陶瓷材料在机械加工中的应用及优势

陶瓷是无机非金属固体材料的一种，大体可分为普通陶瓷（传统陶瓷）和特种陶瓷两大类。

普通陶瓷采用天然原料如长石、黏土和石英等烧结而成。这类陶瓷按性能特征和用途，可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。

特种陶瓷是指各种新型陶瓷，采用高纯度人工合成的原料，并具有某些特殊性能，以适应各种需要。按特种陶瓷用途的不同，可将其分为高温陶瓷、高硬度陶瓷、功能陶瓷等。根据特种陶瓷主要组成的不同，可将其分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等。

1.陶瓷的性能特点

（1）力学性能 陶瓷是各类材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上，因此陶瓷作为超硬耐磨材料特别适宜。机械工业中广泛应用的陶瓷刀具，可用于加工高硬度、难加工材料，以及进行高速切削和加热切削等加工。陶瓷在常温下的应力-应变曲线通常只有弹性变形，而不出现塑性变形，实际情况是在塑性变形以前它就发生脆性断裂，如图9-1a所示。由图9-1a可见，陶瓷在常温下的抗拉强度较低，塑性和韧性差，但陶瓷的抗压强度较高，可以用作承受压应力的构件。陶瓷在高温下可以测出一定的塑性，如图9-1b所示。

图9-1 陶瓷材料的应力-应变曲线比较

a）陶瓷与金属的应力-应变曲线比较 b）陶瓷材料在高温与常温下的应力-应变曲线比较

（2）热性能 陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上），且在高温下具有极好的化学稳定性，所以陶瓷可以制作耐火砖、耐火泥、耐火涂料等，刚玉（Al₂O₃）还能制成耐高温的坩埚；陶瓷的导热性低于金属材料，所以陶瓷还是良好的隔热材料；陶瓷的线胀系数比金属低，因此当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。

（3）电性能 大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电压（1～110kV）的绝缘器件。铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO₃）具有较高的介电常数，可用于制作电容器；铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为机械能（具有压电材料的特性），可制作扩音机、电唱机、超声波仪、声呐、医疗用声谱仪等；少数陶瓷还具有半导体的特性，可制作整流器。

（4）化学性能 陶瓷在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的耐蚀能力。

此外，陶瓷还有独特的光学性能，可制作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器。透明陶瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷（如MgFe₂O₄、CuFe₂O₄、Fe₃O₄）在录音磁带、唱片、变压器铁心、大型计算机记忆元件方面有着广泛的应用前途。

2.常用工业陶瓷及应用

工业陶瓷主要用于制作工模具、耐高温元件、耐磨元件、绝缘材料、高硬度耐磨材料及各种功能材料等。常用的工业陶瓷种类、特性、主要组成及用途见表9-3。

表9-3 常用的工业陶瓷种类、特性、主要组成及用途

（1）工具陶瓷 能用于制作工模具的陶瓷很多，典型的有硬质合金、氮化硼、金刚石、氧化铝等。作为切削刀具，由于高速切削将使刀具温度升高，若刀具因温度升高而软化，则将失去正常工作的效能。各种刀具材料软化低于55HRC时的温度如图9-2所示。(www.xing528.com)

图9-2 各种刀具材料软化低于55HRC时的温度

硬质合金是将一种或几种难熔金属的碳化物（如WC、TiC、TaC等）粉末和起黏结作用的金属（如钴、镍等）粉末混合，经压制成形，再经过1400～1500℃高温烧结而成的一种金属陶瓷。

硬质合金常温下的硬度可达86～93HRA（相当于69～81HRC），热硬性可达900～1 000℃，抗压强度可达6 000MPa，常温下工作时，不会产生塑性变形，900℃时抗弯强度也可达到1 000MPa左右。但硬质合金脆性大，韧性低，抗拉强度低，很难被切削加工，因此，常将其制成一定形状的刀片，镶嵌或焊接在钢制的刀体上使用。用硬质合金加工工件，其切削速度比高速工具钢提高5～7倍，刀具寿命可提高几十倍。用硬质合金制作的模具，其使用寿命比工具钢高20～150倍。

根据用途分类，硬质合金可分为切削加工用硬质合金（GB/T 18376.1—2008）、矿山工具用硬质合金（GB/T 18376.2—2014）、耐磨零件用硬质合金（GB/T 18376.3—2001）。

切削加工用硬质合金又可以分为P、M、K、N、S等几种类别，分别表示长切屑加工用硬质合金、长切屑或短切屑加工用硬质合金、短切屑加工用硬质合金等。切削加工用硬质合金的分类分组代号表示规则为：类别符号（P、M、K、N、S）+组别号（二位数字），如P01、M10、K20等。同一类别中组别号数字越大，强韧性越好，但硬度、耐磨性下降。

硬质合金可制作车刀、铣刀、钻头、镗刀、铰刀等。一般“P”类硬质合金刀具，主要用于加工非合金钢、合金钢等韧性材料；“K”类硬质合金刀具，主要用于切削铸铁、非金属等脆性材料；“M”类硬质合金刀具，可用于加工各种钢材（特别是不锈钢、耐热钢、高锰钢等难切削的材料），也可用于加工铸铁等脆性材料。硬质合金还可用于制造模具，如拉丝模、冷冲模和冷挤压模具等。

常用切削加工用硬质合金组别代号、基本组成、力学性能及用途见表9-4。

表9-4 常用切削加工用硬质合金组别代号、基本组成、力学性能及用途

①旧牌号中还有WC-Co硬质合金，如YG3、YG6、YG8等。

除硬质合金外，金刚石（C）是目前自然界中最硬的材料，也可用于制作钻头、刀具、拉丝模、修整工具等，广泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、宝石、玛瑙等的加工。用金刚石工具进行超精加工可达镜面光洁度，但金刚石与铁族金属具有强的亲和力，故不能加工铁基和镍基合金；立方氮化硼（CBN）的硬度仅次于金刚石，而热稳定性和化学稳定性比金刚石好，可对淬火钢、耐磨铸铁、镍基合金等难加工材料进行切削加工。

（2）结构陶瓷 这类陶瓷主要用于燃气轮机、发动机的高温零件。目前，铁基、镍基耐热合金最高使用温度不超过1 100℃，影响了发动机推力的提高。但Al₂O₃、Si₃N₄、SiC等陶瓷材料的使用温度可超过1400℃，并且具有较小的热膨胀系数及较好的韧性。陶瓷材料比合金具有更高的热强度和热稳定性，从而可提高零件的使用寿命。

1）氧化铝陶瓷：主要组成物为Al₂O₃（刚玉），一般刚玉的质量分数大于45%。氧化铝陶瓷具有各种优良的性能（耐高温、耐腐蚀、高强度），用途极为广泛，可用于制作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、刀具（精密切削、切削淬火钢和冷硬铸铁）、热电偶套管、金属拉丝模、密封环等。

2）氮化硅陶瓷：主要组成物是Si₃N₄。这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，线胀系数在各种陶瓷中最小，使用温度高达1400℃，具有极好的耐蚀性，除氢氟酸外，能耐其他各种酸的腐蚀，能耐碱、耐各种金属的腐蚀，并具有优良的电绝缘性和耐辐射性，可用于制作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管、金属切削刀具（用于加工淬火钢、冷硬铸铁、钢结硬质合金、镍基合金）等。

3）碳化硅陶瓷：主要组成物是SiC。这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷，在1 200～1 400℃使用仍能保持高的抗弯强度，是目前高温强度最高的陶瓷。碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度，是良好的高温结构材料，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料；利用它的高硬度和耐磨性可制作砂轮、磨料等。