(jin)、石墨、工(gong)(gong)(gong)程塑料(liao)和復合(he)(he)(he)材料(liao)；加(jia)工(gong)(gong)(gong)鋼(gang)(gang)優于(yu)Si3N4 基陶瓷(ci)(ci)刀具；但它不(bu)宜(yi)用來(lai)加(jia)工(gong)(gong)(gong)鋁合(he)(he)(he)金(jin)、鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)和鉭合(he)(he)(he)金(jin)，否(fou)則(ze)容易(yi)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)統的(de)Al2O3 / TiC金(jin)(jin)屬陶(tao)瓷(ci)(ci)中(zhong)通(tong)過加入納米(mi)材(cai)料TiN（氮化鈦）和AlN（氮化鋁），經(jing)改性(xing)而成(cheng)的(de)一種新型(xing)(xing)Al2O3基陶(tao)瓷(ci)(ci)刀具(ju)，可細化晶粒(li)和優化材(cai)料力學(xue)性(xing)能(neng)。使用表明，這(zhe)是高(gao)技術含(han)量及高(gao)附加值的(de)新型(xing)(xing)刀具(ju)，可部分取代K20（YG8）、P10（YT15）等面(mian)廣量大的(de)硬(ying)質合金(jin)(jin)刀具(ju)，刀具(ju)壽命(ming)可提高(gao)2倍以(yi)上，生產(chan)成(cheng)本(ben)則(ze)與(yu)K20（YG8）刀具(ju)相當或稍低。目前(qian)，納米(mi)陶(tao)瓷(ci)(ci)及納米(mi)復合陶(tao)瓷(ci)(ci)刀具(ju)已(yi)成(cheng)為高(gao)技術陶(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料研(yan)究開(kai)發(fa)的(de)一個前(qian)沿領(ling)域。

（4）Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶(tao)瓷(ci)基體中添(tian)加20%-30% SiCw晶須(xu)(xu)（是直徑小(xiao)于0.6μm，長度為10?80μm的(de)(de)單晶，具有一定的(de)(de)纖維結(jie)構(gou)，抗(kang)拉強度為7 GPa，抗(kang)拉彈性模量超過700 GPa）而成的(de)(de)Al2O3 / SiCw晶須(xu)(xu)增(zeng)韌陶(tao)瓷(ci)，可有效(xiao)地用于斷續切削(xue)及(ji)粗車、銑削(xue)和擴孔等(deng)工(gong)序，適于加工(gong)鎳基合金、高(gao)硬度鑄(zhu)鐵和淬硬鋼(gang)等(deng)材料(liao)。SiCw晶須(xu)(xu)作用類似鋼(gang)筋(jin)混凝土中的(de)(de)鋼(gang)筋(jin)，能(neng)成為阻擋(dang)或改變(bian)裂紋發(fa)展(zhan)的(de)(de)障礙，使其韌性大幅度提高(gao)。

（5）Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

它是(shi)通過(guo)控制陶瓷材料的組(zu)成分布以形(xing)成合(he)理的梯度，從而使(shi)刀具內部產生有利的殘(can)余(yu)應力分布來(lai)抵消切(qie)削(xue)中(zhong)的外載應力。具有表層熱(re)導率高、有利于切(qie)削(xue)熱(re)的傳出、熱(re)膨脹系(xi)數(shu)小、結(jie)構完整性好(hao)、不(bu)易(yi)破(po)損等特點(dian)。用(yong)其加工鋼(gang)鐵材料時的刀具壽命可(ke)比同(tong)類Al2O3/（W, Ti）C復合(he)陶瓷SG-4高1-1.5倍，并且刀具有很好(hao)的自礪(li)性，崩刃(ren)后仍能進行正常(chang)切(qie)削(xue)。

（6）Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復合陶瓷

在Al2O3中(zhong)添加(jia)TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的(de)陶瓷(ci)可(ke)(ke)(ke)進(jin)一(yi)步提(ti)高材(cai)料的(de)物理機械性(xing)能(neng)(neng)和(he)切(qie)削(xue)加(jia)工性(xing)能(neng)(neng)，其(qi)中(zhong)以Al2O3 / TiB2和(he)Al2O3 / ZrO2使用較多(duo)。如(ru)用Al2O3/ TiB2陶瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)加(jia)工40CrNiMoA鋼時(shi)(shi)，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)壽命(ming)為Al2O3/ TiC刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)的(de)3倍，加(jia)工4Cr5MoVSi鋼時(shi)(shi)，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)抗邊(bian)界(jie)磨(mo)損能(neng)(neng)力(li)為Al2O3 / TiC刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)的(de)2倍。而Al2O3 / ZrO2陶瓷(ci)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)材(cai)料的(de)斷(duan)裂韌(ren)度(du)、強度(du)和(he)耐磨(mo)性(xing)高，抗崩刃性(xing)能(neng)(neng)好。如(ru)用CC620刀(dao)(dao)片粗(cu)車和(he)半精(jing)(jing)車鑄鐵和(he)球墨鑄鐵等材(cai)料，切(qie)削(xue)速(su)度(du)可(ke)(ke)(ke)達900 m/min；用于加(jia)工合金(jin)鋼時(shi)(shi)，粗(cu)車切(qie)削(xue)速(su)度(du)可(ke)(ke)(ke)達200 m/min，精(jing)(jing)車切(qie)削(xue)速(su)度(du)可(ke)(ke)(ke)達800 m/min。

