陶瓷刀具研究及应用分析

孙和 山东铝业职业学院

陶瓷刀具研究及应用分析

孙和 山东铝业职业学院

由于陶瓷刀具具有很高的硬度,可以加工硬度很高的较硬材料，其最高硬度可达HRC65级,减少了要退火加工所消耗的工效经济,也可提高工件硬度,延长刀具的使用寿命。

陶瓷刀具；氧化铝基；氮化硅基；金属基刀具

陶瓷刀具是最有发展潜力的刀具材料之一.陶瓷刀具由于具有很高的硬度,从而可以加工硬度高达HRC65级的各类高硬度材料,减少了要退火加工所消耗的工效经济,也可提高工件硬度,延长机器的使用寿命。目前在国外已广泛使用陶瓷刀具，在加工铸件工序德国70%由陶瓷刀具完成.现在国内外陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～10%。

1.氧化铝基（AL2O3）陶瓷刀具

由于氧化铝基（AL2O3）陶瓷刀具具有比通常刀具要求的更好的耐磨性耐热性，且其高温化学稳定性比一般刀具更好，又不易于和铁元素之间发生相互扩散或化学反应，在使用中其耐磨性和耐热性均比碳化硅基（Si3N4）陶瓷刀具要好，因而氧化铝基陶瓷刀具应用最广泛，基本对于各类金属材料都可以切削加工。在AL2O3基陶瓷刀具中添加TIC.TIN和SIC等作变质剂，都可使AL2O3基陶瓷刀具材料变为更耐高温。

由于陶瓷的主要成份就是AL2O3，因此瓷陶具中含有大量的铝元素。氧化铝和金属铝存在较大的亲和力，故在加工和切削铝及铝合金这类材料时，AL2O3基陶瓷刀具会出现加大的粘接磨损。AL2O3/TIC和AL2O3(W,TI)C等陶瓷刀具中含有铝及钛元素，也会出现以上问题，因此，这类刀具都不适合于加工铝和钛及其合金。

有碳化硅（SIC）增韧的AL2O3刀具，在加工镍基合金时，会表现出优良的切削性能，但是在加工钢时，会因为Fe和SIC发生反应而使刀具材料急剧磨损。用含有SIC的陶瓷刀具加工淬硬钢时，刀具中的SIC很容易在切削高温作用下与工件中的Fe发生化学反应。如果切削速度越高，切削温度也进一步提高。在物化原理分析上，SIC晶须与Fe反应晶须，使原有的硬度和耐磨性能降低，晶须与基体的结合强度会削弱，结果将造成晶须在磨粒作用下很快脱落，从即使晶须的增韧作用减弱。

由于高温作用，陶瓷刀具还会产生溶解磨损。在切削过程中铁在1327℃时产生不同的溶解度。经分析，得的结论是，AL2O3和ZRO2在铁中的溶解度最小。溶解度由大到小的顺序为：SiC→Si3N4→TiC→TiN→AI2O3→ZrO2。在高温下Sic在Fe中的溶解度比TIC和TIN的溶解度高两个数量级以上。Fe和SIC晶须的化学反应及相互溶解，使刀具材料中Fe元素含量不断增加，就会进一步增大刀具与工件粘着倾向，这对刀具的耐磨性能不利。通过研究表明，添加了SIC的AL2O3基陶瓷刀具，只适于加工镍基类高温合金，以及纯镍和高镍合金等，但又不适于加工钢和铸铁类金属。

含有ZrO2的AAL2O3陶瓷刀具，其室温性能优良，在高温的化学稳定性较好，与Fe的溶解度很小，不易扩散和溶解，结果这类刀具具有较高的耐磨性能。然而在高温下（高于1170℃时）ZrO2的增韧效果会显著减小。其原因是：当ZrO2增韧陶瓷的磨损行为与摩擦表面热诱导相变密切相变，使陶瓷表面产生了张应力，从而诱发裂纹的产生与扩展，导致磨损的加剧。结论是，AL2O3/ZrO2陶瓷刀具只适用于低温低速而不适合于高温高速或超高速的切削。

2.氮化硅基（Si3N4）陶瓷刀具

Si3N4基陶瓷刀具是在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成，以提高陶瓷刀具的断裂韧性。比如，刀片在Si3N4基体中加入了弥散颗粒TiC。或加入一定量的Sic，都有较好的使用性能。也有一些切削专家认为，用Sic晶须增韧的陶瓷刀具切削钢材效果不如AL2O3基复合陶瓷刀具，因此不推荐作为加工钢材的刀具。但是我国生产的改进型这类刀具，在切削淬硬钢、高锰钢、高铬钢和轴承钢时具有较好的效果。

