陶瓷刀具在中國的發(fā)展概貌

陶瓷刀具的特性

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。但因其強度低，抗熱振性及斷裂韌性較差，切削時易崩刃，目前已被其它Al₂O₃復合陶瓷取代。
  
• 氧化鋁—碳化物系復合陶瓷
  
  它是在Al₂O₃基體中加入TiC、WC、MO₂C、TaC、NbC、Cr₃C₂等成份經(jīng)熱壓燒結而成，使用*多的是Al₂O₃-TiC復合陶瓷。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)的牌號有M16、SG3、SG4和AG2等，后兩種牌號還含有WC的成份。
  
• 氧化鋁—碳化鈦—金屬系復合陶瓷
  
  在Al₂O₃-TiC陶瓷中加入少量的粘結金屬，如Ni和Mo等，可提高Al₂O₃與TiC的連結強度，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)的牌號有AT6、LT35、LT55、M4、M5、M6、LD-1等。用其切削調質合金鋼時切削速度可達一般硬質合金刀具的1~3倍，刀具壽命為硬質合金刀具的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，用金剛石砂輪刃磨時，能獲得較好的表面質量。LD-1是在Al₂O₃-TiC系陶瓷的基礎上，通過添加少量的特殊微粉，利用多種增韌機制的協(xié)同作用而使斷裂韌度有較大提高(可達6.0~6.6 MPa·m^1/2，普通熱壓Al₂O₃-TiC陶瓷斷裂韌度為4 MPa·m^1/2)，用其端銑淬硬鋼時刀片抗破損性能比同類LT55牌號高出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，具有一定的纖維結構，抗拉強度為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9MPa·m^1/2，可有效地用于斷續(xù)切削及粗車、銑削和擴孔等工序，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，從而使刀具內部產(chǎn)生有利的殘余應力分布來抵消切削的外載應力，具有表層熱導率高、有利切削熱的傳出、熱膨脹系數(shù)小、結構完整性好、不易破損等特點。中國山東工業(yè)大學開發(fā)的FG2刀片就屬這一類。用其加工鋼鐵材料時刀具壽命可比Al₂O₃/(W,Ti)C復合陶瓷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1800~ 2000HV，熱硬性好，能承受1300~1400℃的高溫，與碳和金屬元素化學反應較小，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）時極易產(chǎn)生月牙洼磨損，所以新一代Si₃N₄陶瓷均為復合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。目前Si₃N₄基陶瓷刀具的崩刃率為2%-3%，與硬質合金相當，因此已可在生產(chǎn)線應用。Si₃N₄基陶瓷刀具的缺點是磨加工性比普通陶瓷差。
  
• Si₃N₄-TiC-Co復合陶瓷
  
  其韌性和抗彎強度高于Al₂O₃基陶瓷，而硬度卻不降低；熱導率亦高于Al₂O₃基陶瓷，故在生產(chǎn)中應用比較廣泛。中國生產(chǎn)的牌號有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牌號均屬這一類。FD03刀片是在Si₃N₄陶瓷基體中加入硬質彌散顆粒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為，用Si₃N₄基陶瓷切削鋼材的效果不如Al₂O₃基復合陶瓷，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、高鉻鋼和軸承鋼時也有較好的效果。
  
• Si₃N₄-Al₂O₃-Y₂O₃復合陶瓷
  
  以Si₃N₄為硬質相、Al₂O₃為耐磨相、添加少量的助燒結劑Y2O3經(jīng)熱壓燒結而成，常稱賽阿龍(Sialon)。如美國生產(chǎn)的Sialon牌號KY3000，成份為：77% Si₃N₄、13% Al₂O₃、10% Y₂O₃，硬度達1800HV，抗彎強度達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，材料切除率是涂層硬質合金刀具的七倍。除能采用較大的進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（側前角和背前角均為正值）來加工鑄鐵。

