陶瓷刀具材料有哪些 如何选用合适的陶瓷刀具材料

  摘要：陶瓷刀具所用的材料是一种先进的切削刀具材料，主要有氧化铝和氮化硅两种基材与其他材料复合组成的刀具，比如我们常见的黑色陶瓷刀就是氧化铝-碳化物系复合陶瓷。氮化硅基陶瓷材料常用于数字控制机床加工行业，由于良好的性能在加工行业存在广泛的应用。选择陶瓷刀具材料需要切削刀具材料与加工对象的力学、物理和化学性能相匹配。下面来了解一下陶瓷刀具材料的种类和选择吧！

  现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷。目前国内外普遍的使用的陶瓷刀具材料以及正在开发的陶瓷刀具材料，大多数都是组合，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。

  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。

  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，否则易产生化学磨损。

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  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，这是高技术上的含金量及高的附加价值的新型刀具，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，生产所带来的成本则与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。

  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。

  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、热线胀系数小、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，并且刀具有非常好的自砺性，崩刃后仍能做正常切削。

  在Al2O3中添加TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的陶瓷可进一步提升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。

  Si3N4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，其硬度可达1800-2000 HV，热硬性好，能承受1300-1400℃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，非常适合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。

  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。

  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。一些国外切削专家觉得，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。

  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其实就是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，热线胀系数小，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）。

  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更快，并且刀具寿命更加长。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。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。

  切削刀具与加工对象的力学性能匹配问题主要是指刀具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性能参数要相匹配。具有不一样力学性能的刀具材料所适合加工的工件材料有所不同。高硬度的工件材料，必须用更高硬度的刀具来加工，刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。陶瓷刀具优良的高温性能使其能够以高的速度进行切削，允许的切削速度可比硬质合金提高2～10倍。

  比如加工导热性差的工件时，应采用导热较好的刀具材料，以使切削热得以迅速传出而降低切削温度。

  切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配问题主要是指刀具材料与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散和溶解等化学性能参数要相匹配。材料不同的刀具所适合加工的工件材料有所不同。

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