陶瓷刀具材料的特点与应用

陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点很高的Al₂ O₃、Si₃ N₄等氧化物、氮化物，再加入少量的碳化物或金属等添加剂，经制粉、压制、烧结而成。

国家标准GB/T 2075—1998对于陶瓷材料分类代号规定见表3-9。示例：CA-K05H表示加工带短切屑的硬金属材料的未涂层氧化物陶瓷。

表3-9 陶瓷材料分类代号

1.氧化铝基陶瓷

（1）纯氧化铝陶瓷 其中Al₂ O₃的成分在99.9%以上，多呈白色，俗称白陶瓷。我国成都工具研究所生产的P1牌号属于这一类。它的耐磨性好，用于切削灰铸铁有较好效果，也可切削普通碳钢。但因其强度低，抗热振性及断裂韧性较差，切削时易崩刃，故目前已被其他Al₂ O₃复合陶瓷取代。

（2）氧化铝-碳化物系复合陶瓷 它是在Al₂ O₃基体中加入TiC、WC、Mo₂ C、TaC、NbC、Cr₃ C₂等成分经热压烧结而成，但使用最多的是Al₂ O₃-TiC复合陶瓷。随着TiC含量（30%～50%）的不同，其切削性能也有差异。这类陶瓷主要用于切削淬硬钢和各种耐磨铸铁。我国生产的牌号有M16、SG3、SG4和AG2等，后两种牌号中还含有WC的成分。

（3）氧化铝-碳化钛-金属系复合陶瓷 它是在Al₂ O₃-TiC陶瓷中加入少量的粘结金属，如Ni和Mo等，可提高Al₂ O₃与TiC的连结强度，及其使用性能，故可用于粗加工。这类陶瓷又称金属陶瓷。我国生产的牌号有AT6、LT35、LT55、M4、M5、M6、LD-1等。用于切削调质合金钢时的切削速度可达一般硬质合金刀具的13倍，刀具寿命为硬质合金刀具的600倍。由于含有金属成分，所以能用电加工切割成任意形状。同时，用金刚石砂轮刃磨时，能获得较好的表面质量。

（4）Al₂ O₃-SiC晶须增韧陶瓷 它是在Al₂ O₃陶瓷基体中添加20%～30%的SiC晶须（是一种直径小于0.6_μm，长度为1080μm的单晶，具有一定的纤维结构，其抗拉强度为7GPa，抗拉弹性模量超700GPa）而成。SiC晶须的作用犹如在钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物，使材料韧性大幅度提高，断裂韧度可达9MPa·m¹/2，可有效地用于断续切削及粗车、铣削和钻孔等工序中，适于加工镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料。我国生产的JX-1、AW9、SG5及美国WG300、Kyon250与瑞典Sandvik公司CC670等牌号均属于这一类。

（5）Al₂ O₃/（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。如山东工业大学开发的FG2刀片就属这一类。用其加工钢铁材料时的刀具寿命可比SG4（Al₂ O₃-TiC复合陶瓷）高11倍，并且刀具有很好的自砺性，崩刃后仍能进行正常切削。

2.Si₃N₄基陶瓷

Si₃ N₄陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，其硬度可达1800～2000HV，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，尤其适用于大进给量或断续切削。由于纯Si₃ N₄陶瓷刀具在切削长切屑金属（如软钢）时，极易产生月牙洼磨损，所以新一代Si₃ N₄陶瓷均为复合Si₃ N₄陶瓷刀具。新开发的Si₃ N₄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，例如日本京陶公司的KS6000牌号。目前Si₃ N₄基陶瓷刀具的崩刃率为2%～3%，与硬质合金相当，因此已可在生产线上应用。Si₃ N₄基陶瓷刀具的缺点是磨加工性比普通陶瓷差。(www.xing528.com)

（1）Si₃ N₄-TiC-Co复合陶瓷 其韧性和抗弯强度高于Al₂ O₃基陶瓷，而硬度却不降低，热导率也高于Al₂ O₃基陶瓷，故在生产中应用比较广泛。我国生产的牌号有FD02、SM、HDM1、N5等。

（2）Si₃ N₄晶须增韧陶瓷 它是在Si₃ N₄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性。如北京方大高技术陶瓷有限公司生产的FD03刀片及湖南长沙工程陶瓷公司生产的SW21牌号均属这一类。FD03刀片是在Si₃ N₄陶瓷基体中加入了硬质弥散颗粒TiC，SW21刀片是在Si₃ N₄中加入了一定量的SiC晶须，故有较好的使用性能。国外一些切削专家认为，用Si₃ N₄基陶瓷切削钢材效果不如Al₂ O₃基复合陶瓷，故不推荐用其加工钢材。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬钢（60～68HRC）、高锰钢、高铬钢和轴承钢时有较好的效果。

