潛質(zhì)優(yōu)厚的新型刀具
陶瓷刀具有氧化鋁(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4)基兩大類，具有工效高、使用壽命長和加工質(zhì)量好等特點(diǎn)。過去由于抗彎強(qiáng)度低、脆性大，長期以來主要作為精加工刀具，占各類刀具材料中的比重很小。
但近幾年來，由于控制了原料純度和顆粒尺寸細(xì)化，添加各種碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善其性能，還可通過顆粒、晶須、相變、微裂紋和幾種增韌機(jī)理的協(xié)同作用提高其斷裂韌性，不僅使抗彎強(qiáng)度提高到0.9~1.0GPa(高的可達(dá)1.3-1.5GPa)，而且斷裂韌度和抗沖擊性能都有很大提高，應(yīng)用範(fàn)圍日益擴(kuò)大，除可用于一般的精加工和半精加工外，也可用于沖擊負(fù)荷下的粗加工，在國際上公認(rèn)為是提高生產(chǎn)效率*有潛質(zhì)的刀具。目前，陶瓷刀具能以200~1000m/min的切削速度高速加工鋼、鑄鐵及其合金等材料，刀具壽命比硬質(zhì)合金高幾倍、甚至幾十倍。如德國Guhring公司推出的RT200系列整體陶瓷鉆頭和陶瓷立銑刀，精加工切削速度為1000m/min。同時(shí)，它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的工藝概念發(fā)生變化，利用陶瓷刀具可直接以車、銑代替磨削（或拋）對(duì)淬硬零件加工，可用單一工序代替多道工序，大大縮短工藝流程。在生產(chǎn)中既能用于一般的車、鏜和銑削加工，更成功地用于精密孔的加工。除可在普通機(jī)床使用外，也能有效地用于數(shù)控機(jī)床等高效設(shè)備。與金剛石和CBN（立方氮化硼）等超硬刀具相比，陶瓷的價(jià)格相對(duì)較低，因此有人認(rèn)為：“隨著現(xiàn)代陶瓷刀具材料性能的不斷改進(jìn)，今后它將與涂層硬質(zhì)合金刀具、金剛石和CBN等超硬刀具一起成為高速加工三種主要刀具�！�
陶瓷刀具在中國的發(fā)展概貌
中國在陶瓷刀具的研究與開發(fā)具有優(yōu)勢，早在20世紀(jì)50年代就已在生產(chǎn)中使用，至今中國從事陶瓷刀具的科研和生產(chǎn)企業(yè)已有30多家，能夠生產(chǎn)20多個(gè)品種的氧化鋁基陶瓷(占總量的2/3)，10多個(gè)品種的氮化硅基陶瓷(占1/3)，帶孔和不帶孔刀片的生產(chǎn)能力也很強(qiáng)。其中，清華方大、山東工業(yè)大學(xué)、北京天龍、重慶渝倫、重慶利特高等高技術(shù)陶瓷有限公司及湖南長沙工程陶瓷公司生產(chǎn)的刀片，其性能已與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)，有些甚至更優(yōu)，而且有些品種是國外沒有的，如陶瓷與硬質(zhì)合金的復(fù)合刀片、梯度功能陶瓷刀片、納米金屬陶瓷刀片等。目前，陶瓷刀具已在中國的機(jī)械、冶金、礦山、汽車、拖拉機(jī)、軸承、水泵、交通、能源、精密儀器、航空航天等20多個(gè)行業(yè)的幾百家工廠推廣應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。例如一汽、二汽和石家莊水泵廠等單位都用陶瓷刀具切削難加工材料，一汽集團(tuán)在加工含硼和含磷的汽車缸套時(shí)，已實(shí)現(xiàn)了全部陶瓷刀具化，對(duì)提高工效和保證產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用。
陶瓷刀具的特性
