如何正确选用陶瓷刀具材料

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陶瓷刀具材料是一种先进的切削刀具材料，因其优良的切削性能和高性价比而备受青睐。本文介绍了近十几年来发展迅速的陶瓷刀具材料的性能及品种，并针对不同类型陶瓷刀具材料的性能优劣，给出选用建议。
潜质巨大的新型刀具材料
    随着现代科学技术和生产的发展，各种新型的难加工材料在产品中大量应用，传统的硬质合金刀具已难以满足生产需要，而陶瓷刀具则以其优异的耐热性、耐磨性、良好的化学稳定性和高性价比而受到了人们的青睐。尤其是在高速切削领域和难加工材料方面，显示出了传统刀具无法比拟的优势。
    利用陶瓷刀具加工普通钢、铸铁、淬硬钢、高锰钢、镍基高温合金、粉末冶金烧结件、玻璃钢和各种工程塑料等难加工材料时，刀具寿命可比硬质合金刀具高几倍甚至十几倍。在生产中它不但能用于一般的车、镗和铣削加工，而且已成功地用于孔加工刀具上；除可在普通机床上使用外，也能有效地用于数控机床和加工中心等高效设备上，被国际上公认为是当代提高生产效率最有潜质的一种刀具。此外，与金刚石和立方氮化硼等超硬刀具相比，陶瓷刀具的价格相对较低（陶瓷刀具的主要原料氧化铝、氧化硅等是地壳中最丰富的成份，取之不尽，用之不竭），因此，有人认为：“随着现代陶瓷刀具材料性能的不断改进，今后它将与涂层硬质合金刀具、金刚石和立方氮化硼等超硬刀具一起成为高速切削、干切削和硬切削的三种主要刀具。”图1所示为用陶瓷刀具以硬车削出的而不是磨削出的渗碳淬硬传动齿轮（57 HRC～59 HRC）的同步圆锥部分、内孔和背面的应用实例。
陶瓷刀具材料的性能优劣
    与硬质合金刀具相比，陶瓷刀具硬度高达92～95 HRA，耐磨性好，在相同条件下加工钢料时，它的磨损仅为P10(YT15) 硬质合金刀具的1/15，刀具寿命长。同时，陶瓷刀具与钢铁等金属材料的亲和力小，摩擦系数低，抗黏结和抗扩散能力强，切削时不易黏刀及产生积屑瘤，加工表面质量好。陶瓷刀具的耐热性也很好，在1,200℃时仍能保持80HRA左右的高硬度，所以适合在高温下进行高速切削和干切削，而价格又远低于切削性能与之相近的金刚石和立方氮化硼刀具。
    陶瓷刀具的主要缺点是抗弯强度、断裂韧度和弹性模量低，脆性大。长期以来主要作为精加工刀具，占各类刀具材料中的比重很小。但近十几年来，由于材料科学和制造技术的进步，通过控制原料纯度和晶粒尺寸，采用了热压和热等静压烧结工艺等方法（用热压烧结制成的陶瓷，其强度和硬度都比过去冷压法好；而用热等静压法制成的陶瓷，其组织致密，强度更高﹐抗崩刃性能好），添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善陶瓷的性能，并通过颗粒、晶修、相变、微裂纹和几种增韧机制的协同作用提高其断裂韧度和强度，不仅使陶瓷的抗弯强度提高到0.9～1.0 GPa（最高可达1.3～1.5 GPa，已与硬质合金相当），而且使其抗冲击性能也有很大提高，应用范围日益扩大，除可用于一般精加工与半精加工外，还可用于冲击负荷下的粗加工。
陶瓷刀具材料的品种分类
    现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷，目前国内外广泛使用的陶瓷刀具材料以及正在开发的陶瓷刀具材料，采取不同的增韧补强机制来进行显微结构设计的，其中以氧化铝（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4 ）基陶瓷刀具材料的应用最广泛。
氧化铝（Al2O3）基陶瓷刀具材料
纯氧化铝陶瓷
    纯氧化铝陶瓷中的Al2O3成份占99.9%以上，多呈白色，俗称白陶瓷。这是早期使用的陶瓷，由于其强度低，抗热振性及断裂韧性较差，切削时易崩刃，只适用于300HBW以下的铸铁和钢的连续表面粗加工和半精加工，使用范围非常有限，故目前已被其它各种Al2O3基复合陶瓷所取代。
氧化铝-碳化物系复合陶瓷