（3）Si₃ N₄-Al₂ O₃-Y₂ O₃复合陶瓷 它是以Si₃ N₄为硬质相，Al₂ O₃为耐磨相，并添加少量的助烧结剂Y₂ O₃经热压烧结而成，常称赛隆（Sialon）。如美国生产的Sialon牌号KY3000，其成分为：77%Si₃ N₄，13%Al₂ O₃，10%Y₂ O₃，其硬度达1800HV，抗弯强度达1.2GPa。美国Greeleaf公司生产的Grem4B和瑞典Sandvik公司CC680刀片，以及我国生产的TP4、SC3等均是赛隆陶瓷。KY3000陶瓷刀片在高速下切削镍基高温合金时，其材料切除率是涂层硬质合金刀具的7倍。它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）来加工铸铁。

3.陶瓷刀具材料的新品种

（1）纳米金属陶瓷刀具 这是合肥工业大学材料学院新近开发出的一种新型氧化铝基陶瓷刀具。它是在传统的Al₂ O₃-TiC金属陶瓷中加入纳米材料TiN（氮化钛）和AlN（氮化铝）改性而成，从而可细化晶粒、优化材料力学性能。使用表明，这是一种高技术含量、高附加值的新型刀具，可部分取代K20（YG8）、P10（YT15）等硬质合金刀具，刀具寿命可提高2倍以上，而生产成本则与K20（YG8）刀具相当。

（2）涂层氮化硅陶瓷刀具 Si₃ N₄基陶瓷的韧性优于Al₂ O₃基陶瓷，但其耐磨性稍差。切削铸铁时，Si₃ N₄陶瓷刀具的后刀面磨损大于Al₂ O₃陶瓷刀具；切削钢料时，Si₃ N₄陶瓷刀具的月牙洼磨损较大。为此，国外在Si₃ N₄基陶瓷表面上施以TiN、TiC、Ti（C，N）和Al₂ O₃等涂层，可单涂层，也可多涂层。经涂层后的氮化硅刀具其磨损量为未涂层的1/3，在加工普通铸铁的切削速度可达200～1000m/min，且寿命更长。例如，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0.4mm/r，切削速度为500m/min。Seco日本公司的涂层Si₃ N₄陶瓷刀具，切削钢材时抗月牙洼磨损的能力强，其切削速度可达Al₂ O₃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，可使材料切除率大大提高。

（3）TiB₂基陶瓷刀具 这是美国佐治亚州理工学院利用自扩散高温合成工艺（Self-propagating High-temperature Synthesis-process，SHS）研制出的一种新型陶瓷刀具，其商品名为Advanced TiB₂。它的硬度是氮化硅的2倍，密度是硬质合金的1/3，而显微硬度则比硬质合金高（900～1000）HV，其切削性能介于硬质合金和超硬材料CBN之间，用其铣削和车削黑色和有色金属、硬度大于52HRC的淬硬钢和高温合金等材料时，刀具寿命可比现有的硬质合金刀具长56倍。

此外，近几年来ZrO₂基陶瓷刀具的性能提高也取得了重要进展。ZrO₂基陶瓷适于加工各种铝合金，包括硅含量高的硅铝合金。所以有人认为，TiB₂基陶瓷、ZrO₂基陶瓷与现在已在使用的Si₃ N₄基陶瓷一样，有可能成为未来使用的主要刀具陶瓷材料。

4.陶瓷刀具材料的正确选用

要根据被加工材料性质及加工特点正确选择陶瓷刀具材料的种类和牌号。不同种类的陶瓷刀具材料有着不同的应用范围。氧化铝（Al₂ O₃）基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、淬硬钢等）和各种铸铁，也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料，但它不宜用来加工铝合金和钛合金，否则容易产生化学磨损。Si₃ N₄基陶瓷加工范围与氧化铝基陶瓷类似，它最适于高速加工铸铁和高温合金，一般不宜用来加工产生长切屑的钢料（如正火和热轧状态）。赛隆（Sialon）陶瓷最适于加工各种铸铁（灰铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等）和镍基高温合金，不宜用来加工钢料。

目前，陶瓷刀具主要应用于车削、镗削和端铣等精加工和半精加工工序，最适于加工淬硬钢、高锰钢、高强度钢和高硬度铸铁，切削效果比硬质合金有显著提高，加工一般硬度的钢材与铸件，效果没有上述显著。