2、氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

Si3N4陶瓷(ci)(ci)(ci)(ci)是一(yi)種非氧化(hua)(hua)物工(gong)程陶瓷(ci)(ci)(ci)(ci)，其(qi)硬(ying)度可達1800-2000 HV，熱硬(ying)性(xing)好，能承(cheng)受1300-1400℃的(de)(de)(de)高(gao)溫，與碳和(he)金屬元(yuan)素化(hua)(hua)學反應較小，摩擦系數也較低(di)。這類刀(dao)具(ju)適于(yu)切削(xue)鑄鐵、高(gao)溫合金和(he)鎳基(ji)合金等(deng)材料，尤其(qi)適用于(yu)大進給量或(huo)斷續切削(xue)。由于(yu)純Si3N4 陶瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)具(ju)在切削(xue)長(chang)切屑（如軟(ruan)鋼）時極易產生月牙洼磨損，所(suo)以新(xin)一(yi)代Si3N4 陶瓷(ci)(ci)(ci)(ci)均為Si3N4 復合陶瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)具(ju)。最新(xin)的(de)(de)(de)Si3N4 復合陶瓷(ci)(ci)(ci)(ci)不僅可用于(yu)粗(cu)加(jia)工(gong)，而且可用于(yu)斷續切削(xue)和(he)有冷(leng)卻液的(de)(de)(de)切削(xue)。目前Si3N4基(ji)陶瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)崩刃率(lv)為2%-3%，與硬(ying)質合金相(xiang)當，可以大量應用于(yu)生產線。該類陶瓷(ci)(ci)(ci)(ci)刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)缺(que)點是加(jia)工(gong)性(xing)比普(pu)通Al2O3陶瓷(ci)(ci)(ci)(ci)差。

（1）Si3 N4 / TiC復合陶瓷

其韌性和抗彎強度(du)高(gao)于(yu)Al2O3基陶瓷，而硬度(du)卻不降低；熱(re)導率亦高(gao)于(yu)Al2O3基陶瓷，故在生(sheng)產(chan)中應用比較廣泛。

（2）Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

它是在Si3N4基體中加入一定(ding)量的(de)碳化物(wu)晶須而成，從而可提高(gao)陶(tao)瓷(ci)刀具(ju)的(de)斷裂(lie)韌度。中國生產的(de)牌號有(you)SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等。一些國外切(qie)削專家(jia)認(ren)為(wei)，用(yong)(yong)Si3N4基陶(tao)瓷(ci)切(qie)削鋼(gang)(gang)材的(de)效果不(bu)(bu)如Al2O3 基復合陶(tao)瓷(ci)，故不(bu)(bu)推薦用(yong)(yong)其加工(gong)鋼(gang)(gang)材。但(dan)用(yong)(yong)FD03刀片切(qie)削淬硬(ying)鋼(gang)(gang)（60-68HRC）、高(gao)錳(meng)鋼(gang)(gang)、高(gao)鉻鋼(gang)(gang)和軸承鋼(gang)(gang)時(shi)也(ye)有(you)較好的(de)效果。

（3）賽阿龍（Sialon）陶瓷

它是以(yi)Si3N4為(wei)硬質相(xiang)(xiang)，Al2O3 為(wei)耐磨相(xiang)(xiang)，并添加少(shao)量助燒(shao)結劑Y2O3，經熱壓燒(shao)結而成(cheng)，常稱(cheng)賽阿龍（Sialon）。Sialon實(shi)際上是Si3N4中Si、N原子被Al和(he)O原子置換所形成(cheng)的(de)一大類固溶體(ti)的(de)總稱(cheng)，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種，尤以(yi)前(qian)兩種最為(wei)常見。這種陶瓷的(de)抗(kang)彎強度(du)和(he)斷裂(lie)韌度(du)較高，抗(kang)氧(yang)化(hua)能(neng)力(li)和(he)高溫抗(kang)蠕變(bian)能(neng)力(li)好，熱導率高，熱膨脹系(xi)數(shu)小，抗(kang)熱振性好，適于(yu)粗(cu)車(che)及(ji)銑削(xue)鑄鐵(tie)和(he)鎳基高溫合(he)金(jin)(jin)等難加工(gong)材(cai)料。除能(neng)采(cai)用較大的(de)進給量及(ji)切(qie)削(xue)速度(du)高速加工(gong)鑄鐵(tie)和(he)高溫合(he)金(jin)(jin)外(wai)，并可在(zai)面銑刀上采(cai)用雙正前(qian)角（側(ce)前(qian)角和(he)背前(qian)角均為(wei)正值）。