    它是在Al2O3基体中加入TiC或SiC等成份经热压烧结而成的陶瓷，是目前国内外使用最多的陶瓷刀具材料之一。氧化铝-碳化物系复合陶瓷适于加工各种钢材（碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、轴承钢、不锈钢、淬硬钢等）和各种铸铁（包括冷硬铸铁、高铬铸铁等），也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料；加工钢优于Si3N4 基陶瓷刀具；但它不宜用来加工铝合金、钛合金和钽合金，否则容易产生化学磨损。
纳米金属陶瓷刀具
    它是在传统的Al2O3 / TiC金属陶瓷中通过加入纳米材料TiN（氮化钛）和AlN（氮化铝），经改性而成的一种新型Al2O3基陶瓷刀具，可细化晶粒和优化材料力学性能。使用表明，这是高技术含量及高附加值的新型刀具，可部分取代K20（YG8）、P10（YT15）等面广量大的硬质合金刀具，刀具寿命可提高2倍以上，生产成本则与K20（YG8）刀具相当或稍低。目前，纳米陶瓷及纳米复合陶瓷刀具已成为高技术陶瓷材料研究开发的一个前沿领域。
Al2O3 / SiCw晶须增韧陶瓷
    在Al2O3陶瓷基体中添加20%～30% SiCw晶须（是直径小于0.6μm，长度为10～80μm的单晶，具有一定的纤维结构，抗拉强度为7 GPa，抗拉弹性模量超过700 GPa）而成的Al2O3 / SiCw晶须增韧陶瓷，可有效地用于断续切削及粗车、铣削和扩孔等工序，适于加工镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料。SiCw晶须作用类似钢筋混凝土中的钢筋，能成为阻挡或改变裂纹发展的障碍，使其韧性大幅度提高。
Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷
    它是通过控制陶瓷材料的组成分布以形成合理的梯度，从而使刀具内部产生有利的残余应力分布来抵消切削中的外载应力。具有表层热导率高、有利于切削热的传出、热膨胀系数小、结构完整性好、不易破损等特点。用其加工钢铁材料时的刀具寿命可比同类Al2O3/（W, Ti）C复合陶瓷SG-4高1～1.5倍，并且刀具有很好的自砺性，崩刃后仍能进行正常切削。
Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等复合陶瓷
    在Al2O3中添加TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的陶瓷可进一步提高材料的物理机械性能和切削加工性能，其中以Al2O3 / TiB2和Al2O3 / ZrO2使用较多。如用Al2O3/ TiB2陶瓷刀具加工40CrNiMoA钢时，刀具寿命为Al2O3/ TiC刀具的3倍，加工4Cr5MoVSi钢时，刀具抗边界磨损能力为Al2O3 / TiC刀具的2倍。而Al2O3 / ZrO2陶瓷刀具材料的断裂韧度、强度和耐磨性高，抗崩刃性能好。如用CC620刀片粗车和半精车铸铁和球墨铸铁等材料，切削速度可达900 m/min；用于加工合金钢时，粗车切削速度可达200 m/min，精车切削速度可达800 m/min。

氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料
    Si3N4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，其硬度可达1,800～2,000 HV，热硬性好，能承受1,300～1,400℃的高温，与碳和金属元素化学反应较小，摩擦系数也较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于大进给量或断续切削。由于纯Si3N4 陶瓷刀具在切削长切屑（如软钢）时极易产生月牙洼磨损，所以新一代Si3N4 陶瓷均为Si3N4 复合陶瓷刀具。最新的Si3N4 复合陶瓷不仅可用于粗加工，而且可用于断续切削和有冷却液的切削。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率为2%～3%，与硬质合金相当，可以大量应用于生产线。该类陶瓷刀具的缺点是加工性比普通Al2O3陶瓷差。
Si3 N4 / TiC复合陶瓷
    其韧性和抗弯强度高于Al2O3基陶瓷，而硬度却不降低；热导率亦高于Al2O3基陶瓷，故在生产中应用比较广泛。
Si3 N4 / SiCw晶须增韧陶瓷
