陶瓷刀具的性能及发展趋势

陶瓷刀具是以人造化合物为原料，在高压下成形、在高温下烧结而成的。它具有很高的硬度和耐磨性，耐热性高达1200℃以上，化学稳定性好，不易与金属产生粘接。现在，由于制造方法的改进，组织的微粒化、高密度化以及在其成分中加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和其他金属（如Ni、Mo）等，使得陶瓷刀具的抗弯强度、断裂韧度和抗冲击性能都显著提高。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。

1.陶瓷刀具材料性能

（1）具有很高的硬度和耐磨性 陶瓷刀具材料的高温硬度达91～95HRA，而硬质合金的硬度在89～94HRA之间。陶瓷刀具材料的切削速度比硬质合金快5～10倍，耐磨性是一般硬质合金的4倍以上，因而具有很高的刀具寿命。其在加工高硬度、高耐磨性的难加工材料方面具有明显的优势。

（2）高温性能好 陶瓷刀具材料在760℃的高温下切削时，硬度为87HRA，在1200℃的高温下硬度为80HRA，此时仍能进行切削。陶瓷刀具具有很好的高温力学性能，在高温下的抗弯强度变化不大，在高温下的抗压强度也很好，即在高温下不易变形失效。陶瓷刀具良好的高温性能为加工高硬度、高耐磨性的难加工材料奠定了坚实基础。

（3）化学稳定性好以及与金属的亲和力小 在高温下，陶瓷材料有很高的化学稳定性，与钢不发生任何化学作用和粘结，也不易高温氧化，适于加工高硬度、高耐磨性的难加工材料，并可提高切削速度。

（4）摩擦因数小 陶瓷材料在切削加工时的摩擦因数小于硬质合金材料，可降低切削力和切削温度，对保持其高硬度和抗弯强度等很有利，且切削不易粘结，不易产生积屑瘤，故加工表面质量好。

陶瓷材料刀具的缺点是抗弯强度和冲击韧度低，脆性大，热导率低，承受冲击载荷的能力低。在冲击力和高温急变时，陶瓷材料刀具易产生裂纹甚至碎裂。

2.陶瓷刀具的种类

（1）氧化铝基陶瓷刀具 最早出现的是纯氧化铝陶瓷，其主要成分为氧化铝及微量用于细化晶粒的氧化镁，经冷压烧结而成，硬度为92～94HRA，抗弯强度和韧性较低，使用范围较小。随后，在此基础上研制出复合氧化铝陶瓷，即在Al₂O₃基体中添加诸如TiC、Ni和Mo等合金元素，经热压成形，硬度达到93～94HRA，其强度、硬度和韧性均有较大幅度的提高，切削速度及进给量都有明显的增加，使用范围迅速扩大。由于研发技术的不断成熟，出现了在Al₂O₃中添加TiB₂、TiC、SiC等的陶瓷刀具，其各项性能进一步提高，广泛应用于碳钢、合金钢和铸铁的精加工或半精加工。表1-5列出了国内典型氧化铝基陶瓷刀具材料的性能。

表1-5 国内典型氧化铝基陶瓷刀具材料的性能(www.xing528.com)

（2）氮化硅基陶瓷刀具 最早出现的是Si₃N₄陶瓷刀具，此种刀具热膨胀系数低，化学稳定性好，抗热冲击性能好。其热稳定性和抗热裂性高于Al₂O₃刀具，适用于高速加工铸铁及铸铁合金、冷硬铸铁等高硬度材料。随后研制出Si₃N₄/TiC陶瓷刀具，这种刀具具有优良的耐磨性、热硬性和抗热冲击性。在Si₃N₄基体中添加TiC，进一步提高了切削性能，刀具寿命是硬质合金刀具的十几倍。随着研发技术的不断成熟，国际上又出现了Sia-lon陶瓷刀具。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。在组织里添加了Y₂O₃，使组织致密化。Sialon陶瓷刀具具有良好的综合性能，具有很高的强度和韧度，主要用于加工铸铁、镍基合金等难加工材料。

（3）新型陶瓷刀具材料 目前已开发出许多新型陶瓷刀具材料，如纳米复合陶瓷刀具、晶须增韧陶瓷刀具、梯度功能陶瓷刀具、粉末涂层陶瓷刀具和自润滑陶瓷刀具等。

3.陶瓷刀具几何角度的选择

常用陶瓷刀具前角、后角、主偏角和刃倾角，可根据工件材料、工艺系统情况等因素进行选择。

（1）前角 陶瓷刀具一般采用负前角进行切削，通常随工件材料硬度的不同，宜选用前角的大小为-10°～-5°。

（2）后角 陶瓷刀具的推荐后角大小一般为5°～12°。车削高硬度铸铁和淬硬钢时，一般选择较大的后角，其范围为8°～10°。

（3）主偏角 主偏角的大小主要是根据工艺系统的刚度来选择，一般取30°～75°。车削细长工件时，为了减小背向力和变形，应选择较大的主偏角，一般取45°～75°。加工各种喷涂和焊接材料时，为了减小刀具磨损，增加切削刃与加工面的接触宽度，应选用较小的主偏角，一般取25°～30°。

（4）刃倾角 陶瓷刀具加工钢和铸铁，尤其是切削高硬度材料和断续切削时，均采用负刃倾角。一般推荐为-10°～0°。