（4）涂層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)的(de)(de)(de)韌(ren)性優(you)于Al2O3基陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)，但(dan)其耐(nai)磨(mo)性稍差。切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)鑄(zhu)鐵(tie)時，Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)(de)后(hou)刀(dao)(dao)(dao)(dao)面(mian)磨(mo)損大于Al2O3陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)；切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)鋼料時，Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)(de)月(yue)牙(ya)(ya)洼(wa)磨(mo)損較(jiao)大。為此，國外(wai)在Si3N4基陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)表面(mian)上施(shi)以(yi)TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)，可單涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)，也可用多涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)。經涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)后(hou)的(de)(de)(de)Si3N4陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)磨(mo)損量為未涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)1/3，使加(jia)工普通(tong)鑄(zhu)鐵(tie)的(de)(de)(de)切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)速度(du)(du)更快，并(bing)且刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)壽命更長。比(bi)如Sandvik公司的(de)(de)(de)GC1690涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)氮化硅陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)，在加(jia)工高(gao)強(qiang)度(du)(du)灰鑄(zhu)鐵(tie)時的(de)(de)(de)進(jin)給量達(da)0.4 mm/r，切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)速度(du)(du)為500 m/min。涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)氮化硅陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)，切(qie)(qie)(qie)鋼時抗月(yue)牙(ya)(ya)洼(wa)磨(mo)損的(de)(de)(de)能力強(qiang)，其切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)速度(du)(du)可達(da)Al2O3基陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)(de)切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)(xue)速度(du)(du)，但(dan)進(jin)給量卻大于后(hou)者而接近涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)硬質合(he)金刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)，使材料切(qie)(qie)(qie)除率大大提高(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

切削(xue)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)與加工(gong)對象(xiang)的(de)(de)力(li)(li)學性能匹(pi)配問題主要是指刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)與工(gong)件材料(liao)的(de)(de)強度、韌性和硬(ying)(ying)度等力(li)(li)學性能參數要相(xiang)匹(pi)配。具(ju)(ju)(ju)有不同力(li)(li)學性能的(de)(de)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)材料(liao)所(suo)適合加工(gong)的(de)(de)工(gong)件材料(liao)有所(suo)不同。高硬(ying)(ying)度的(de)(de)工(gong)件材料(liao)，必須用更高硬(ying)(ying)度的(de)(de)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)來(lai)加工(gong)，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)材料(liao)的(de)(de)硬(ying)(ying)度必須高于工(gong)件材料(liao)的(de)(de)硬(ying)(ying)度，一般要求在60HRC以(yi)上。刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)材料(liao)的(de)(de)硬(ying)(ying)度越高，其耐(nai)磨性就越好。陶瓷刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)優良(liang)的(de)(de)高溫(wen)性能使其能夠(gou)以(yi)高的(de)(de)速度進行切削(xue)，允許(xu)的(de)(de)切削(xue)速度可比硬(ying)(ying)質(zhi)合金提(ti)高2～10倍。

2、切削刀具材料與加工對象的物理性能匹配

比如加工導熱(re)性差的工件(jian)時，應采(cai)用導熱(re)較好(hao)的刀具材料(liao)，以(yi)使切削熱(re)得以(yi)迅速傳出而(er)降低切削溫度。

3、切削刀具材料與加工對象的化學性能匹配

切削(xue)刀具(ju)材料(liao)(liao)與(yu)加(jia)工(gong)對象的(de)化(hua)學(xue)性能匹配問(wen)題主要(yao)是指刀具(ju)材料(liao)(liao)與(yu)工(gong)件(jian)材料(liao)(liao)化(hua)學(xue)親和(he)性、化(hua)學(xue)反(fan)應、擴散(san)和(he)溶解等化(hua)學(xue)性能參(can)數要(yao)相匹配。材料(liao)(liao)不同的(de)刀具(ju)所(suo)(suo)適(shi)合(he)加(jia)工(gong)的(de)工(gong)件(jian)材料(liao)(liao)有所(suo)(suo)不同。