    它是在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成，从而可提高陶瓷刀具的断裂韧度。中国生产的牌号有SW21（Si3N4/ SiCw）与FD03（Si3N4/TiCw）等。一些国外切削专家认为，用Si3N4基陶瓷切削钢材的效果不如Al2O3 基复合陶瓷，故不推荐用其加工钢材。但用FD03刀片切削淬硬钢（60～68HRC）、高锰钢、高铬钢和轴承钢时也有较好的效果。
赛阿龙（Sialon）陶瓷
    它是以Si3N4为硬质相，Al2O3 为耐磨相，并添加少量助烧结剂Y2O3，经热压烧结而成，常称赛阿龙（Sialon）。Sialon实际上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置换所形成的一大类固溶体的总称，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3种，尤以前两种最为常见。这种陶瓷的抗弯强度和断裂韧度较高，抗氧化能力和高温抗蠕变能力好，热导率高，热膨胀系数小，抗热振性好，适于粗车及铣削铸铁和镍基高温合金等难加工材料。除能采用较大的进给量及切削速度高速加工铸铁和高温合金外，并可在面铣刀上采用双正前角（侧前角和背前角均为正值）。
涂层Si3N4陶瓷刀具
    Si3N4基陶瓷的韧性优于Al2O3基陶瓷，但其耐磨性稍差。切削铸铁时，Si3N4陶瓷刀具的后刀面磨损大于Al2O3陶瓷刀具；切削钢料时，Si3N4陶瓷刀具的月牙洼磨损较大。为此，国外在Si3N4基陶瓷表面上施以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等涂层，可单涂层，也可用多涂层。经涂层后的Si3N4陶瓷刀具磨损量为未涂层的1/3，使加工普通铸铁的切削速度达到200～1,000 m/min，并且刀具寿命更长。比如Sandvik公司的GC1690涂层氮化硅陶瓷刀具，在加工高强度灰铸铁时的进给量达0.4 mm/r，切削速度为500 m/min。山高（Seco）刀具公司的涂层氮化硅陶瓷刀具，切钢时抗月牙洼磨损的能力强，其切削速度可达Al2O3基陶瓷刀具的切削速度，但进给量却大于后者而接近涂层硬质合金刀具，使材料切除率大大提高。
如何选用陶瓷刀具材料
    目前，Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷均已成功地用于制作车刀、镗刀和铣刀等的切削部分材料。陶瓷刀具的结构目前大多采用机夹可转位刀片的结构形式。刀片的形状有三角形、正方形、长方形、棱形和圆形等。
    陶瓷刀片材料的品种多达几十种，不同种类的陶瓷刀片有着不同的应用范围，故须正确选择刀具陶瓷的种类与牌号，使其与被加工材料相“匹配”。除需要满足技术要求外，还应满足经济和环保性能的要求。
    氧化铝（Al2O3）基陶瓷具有良好的耐磨性、耐热性，且其高温化学稳定性好，不易与铁元素之间发生相互扩散或化学反应，其耐磨性和耐热性均高于氮化硅（Si3N4）基陶瓷刀具，所以Al2O3基陶瓷刀具的应用范围最广，适于对钢材、铸铁及其合金的高速切削加工；加工钢优于Si3N4 基陶瓷刀具；但它不宜用来加工铝合金、钛合金和钽合金，否则容易产生化学磨损。
    氮化硅（Si3N4）基陶瓷刀具的断裂韧性和抗热振性高Al2O3基陶瓷刀具，最适于断续加工铸铁和高温合金等材料，一般不宜用来加工产生长切屑的钢材（如正火和热轧状态），用Si3N4基陶瓷刀具切削45号钢时的刀具磨损比切削灰铸铁时高得多。
    赛阿龙（Sialon）陶瓷最适于加工各种铸铁（如灰铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等）和耐热合金，通常不推荐用其加工钢材。
    Inconel 718（GH169）镍基合金是典型的难加工材料，具有较高的高温强度、动态剪切强度，热扩散系数较小，切削时易产生加工硬化，导致刀具切削温度高、磨损速度加快。Al2O3 / SiCw晶须增韧陶瓷适合于加工硬度低的镍基合金，当切削速度为100～300 m/min时可获得较长的刀具寿命；ISCAR公司生产的一款IW7晶须增韧陶瓷（Al2O3 / SiCw）新牌号，来自加工Inconel 718、镍基耐热合金等高温合金材质涡轮盘的报告显示，相比于其它陶瓷刀片，切削性能和刀具寿命均有明显提高。Si3N4基陶瓷也可用于Inconel 718合金的加工。而Sialon陶瓷的韧性高，适合于切削经过固溶处理的Inconel 718（45HRC）合金。
