陶瓷刀具的特点及应用

admin

一、陶瓷刀具的特点和分类

1.陶瓷刀具的特点

硬度高、耐磨性好，陶瓷刀具的硬度虽然不及PCD和PCBN高，但大大高于硬质合金和高速钢刀具，达到93~95HRA。陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高2~10倍，而且刀具寿命长，可减少换刀次数，从而大大提高了切削加工生产效率。因此，陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现“以车代磨”。陶瓷刀具适合于高速切削和硬切削。

耐高温、耐热性好，陶瓷刀具在1200℃以上的高温下仍能进行切削。陶瓷刀具具有很好的高温力学性能，在800℃时的硬度为87HRA，在1200℃时的硬度仍达到80HRA。随温度的升高，陶瓷刀具的高温力学性能降低很慢。氧化铝陶瓷刀具的抗氧化性能特别好、切削刃即使处于赤热状态，也能连续使用。因此陶瓷刀具可以实现干切削，从而可省去切削液。

化学稳定性好，陶瓷刀具不易与金属产生粘接，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减少刀具的粘接磨损。

摩擦系数低，陶瓷刀具与金属的亲和力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度。

原料丰富，硬质合金中所含的钨和钴等资源缺乏，价格昂贵，而陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝，氧化硅、碳化物等是地壳中最丰富的元素，对发展陶瓷刀具材料十分有利。

因此开发和使用陶瓷刀具，对节省战略性贵重金属具有十分重要的意义。

根据以上特点，陶瓷刀具多用于钢、铸铁、有色金属材料的精加工和半精加工，或无冲击振动的难加工材料及高精度大型工件等的加工。

2.陶瓷刀具的分类

陶瓷材料是未来要发展的一个重要领域。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。目前，国内外应用最为广泛的陶瓷刀具材料大多数为复相陶瓷，其中以氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷两种为主：

氧化铝基陶瓷又可分为纯陶瓷（“白色”陶瓷）和氧化铝＋碳化物混合陶瓷（“黑色”陶瓷）两类。
“白色”陶瓷主要由氧化铝（Al2O3）和合金化添加剂（MgO、ZrO2等）组成其主要优点是具有很高的硬度和红硬性，其主要缺点是强度比较低：“黑色”陶瓷由Al2O3、TiC、ZrO2及其他难熔金属碳化物和添加剂构成。可加工铸铁、调质钢、渗碳钢、淬火硬化钢（30~50HRC）。

氮化硅基陶瓷是以氮化硅为基体，用氧化钇、氧化锆、氧化铪等进行合金化，通常用热压法进行生产。

陶瓷刀具材料大致可分为三类：氧化铝系陶瓷，氮化硅系陶瓷及复合氮化硅-氧化铝系。

1）氧化铝系陶瓷刀具

它是以Al2O3为主体的陶瓷材料，其中包括纯氧化铝陶瓷、氧化铝中添加各种碳化物、氧化物、氮化物与硼化物等的组合陶瓷，以及在氧化铝中同时添加化合物与粘结金属的组合陶瓷等。纯氧化铝陶瓷，这是最早发展起来的一种陶瓷刀具材料，多呈白色。它是以纯度99.9%以上的氧化铝为主要成分并加入少量（0.1%~0.5%）MgO或其他玻璃氧化物如Cr2O3、TiO2等混合成粉末经冷压或热压制成的。氧化铝的晶粒尺寸对陶瓷刀具的机械性能影响很大，现晶粒尺寸已从过去的几微米发展到现在的1~2μm甚至小于1μm，因而强度和硬度都有很大提高。氧化铝的纯度对陶瓷强度影响很大，纯度越高，强度越大。氧化铝陶瓷刀具最适于高速切削硬而脆金属材料，如冷硬铸铁或淬硬钢；用于大件机械零部件切削及用于高精度零件切削加工。

氧化铝陶瓷刀具短、小零件、钢件断续切削及Mg、Al、Ti及Be等单质材料及其合金材料切削加工时效果较差，容易使刀具出现扩散磨损或发生剥落与崩刃等缺陷。

（1）Al2O3-TiC陶瓷刀具。这是目前最引人注目的一种氧化物——碳化物混合陶瓷。在Al2O3中加入一定数量的（一般为15%~30%）的TiC可以提高陶瓷的抗弯强度及断裂韧性，提高了抗机械冲击能力，而且硬度也得以提高。

（2）Al2O3-ZrO2陶瓷刀具。在Al2O3成分中加入ZrO2后，ZrO2的弥散相在陶瓷基体中起到了改善韧性的积极作用。在Al2O3中加入重量为1%左右的ZrO2可提高断裂韧性值。试验表明，Al2O3-ZrO2陶瓷中，ZrO2含量为20%时的耐磨性最高，这是陶瓷的强度及断裂韧性也最大，这也进一步说明提高陶瓷的强度特性可以提高其耐磨性。

（3）Al2O3-SiC晶须增强陶瓷刀具 在Al2O3基体成分中加入15%~40%SiC晶须的增强陶瓷是最近几年新开发的一种复合刀具材料。SiC晶须是一种单晶，具有一定的纤维结构，其直径小于1μm，长度10~300μm，其抗拉强度达7000MPa，抗拉弹性模量超过700GPa，热稳定性达1760℃，在这种增强陶瓷中SiC晶须的分布是很有规律的，它们牢固地与Al2O3晶体结为一体。