陶瓷刀具的新品

• 納米金屬陶瓷刀具
  
  這是中國合肥工業(yè)大學材料學院開發(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，可細化晶粒和優(yōu)化材料力學性能。使用表明這是高技術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，但其耐磨性稍差。切削鑄鐵時，Si₃N₄陶瓷刀具的后刀面磨損大于Al₂O₃陶瓷刀具；切削鋼料時，Si₃N₄陶瓷刀具的月牙洼磨損較大。為此，國外在Si₃N₄基陶瓷表面上施以TiN、TiC、Ti（C、N）和Al₂O₃等涂層，可單涂層，也可用多涂層。圖3所示為在Si₃N₄陶瓷上涂覆Al₂O₃和TiN多重涂層。經(jīng)涂層后氮化硅刀具的磨損量為未涂層的1/3，使加工普通鑄鐵的切削速度達到200~ 1000m/min，且壽命更長。例如Sandvik公司的GC1690涂層氮化硅陶瓷刀具，在加工高強度灰鑄鐵時的進給量達0.4 mm/r，切削速度為500m/min。日本Seco公司的涂層Si₃N₄陶瓷刀具，切鋼時抗月牙洼磨損的能力強，其切削速度可達Al₂O₃基陶瓷刀具的切削速度，但進給量卻大于后者而接近涂層硬質合金刀具，可使材料切除率大大提高。
  
• 多相復合陶瓷刀具
  
  如中國山東工業(yè)大學研制的ASW系列陶瓷刀具即屬于這一類。ASW是采用熱壓工藝燒結制備的Al₂O₃/SiC(W,Ti)C多相復合陶瓷刀具材料，用其切削淬硬工具鋼T10時，該陶瓷具有良好的耐磨性。試驗表明，隨著增強相SiC和(W,Ti)C的含量增加，材料的抗彎強度、斷裂韌度和硬度均有一定程度的提高，而當SiC和(W,Ti)C的含量分別在10%~20%時，該陶瓷的綜合力學性能*好，故生產(chǎn)中常用AS10W10和AS10W20等牌號。AS10W10表示其中含10% SiC和10% (W,Ti)C，以此類推。目前，對于多相復合陶瓷刀具材料的研究已涉及各種氧化物、氮化物、碳化物和硼化物陶瓷，并在材料性能與應用方面都取得較大進展。如瑞典Sandvik公司推出的CC650(內含7.5% TiC，22.5% TiN，2% ZrO2，0.2% MgO，其余為Al₂O₃)和德國Widia公司生產(chǎn)的Widalox H均屬這一類，用其加工冷硬鑄鐵軋輥、淬硬高強度鋼、硅錳鋼、工具鋼和不銹鋼時，刀具后刀面磨損小，切削時能獲得較小的表面粗糙度。
  
• 陶瓷與硬質合金的復合刀片
  
  如中國開發(fā)的FH-1、FH-2牌號。FH型刀片的硬度為94-95HRA，抗彎強度為0.8-1.0GPa，斷裂韌度為5.3-5.8MPa·m^1/2，能承受沖擊載荷，其特點是通用性好，適于淬硬鋼和斷續(xù)切削加工。Lellond公司開發(fā)出陶瓷與CBN的超硬復合材料，兼有上述兩種材料優(yōu)點，是高速加工高硬耐磨鑄鐵的理想材料。
  
• TiB₂基陶瓷刀具
  
  這是美國佐治亞州理工學院利用自擴散高溫合成工藝(Self-propagating High-temperature Synthesis-process, SHS)研制出的新型陶瓷刀具，其商品名為Advanced TiB2。它的硬度是氮化硅的2倍，密度是硬質合金的1/3，而顯微硬度則比硬質合金高900~1000HV，其切削性能介于硬質合金和超硬材料CBN之間，用其銑削和車削黑色和有色金屬、硬度大于52HRC的淬硬鋼和高溫合金等材料時，刀具壽命比硬質合金刀具長5~6倍。
  
  此外，近年ZrO₂基刀具陶瓷的性能提高也取得重要進展。ZrO₂基陶瓷適于加工各種鋁合金，包括硅含量高的硅鋁合金。所以有人認為，TiB₂基陶瓷、ZrO₂基陶瓷與現(xiàn)在已在使用的Si₃N₄基陶瓷一樣，可能成為未來的主要刀具陶瓷材料。

陶瓷刀具的應用

陶瓷刀具的前景