陶瓷刀具與硬質(zhì)合金刀具相比，其硬度高(91-95HRA)，耐磨性好，在相同切削條件加工鋼料時(shí)，磨損僅為P10(YT15) 硬質(zhì)合金刀具的1/15，刀具壽命長；在1200℃時(shí)仍能保持80HRA的高硬度，所以在高溫下仍能進(jìn)行高速切削；它與鋼鐵金屬的親和力小，摩擦因數(shù)低，抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散能力強(qiáng)，切削時(shí)不易粘刀及產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好。另一方面，陶瓷刀具的缺點(diǎn)是脆性大，抗彎強(qiáng)度和抗熱沖擊性能較差，當(dāng)切削溫度發(fā)生顯著變化時(shí)，容易產(chǎn)生裂紋。表1列出了陶瓷與常用硬質(zhì)合金的性能對(duì)比。
陶瓷刀具的種類
氧化鋁（Al2O3）基陶瓷純氧化鋁陶瓷
其中Al2O3的成份占99.9%以上，多呈白色，俗稱白陶瓷。中國成都工具研究所生產(chǎn)的P1牌號(hào)屬于這一類。它的耐磨性好，用于切削灰鑄鐵有較好效果，也可切削普通碳鋼。但因其強(qiáng)度低，抗熱振性及斷裂韌性較差，切削時(shí)易崩刃，目前已被其它Al2O3復(fù)合陶瓷取代。
氧化鋁—碳化物系復(fù)合陶瓷
它是在Al2O3基體中加入TiC、WC、MO2C、TaC、NbC、Cr3C2等成份經(jīng)熱壓燒結(jié)而成，使用*多的是Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷。隨著TiC含量(30%~50%)的不同，其切削性能也有差異。這類陶瓷主要用于切削淬硬鋼和各種耐磨鑄鐵。中國生產(chǎn)的牌號(hào)有M16、SG3、SG4和AG2等，后兩種牌號(hào)還含有WC的成份。
氧化鋁—碳化鈦—金屬系復(fù)合陶瓷
在Al2O3-TiC陶瓷中加入少量的粘結(jié)金屬，如Ni和Mo等，可提高Al2O3與TiC的連結(jié)強(qiáng)度，提高其使用性能，故可用于粗加工。這類陶瓷又稱金屬陶瓷。中國生產(chǎn)的牌號(hào)有AT6、LT35、LT55、M4、M5、M6、LD-1等。用其切削調(diào)質(zhì)合金鋼時(shí)切削速度可達(dá)一般硬質(zhì)合金刀具的1~3倍，刀具壽命為硬質(zhì)合金刀具的6~10倍。由于含有金屬成份，所以能用電加工切割成任何形狀。同時(shí)，用金剛石砂輪刃磨時(shí)，能獲得較好的表面質(zhì)量。LD-1是在Al2O3-TiC系陶瓷的基礎(chǔ)上，通過添加少量的特殊微粉，利用多種增韌機(jī)制的協(xié)同作用而使斷裂韌度有較大提高(可達(dá)6.0~6.6 MPa·m1/2，普通熱壓Al2O3-TiC陶瓷斷裂韌度為4 MPa·m1/2)，用其端銑淬硬鋼時(shí)刀片抗破損性能比同類LT55牌號(hào)高出30%~110%。
Al2O3-SiC晶須增韌陶瓷
在Al2O3陶瓷基體中添加20%~30%的SiCw晶須(是直徑小于0.6µm，長度為10~80µm的單晶，具有一定的纖維結(jié)構(gòu)，抗拉強(qiáng)度為7GPa，抗拉彈性模量超過700GP)而成。SiCw晶須的作用猶如鋼筋混凝土中的鋼筋，能成為阻擋或改變裂紋發(fā)展方向的障礙物，使其韌性大幅度提高，斷裂韌度可達(dá)9MPa·m1/2，可有效地用于斷續(xù)切削及粗車、銑削和擴(kuò)孔等工序，適于加工鎳基合金、高硬度鑄鐵和淬硬鋼等材料。中國生產(chǎn)的JX-1、AW9、SG5及美國WG300、Kyon250與瑞典Sandvik公司CC670等牌號(hào)均屬于這一類。
Al2O3/(W,Ti)C梯度功能陶瓷
通過控制陶瓷材料的組成分布以形成合理的梯度，從而使刀具內(nèi)部產(chǎn)生有利的殘余應(yīng)力分布來抵消切削的外載應(yīng)力，具有表層熱導(dǎo)率高、有利切削熱的傳出、熱膨脹系數(shù)小、結(jié)構(gòu)完整性好、不易破損等特點(diǎn)。中國山東工業(yè)大學(xué)開發(fā)的FG2刀片就屬這一類。用其加工鋼鐵材料時(shí)刀具壽命可比Al2O3/(W,Ti)C復(fù)合陶瓷SG4高1-1.5倍，并且刀具有很好的自礪性，崩刃后仍能進(jìn)行正常切削。
氮化硅(Si3N4)基陶瓷
