陶瓷刀具的应用与发展

在现代化加工过程中，提高加工效率的最有效的方法是采用高速切削加工技术。随着人们对航空航天、汽车及武器装备制造技术的不断需求，对强度和精度要求的不断提高，陶瓷刀具因其优越的力学性能，被越来越多地应用在高速切削加工行业中。陶瓷刀具寿命长，换刀次数少，且陶瓷刀具主要原料为硅，在地球上资源丰富，在制造过程中更加环保，因此陶瓷刀具在金属切削和先进陶瓷材料领域的研究及应用前景非常广阔。
1. 陶瓷刀具的种类

陶瓷刀具是用特种陶瓷粉末材料高压研制而成。陶瓷刀具材料分为3大类：氧化铝系陶瓷、氮化硅系陶瓷及复合氮化硅—氧化铝系陶瓷。

（1）氧化铝系陶瓷刀具。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，氧化铝系陶瓷如图1所示，其中氧化铝系陶瓷刀具还有以下5种分类：①纯Al2O3基陶瓷刀具。②Al2O3——TiC陶瓷刀具。③Al2O3——ZrO2陶瓷刀具。④Al2O3——SiC晶须增强陶瓷刀具。⑤Al2O3——/（W，Ti）C梯度陶瓷刀具。

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（2）氮化硅系陶瓷刀具。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。此类陶瓷刀具主要是以MgO为添加剂的热压陶瓷。氮化硅陶瓷刀具主要原料是氮和硅，用它代替硬质合金，可节约大量W、Co、Ta和Nb等重要的金属，氮化硅系陶瓷刀具如图2所示。

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（3）复合氮化硅—氧化铝系陶瓷刀具。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。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）陶瓷刀具如图3所示。

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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）氧化铝基陶瓷刀具。氧化铝基陶瓷刀具适应于加工高速切削硬而脆的金属材料，如冷硬铸铁或淬硬钢，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；用于大件机械零部件切削及高精度零件切削加工。

氧化铝陶瓷刀具加工短、小零件，钢件断续切削Mg、Ti和Be等单质材料及其合金材料时效果较差，容易使刀具出现扩散磨损或发生剥落、崩刃等缺陷。还因其基体含有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、铝合金和钛、钛合金时存在较大的亲和力，故不宜于加工铝、钛及其合金。颗粒SiCw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发生反应而使晶须SiCw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。例如：山东大学陶瓷刀具LT55为Al2O3―TiC陶瓷刀具，允许切削温度高达1 800℃、切削速度高达900m/min，适用于多种钢（55HRC）和铸铁，特别适用于超高强度钢和超硬铸铁。北京清华紫光方大高技术陶瓷FD12为Al2O3+TiC陶瓷刀具，切钢件时的耐磨性好，适用于硬度<65HRC钢与铸铁的精加工。肯纳（Kennametal）刀具公司开发的KY1525为晶须增韧氧化铝陶瓷刀片，用于高温耐热合金精加工或通用加工，刀片耐磨性好。京瓷（Kyocera）公司的Al2O3——TiC复合陶瓷A65适于半精、精加工钢、铸铁高硬材料。黛杰（Dijet）公司开发的Al2O3陶瓷CA010适于铸铁、钢连续高速精加工；Al2O3——TiC复合陶瓷CA100适于铸铁钢连续车削；晶须SiCw增韧陶瓷刀具CA200可用于耐热合金、铸铁断续切削加工。

（2）氮化硅系陶瓷刀具。Si3N4刀具适合于铸铁、高温合金粗精加工及高速切削重切削，其切削寿命比硬质合金刀具高几倍至10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，可加工出良好表面质量，特别适合于车削容易形成积屑瘤的工件材料，如铸造硅铝合金等，在汽车发动机铸铁缸体等加工中应用越来越普遍。

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纯铁和碳钢等材料进行高速切削。Si3N4基陶瓷材料刀具最适宜高速加工铸铁和高温合金。例如：北京清华紫光方大高技术陶瓷FD05为Si3N4陶瓷刀具，抗热振性好，强度好，抗冲击性好，但不适于切削高强钢，适用于硬度<62HRC铸铁的毛加工、断续切削及高速大进给切削。肯纳（Kennametal）刀具公司开发的KY3500为纯氮化硅陶瓷，韧性最强，用于灰口铸铁大进给量加工，包括断续切削。伊斯卡（ISCAR）公司开发氮化硅刀具IS8主要成分包括Si3N4、Al2O3及Y2O3，特别适合于粗、半精加工铸铁，也可用于车削或铣削灰铸铁、球墨铸铁。京瓷（Kyocera）公司的KS500和KS6000都是Si3N4基陶瓷，前者适合于断续、高进给切削铸铁，也可用于湿切削；后者用于粗车高温合金。黛杰（Dijet）公司开发的Si3N4陶瓷刀具CS100主要用于铸铁连续或断续切削加工。

（3）复合氮化硅—氧化铝系陶瓷刀具。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，例如灰口铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁以及高合金耐磨铸铁等，不宜用来加工钢材。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。例如：肯纳（Kennametal）刀具公司开发的KY1310为Sialon陶瓷刀片，耐磨性极好，通常用于灰口铸铁高速连续车削加工，也可以车削硬化工件表皮。KY2100也为Sialon陶瓷刀片，耐磨性好，而且具有良好抗机械冲击能力，可用于高温合金通用加工。

3. 陶瓷刀具使用注意要点

（1）适于陶瓷刀具加工的机床必须具有良好的刚性、足够的功率、较高的转速和刀具的夹持牢固性，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（——5° ——12°）。

（4）为了利用陶瓷刀具材料的耐热性与耐磨性，可尽量采用较大的背吃刀量和较高的切削速度，但选择进给量应稍低些。

（5）陶瓷刀具对冲击和振动载荷比较敏感，系统刚性差是陶瓷刀具寿命降低或引起崩刃的主要原因。将刀片装在万能工具磨床上用金刚石砂轮磨出负前角，以减少冲击。

（6）在加工带有严重夹砂和砂眼的硬铸件前，最好用手砂轮对缺陷的部分进行修理或修正，这样可避免不必要的打刀，从而得到较好的加工效果。

4. 总结

随着新型刀具材料的不断出现，特别是陶瓷刀具材料的开发，研究得到了一些新的成果：Bernhard Karpuschewski研究出在真空热压烧结制得 TiB2——TiC复合陶瓷刀具材料，研究了纳米镍、钼添加剂和烧结升温速率对力学性能和粒度特征的影响。Guangming Zheng研究出赛隆Si3N4陶瓷梯度纳米复合陶瓷刀具，通过车削铬镍铁718 合金的试验后得到梯度陶瓷刀具的切削寿命之所以明显高于常用的刀具，归功于加强和优化刀具的梯度成分结构和增加纳米颗粒的大小。ZouBin研究出TiB2——TiC 复合粉末由TiB2——TiC 与乙醇用真空干燥制得，TiB2——TiC+8wt% 纳米镍复合陶瓷刀具材料采用真空热压烧结技术，烧结的不同阶段和不同时间对微观结构与力学性能都有影响。

陶瓷刀具材料已被认为是效率最高、最有发展前途的刀具材料。陶瓷刀具可以实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”以及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。随着各种新型陶瓷刀具材料的使用，必将促进高效机床及高速切削技术的发展，而高效机床、高速切削技术的推广与应用以及陶瓷刀具更环保，更省时、省电，从而带来经济与环境的双效益。

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