3.金属基刀具材料。

3.1 涂层金属陶瓷刀具

目前图层金属陶瓷刀具发展非常迅速。涂层分为硬质涂层和软涂层，前者主要是金属碳氮化物。包括TiN、TiC、Ti（CN）、TiALN、CrN、CrC等，其中TiN的工艺最成熟，应用最广泛。硬涂层主要是提高其硬度和耐磨性。一般可进行多层复合涂层。后者主要是MoS基涂层，可以降低摩擦系数。另外，软硬涂层可以复合使用。涂层刀具的出现，使刀具刀具切削性能有了重大的突破，应用领域有了不断扩大，涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力，将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种。目前，国外硬质合金可转为刀片的涂层比例在90%以上。涂层技术已应用于立铣刀、铰刀、钻头、复合孔加工刀具、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、成形拉刀及各种机夹可转为刀片，满足高速切削加工各种钢和铸铁、耐热合金和有色金属等材料的需要。

3.2 钛基金属陶瓷工具

以TiC和TiN组成的YG、YT、YW类合金，也叫硬质合金的烧结碳化，它是陶瓷和金属的复合材料。在当今数控材料中占主导地位，覆盖大部分的常规加工领域。即可用于加工各种铸铁、金属和非金属材料，也适用于加工各种钢材和耐热合金等。硬质合金既可用于制造各种机类可转位刀具，也可制造各种尺寸较小的整体复杂刀具，如整体式立铣刀、铰刀、丝锥、铝头、符合孔加工刀具和齿轮滚刀等。

在这类陶瓷和金属的 以TiC为主要成分的合金，其硬度与耐热性接近陶瓷，而抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高，其中金属碳化物是硬质相，一般占80%以上；其与为铁、钴、镍等金属相，作为粘结剂。目前，国外硬质合金可转为刀片的涂层比例在70%以上，欧州齿轮刀具的涂层比例可达90%。

此类硬质合金即金属陶瓷刀具硬度高，强度低，韧性低，所以不宜有强烈冲击和振动，但其导热性，耐热性，抗粘结性和化学稳定性却比高速钢好数倍，应用领域不断扩大，在现今的数控领域有巨大潜力，也将成为今后数控加工领域中最重要的刀具品种。

YG类合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。细晶粒硬质合金（如YG3X、YG6X)在含钴量相同时比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，适用于加工一些特殊的硬铸铁、奥氏不锈钢、耐热合金、钛合金、硬青铜和耐磨的绝缘材料等。

YT类硬质合金的突出优点是硬度高、耐热性好、高温时的硬度和抗压强度比YG类高、抗氧化性能好。因此，当要求刀具有较高的耐热性及耐磨性时，应选用TiC含量较高的牌号。YT合金适用于加工塑性材料如钢材，但不宜加工钛合金及硅铝合金。

YW类合金兼具YG、YT类合金的性能，综合性能好，它即可用于加工刚材，又可用于加工铸铁和有色金属。这类合金如适当增加钴含量，强度可很高，可用于各种难加工材料的粗加工和断续切削

TiC（N)基硬质合金既具有陶瓷的高硬度和耐热性，又具有硬质合金的高强度，既可用于可转为刀片也能用于焊接，且化学稳定性好，具有优异的抗氧化性和抗粘结性，加工时与刚到摩擦系数小，抗弯强度和断裂韧性高，其功能几乎覆盖大部分硬质合金的使用范围。因此，TiC（N）基硬质合金可作为高速切削加工刀具材料，不仅可用于精加工，而且也扩大到半精加工、粗加工和断续切削。用于精车时，切削速度比普通硬质合金提高20%～50%。在钢的高速切削，特别是对表面粗糙度要求较低的粗加工和半精加工中，TiC（N）基合金是最好的。目前TiC（N）基硬质合金各种机夹可转位车刀、镗刀、铰刀、铣刀、复合孔加工数控刀具及整体式立铣刀、铰刀等数控刀具正在应用于高强度、高硬度钢和铸铁及各种耐热合金零部件自动生产线上，以满足高速、高效、硬质、干（湿）式精密加工技术要求。

超细晶粒硬质合金具有硬度高，强度、韧性、抗热冲击性能好等优异性能，因而即使在低速或断续切割等加工条件下，切削刃也不易产生崩刃或破损。用其制造的小规格整体硬质合金刀具，如钻头（Φ2～Φ 20mm)、立铣刀（Φ0.25～Φ20mm)和丝锥等，切削速度可成倍提高。因此，超细晶粒硬质合金实用与制造尺寸较小的整体复杂硬质合金刀具，可大幅度提高切削速度。可用于加工各种高强度钢、耐热合金、耐热不锈钢以及各种喷涂焊和堆焊材料等难加工材料。

近几年来,国内陶瓷刀具的发展十分迅速,品种增多,性能提高。随着高速切削干切削和硬切削应用的增多，今后陶瓷必将得到更大的发展。

[1]艾兴.萧虹编著.陶瓷刀具切削加工.北京；机械工业出版社，1988

[2]肖诗刚编著.刀具材料及其合理选择.北京；机械工业出版社，1990

[3]艾兴.赵军.推行陶瓷刀具研究走上国际先进行列.中国机械工程，1999

[4]邓建新.艾兴.陶瓷刀具加工磨损机理.硅酸盐学报，1997.25（2）；192～196

[5]王零森.特种陶瓷.长沙.中南工业出版社，2000

孙和,男 （1962年-）山东铝业职业学院讲师长期从事机械教学和科研工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.060