SiC晶须增强陶瓷的强度及韧性、也可将导热系数提高40%，使切削温度降低。

2）氮化硅系陶瓷刀具

它包括氮化硅（Si3N4）陶瓷和以氮化硅为基体的添加其他碳化物制成的组合氮化硅陶瓷。此类陶瓷刀具主要以MgO为添加剂热压陶瓷。由于Si3N4陶瓷以共价键结合，晶粒长柱状，因此有较高硬度、强度断裂韧性，其硬度为91～93HRA，抗弯强度为0.7～0.85GPa，耐热性可达1300～1400℃，具有良好抗氧化性。同时它有较小热膨胀系数（3×10-6/℃），所以有较好抗机械冲击性抗热冲击性。Si3N4刀具适合于铸铁、高温合金粗精加工、高速切削重切削，其切削寿命比硬质合金刀具高几倍至十几倍。此外，Si3N4陶瓷有自润滑性能，摩擦系数较小，抗粘接能力强，不易产生积屑瘤，且切削刃可磨得锋利。能加工出良好表面质量，特别适合于车削易形成积屑瘤工件材料，如铸造硅铝合金等，汽车发动机铸铁缸体等加工应用越来越普遍。

3）复合氮化硅-氧化铝系陶瓷

由于碳化钛和氮化硅的热膨胀系数相差太大，高速切削加工时因刀尖温度急剧升高，会产生较大的热应力，降低了刀具的使用寿命。为此，许多国家又开发了（α′＋β′）-Sialon复相陶瓷刀具。

赛隆（Sialon）陶瓷刀具是用氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物在高温下进行热压烧结而得到的材料。在其中添加Y2O3可使组织致密化。

赛隆（Sialon）陶瓷刀具具有很高的强度和韧性，是高速粗加工铸铁和镍基合金的较好刀具材料。

但是，赛隆（Sialon）陶瓷刀具的热膨胀系数低，与钢的溶解磨损速度比Al2O3基陶瓷刀具高很多，Fe向刀具中的扩散会造成非常严重的月牙洼磨损，故不适合加工钢料。

二、陶瓷刀具的牌号及选用

1.陶瓷刀具的牌号

世界各大刀具厂商均有自己的陶瓷刀具牌号，山东大学、北京清华紫光方大高技术陶瓷有限公司等国内公司也有部分牌号的陶瓷刀具。

绿叶WG-300，由绿叶公司开发，是使用晶须补强技术的第一款商用陶瓷复合材料。切削速度是未涂层硬质合金刀具的速度的10倍。绿叶WG-600是第一款商用涂层晶须增强陶瓷复合材料。与未涂覆的陶瓷相比，绿叶WG-600提供高达30％的速度提高和最多3次的刀具寿命。绿叶WG-700是最新的晶须增强陶瓷基片。具有改进的韧性和独特的高速涂布，WG-700是理想的加工镍基和钴基高温合金等难切削材料的刀具。WG-700提供了高金属去除率，具有卓越的刀具寿命。

2.陶瓷刀具的选用陶瓷刀具主要是用于硬质合金刀具不能加工的普通钢和铸铁的高速切削加工以及难加工材料的加工。每一品种的陶瓷刀具都有其特定的加工范围：

（1）氧化铝基陶瓷材料刀具适应于加工各种钢材和各种铸铁，也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料，加工钢材优于氮化硅基陶瓷。但由于其基体含有Al元素，在加工铝及铝合金时存在较大的亲和力，刀具会出现较大的粘结磨损和扩散磨损，故不宜于加工铝合金。同样，Al2O3/TiC和Al2O3/（W，Ti）C的“黑色”陶瓷刀具中含有Al及Ti元素，在加工铝及铝合金和钛及钛合金时存在较大的亲和力，故不宜于加工铝和钛及其合金。SiCw颗粒或晶须SiCw增韧的Al2O3陶瓷刀具在加工镍基高温合金、纯镍和高镍合金时表现出优良的切削性能，但加工钢件时，SiCw很容易在切削高温作用下与钢料中的Fe发生反应而使SiCw晶须原有的硬度和耐磨性能降低，晶须与基体的结合强度削弱，刀具材料急剧磨损。所以，添加晶须SiCw增韧的Al2O3陶瓷刀具不适合于加工钢件和铸铁。

（2） Si3N4基陶瓷材料刀具的断裂韧性和抗热裂性高于氧化铝基陶瓷材料刀具，其在铸铁和镍基合金的切削加工中得到广泛的应用。Si3N4基陶瓷刀具高速切削铸铁时主要发生磨料磨损，而高速切削碳钢时主要发生化学磨损。由于Si3N4和Fe之间存在较大亲和力以及Si和Fe之间的相互扩散，Si3N4基陶瓷刀具不适合于对铁和碳钢等材料进行高速切削。Si3N4基陶瓷材料刀具最适于高速加工铸铁和高温合金。

赛隆（Sialon）陶瓷材料刀具最适于加工各种铸铁（灰铸铁、球墨铸铁以及冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等）和镍基高温合金，不宜用来加工钢材。

陶瓷刀具的正确使用注意要点有：
（1）机床的精度、刚性、振动性、刀具的夹持牢固性，以防破损和崩刃。
（2）根据被加工材料性质及特点，正确选用陶瓷材料的种类和牌号。
（3）为了发挥陶瓷刀具材料的抗压强度，陶瓷刀具一般采用负前角（－5o～－12o）。
（4）为了利用陶瓷刀具材料的耐热性与耐磨性，可尽量采用较大的切削参数。（来源：机械加工交流）