Si3N4陶瓷是一種非氧化物工程陶瓷，硬度可達(dá)1800~ 2000HV，熱硬性好，能承受1300~1400℃的高溫，與碳和金屬元素化學(xué)反應(yīng)較小，摩擦因數(shù)也較低。這類刀具適于切削鑄鐵、高溫合金和鎳基合金等材料，尤其適用于大進(jìn)給量或斷續(xù)切削。由于純Si3N4陶瓷刀具在切削長切屑金屬（如軟鋼）時(shí)極易產(chǎn)生月牙洼磨損，所以新一代Si3N4陶瓷均為復(fù)合Si3N4陶瓷刀具。新開發(fā)的Si3N4陶瓷不僅可用于粗加工，而且可用于斷續(xù)切削和有冷卻液的切削，例如日本京陶公司的KS6000牌號(hào)。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率為2%-3%，與硬質(zhì)合金相當(dāng)，因此已可在生產(chǎn)線應(yīng)用。Si3N4基陶瓷刀具的缺點(diǎn)是磨加工性比普通陶瓷差。
Si3N4-TiC-Co復(fù)合陶瓷
其韌性和抗彎強(qiáng)度高于Al2O3基陶瓷，而硬度卻不降低；熱導(dǎo)率亦高于Al2O3基陶瓷，故在生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。中國生產(chǎn)的牌號(hào)有FD02、SM、HDM1、N5等。
Si3N4晶須增韌陶瓷
在Si3N4基體中加入一定量的碳化物晶須而成，從而可提高陶瓷刀具的斷裂韌性。如中國北京方大高技術(shù)陶瓷有限公司生產(chǎn)的FD03刀片以及湖南長沙工程陶瓷公司生產(chǎn)的SW21牌號(hào)均屬這一類。FD03刀片是在Si3N4陶瓷基體中加入硬質(zhì)彌散顆粒TiCw，SW21刀片是在Si3N4中加入了一定量的SiCw晶須，故有較好的使用性能。一些國外切削專家認(rèn)為，用Si3N4基陶瓷切削鋼材的效果不如Al2O3基復(fù)合陶瓷，故不推薦用其加工鋼材。但用FD03和SW21切削淬硬鋼(60-68HRC)、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時(shí)也有較好的效果。
Si3N4-Al2O3-Y2O3復(fù)合陶瓷
以Si3N4為硬質(zhì)相、Al2O3為耐磨相、添加少量的助燒結(jié)劑Y2O3經(jīng)熱壓燒結(jié)而成，常稱賽阿龍(Sialon)。如美國生產(chǎn)的Sialon牌號(hào)KY3000，成份為：77% Si3N4、13% Al2O3、10% Y2O3，硬度達(dá)1800HV，抗彎強(qiáng)度達(dá)1.2GPa。美國Greeleaf公司生產(chǎn)的Grem4B和瑞典Sandvik公司CC680刀片，以及中國生產(chǎn)的TP4和SC3等均是賽阿龍?zhí)沾�。KY3000陶瓷刀片在高速下切削鎳基高溫合金時(shí)，材料切除率是涂層硬質(zhì)合金刀具的七倍。除能采用較大的進(jìn)給量及切削速度高速加工鑄鐵和高溫合金外，并可在面銑刀上采用雙正前角（側(cè)前角和背前角均為正值）來加工鑄鐵。
表1：陶瓷與常用硬質(zhì)合金的性能比較
刀具材料
密度
g/cm³
硬度
HRA
抗彎強(qiáng)度
GPa
抗壓強(qiáng)度
GPa
斷裂韌性
MPa·m1/2
彈性模量
GPa
導(dǎo)熱率
W/(m·K)
熱膨脹系數(shù)
(x10-6)K
耐熱性
℃
陶瓷
3.2-6.6
91-95
0.4-1.3
3-5.5
3-9
280-420
17-35
3-8
1300-1400
硬質(zhì)合金
10-15
88-92
0.9-2.5
3-6
9-17
400-690
21-110
4.5-8.5
800-1000
陶瓷刀具的新品
納米金屬陶瓷刀具
這是中國合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院開發(fā)的新型氧化鋁基陶瓷刀具，在傳統(tǒng)的Al2O3-TiC金屬陶瓷中加入納米材料TiN（氮化鈦）和AlN（氮化鋁）改性而成，可細(xì)化晶粒和優(yōu)化材料力學(xué)性能。使用表明這是高技術(shù)含量及高附加值的新型刀具，可部分取代K20 (YG8)、P10 (YT15)等面廣量大的硬質(zhì)合金刀具，刀具壽命可提高2倍以上，生產(chǎn)成本則與K20 (YG8)刀具相當(dāng)或稍低。
涂層氮化硅陶瓷刀具
Si3N4基陶瓷的韌性優(yōu)于Al2O3基陶瓷，