    此外，航空航天用的Kevlar和石墨类复合材料，用陶瓷刀具可实现切削速度300 m/min左右的高速切削加工。
    必须指出，陶瓷刀片不像硬质合金那样在国际上有统一的分类，各生产厂都有各自的品种与牌号，不同厂生产的同类刀片性能上也有一定的差异，使用时须参照厂家产品样本来选择。为此，刀片牌号选定后必须在机床上先进行试切削，合格后方可以正式应用。
陶瓷刀具的应用建议
    陶瓷刀具改变了传统的机械加工工艺，解决了生产中以前很多难以解决的加工问题。目前广泛应用于机械、治金、矿山、高速列车、风电、汽车、拖拉机、轴承、水泵、交通、能源、精密仪器、航空航天等行业并取得了显著的经济效益。
    中国在陶瓷刀具的研究与开发方面具有优势，早在20世纪50年代就已在生产中使用。例如，中国开发的陶瓷与硬质合金复合刀片（FH系列），工件表面既有陶瓷材料高的硬度与耐磨性，而基体又有硬质合金较好的抗弯强度，其等效抗弯强度比同类陶瓷刀片平均提高20%，断裂韧度平均提高8.5%，而其抗破损能力提高更大，故能承受冲击负荷，并解决了陶瓷刀片镶焊困难等问题。此外，近几年国内外开发的刀具陶瓷新品种，比如适于加工各种铝合金（包括硅含量高的铝合金）的ZrO2基陶瓷、TiB2基陶瓷（硬度是氮化硅的2倍，其性能介于硬质合金和超硬材料CBN之间，用其加工淬硬钢和高温合金等材料时的刀具寿命可比硬质合金刀具长5～6倍），尽管它们的生产至今还未形成规模，但因性能优异﹐有广泛的用途，今后必将迅速发展。
    使用陶瓷刀具的机床必须具有高刚度、大功率、高转速和高精度特点，这样才能充分发挥陶瓷刀具材料的性能，取得好的经济效益。此外，装夹工件的夹具和夹紧装置，必须可靠性强，以免加工时产生振动，使刀具破损。必须指出的是，目前生产中不少机床设备还不能满足陶瓷刀具的加工要求，所以它们的潜力未能得到充分发挥，今后随着数控机床和加工中心等高效设备应用的增多，必将进一步推动陶瓷刀具的使用。
    由于陶瓷刀具材料的脆性较大，强度较低，故刀具前角通常取0°～-10°，后角5°～12°。为了提高切削刃强度，刃口上须磨出负倒棱，倒棱宽度可取b =0.1～0.8 mm，倒棱前角 -10°～-20°；刀尖需适当修圆，修圆半径r =0.2 ～1.0mm。但刀尖修圆半径和负倒棱越大，会使切削力增大，发生颤振的机会也增多。因此当机床—夹具—刀具—工件的系统刚性不足时，尤其是在加工细长工件时，不宜采用过大的刀尖半径和负倒棱。
    由于陶瓷刀具有良好的耐热性和耐磨性，故切削用量对刀具磨损影响比硬质合金刀具小。因此，切削时应根据被加工工件材料性质，在机床功率、工艺系统刚性和刀片强度允许前提下，尽量选用较大的背吃刀量（吃深）和切削速度进行切削，以充分发挥陶瓷刀具材料高温性能好的特点。而部分企业在使用陶瓷刀具时，认为采用较低切削速度可延长刀具的使用寿命。切削速度﹐车削普通钢和铸铁，一般Vc=200～600 m/min；加工硬度小65HRC的高硬度钢Vc=60～200 m/min；铣削钢和铸铁Vc=200～500 m/min；铣削耐热合金Vc=100～250 m/min，进给量0.05～0.08 mm/z 。

    陶瓷刀具的刃磨应在工具磨床上用夹具刃磨，以保证刃磨质量。刃磨陶瓷刀具目前大多采用树脂结合剂的金刚石砂轮，其磨削质量对刀具切削性能有很大影响。对于可转位陶瓷刀片，原则上是不重磨的，因为重磨后其刀片的装夹尺寸及定位尺寸都会发生变化，在CNC机床加工中就要重新调整进刀尺寸，以保证工件尺寸的一致性。但一些工厂为了降低消耗，物尽其用，也可在工具磨床或刀具刃磨机上用金刚石砂轮进行刃磨，粗磨选用F80～F120粒度号，精磨、细磨用F180～F400粒度号，浓度为50%～100%，硬度为K～P级。刃磨时的切削用量可取：磨削速度20～30m/s，磨削深度f =0.005～0.02 mm/双行程（粗磨时取大值，精磨、细磨时取小值），工作台速度为V =10～15 m/min。