陶瓷刀具的應用與發展

閆 石 陳 爽 張葆青

（中國物理研究院流體物理研究所，四川綿陽 621900）

陶瓷刀具的應用與發展

閆 石 陳 爽 張葆青

（中國物理研究院流體物理研究所，四川綿陽 621900）

主要介紹了陶瓷刀具的分類、陶瓷刀具的優良切削性能以及利用陶瓷刀具在實際加工中如何進行切削用量的合理選擇。此外，還分析了陶瓷刀具的幾個缺點以及在未來的研究和發展中，陶瓷刀具的主要發展方向。

陶瓷刀具 干切削 切削用量

隨著機械加工技術的不斷發展，人們對提高加工效率和降低生產成本的要求越來越高，各種新式刀具不斷涌現。陶瓷刀具作為一種新型切削刀具，由于其良好的高速切削性能，并能進行干切削，滿足了加工者的要求，現在正被推廣應用到機械加工的各個領域。

1 陶瓷刀具的產生

陶瓷刀具最早出現在德國，1938年德國古薩公司（Tima Degussa）首先取得刀具陶瓷的專利。但直到上世紀50年代初，陶瓷才作為切削刀具被正式使用并逐步商品化。最初的陶瓷刀具主要成分為氧化鋁，這種陶瓷刀具抗彎強度很低（350～450 MPa），沖擊韌性和可靠性差，所以沒有被推廣使用。之后經過科學家的不斷研究，復合陶瓷刀具研制成功，這種以Al2O3陶瓷或Si3N4陶瓷為基礎而復合成的新一代新型陶瓷刀具材料，具有比純Al2O3陶瓷或Si3N4陶瓷好得多的物理機械性能。例如，Al2O3－TiC復合陶瓷，其抗彎強度達到了700～800 MPa。而且伴隨著顆粒增韌、納米增韌等方法的深入研究，復相陶瓷刀具材料的性能不斷提高。此外，由于細化晶粒加上陶瓷固有的高硬度及耐高溫、抗磨損和抗腐蝕等特性，陶瓷作為一種新的機械工程材料，越來越被人們所重視。

2 陶瓷刀具的分類

陶瓷刀具材料的品種、牌號很多，按其主要成分大致可分為氧化鋁系、氮化硅系以及增韌陶瓷刀具。目前世界上生產的陶瓷刀具近九成為氧化鋁系，其他多為氧化硅系。但近年來由于增韌陶瓷刀具的深入研究，各種增韌方式不斷涌現，使得增韌陶瓷刀具的應用愈加的廣泛。

2.1 氧化鋁系陶瓷刀具

目前市場上應用最多的就是氧化鋁系陶瓷刀具。該系陶瓷刀具材料是以氧化鋁為主體的陶瓷材料，在高溫下有較好的化學穩定性、耐磨性和耐熱性，高溫硬度高，月牙洼磨損率較低，且高溫時刀具與工件間不產生化學反應，表面加工粗糙度值小。氧化鋁系陶瓷刀具主要有：純氧化鋁陶瓷刀具，氧化鋁－碳化物陶瓷刀具，氧化鋁－氮化物、硼化物陶瓷刀具。

2.2 氮化硅系陶瓷刀具

氮化硅系陶瓷刀具是以高純度的Si3N4為原料，添加MgO、Al2O3、Y2O3等為助燒結劑，通過熱壓成形燒結而成，是上世紀80年代發展起來的刀具材料。其性能在很多方面超過了氧化鋁基陶瓷，硬度HRA93－94，抗彎強度700～l 100 MPa，具有良好的耐熱沖擊性。

現在應用廣泛的氮化硅系陶瓷刀具材料主要有：單一氮化硅陶瓷，氮化硅復合陶瓷。

2.3 增韌陶瓷刀具

雖然陶瓷刀具具有眾多優點，但其本身仍具有固有的一些缺點：強度和韌性低，易發生破損，特別是早期破損等，嚴重限制了陶瓷刀具的應用，因而增韌和增強陶瓷刀具成了近些年來陶瓷刀具材料研究的熱點。由于Si3N4陶瓷的韌性和強度較Al2O3陶瓷高得多，對陶瓷的增韌、增強的研究主要集中在以Al2O3為基體的刀具材料上，增韌Al2O3陶瓷是指在Al2O3基體中添加增韌或增強材料燒成。

目前常用的增韌方法主要有：ZrO2相變增韌、晶須增韌以及第二相顆粒彌散增韌以及納米增韌等。

3 陶瓷刀具的優良特性

陶瓷刀具之所以會得到廣泛應用和推廣，與它本身的優良性能是分不開的。它的硬度高，且耐磨性好。此外，還有良好的耐熱性、抗化學腐蝕能力。而且工藝簡單，刃磨方便，價格較低。

（1）具有很高的硬度與耐磨性 氮化硅陶瓷刀片的室溫硬度值已超過了硬質合金刀片的硬度，它的常溫硬度達到了92～95 HRC，且耐磨性好，在相同的切削條件下，它的磨損僅為YTl5硬質合金的1/15，這就大大提高了它的切削能力。

（2）具有很好的耐熱性和抗高溫氧化性 陶瓷刀具可以在1 200～1 450℃的高溫下進行切削，并能保持一定的硬度和強度，因此可進行高速切削和干切削。

（3）具有很高的紅硬性 一般硬質合金刀具在溫度為800～1 000℃時，其硬度會突然降低。而陶瓷刀具的硬度隨溫度的升高變化很小，即使在1 200℃時，硬度仍可達到80 HRC左右。

（4）具有極小的與金屬的親和力。

4 陶瓷刀具切削用量及刀具幾何參數的選擇

切削用量直接影響加工生產率、加工成本、加工質量和刀具壽命。因為陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐熱性高等優點以及脆性較大、強度較低等缺點，所以必須充分考慮這些特點來選擇合適的切削用量，以達到提高生產率、保證加工質量的目的。

4.1 切削深度ap的選擇

為了縮短加工時間，提高加工效率，用陶瓷刀具加工時，應盡可能選擇較大的切削深度，以便在一次走刀后切去大部分余量。但由于切削深度受機床功率和工藝系統剛性的限制，一般粗加工鋼和鑄鐵時，允許的最大切削深度為2～6 mm，通常取ap≥1.5 mm。精加工時則取ap=0.02～0.1 mm為宜。當工藝系統剛性比較差時，應取較小的切削深度，否則容易引起振動，使刀片破損。

4.2 進給量f的選擇

合理選擇進給量是成功應用陶瓷刀具的關鍵。進給量主要受陶瓷刀片強度及工藝系統剛性的影響，精加工時還要受被加工表面粗糙度的影響。以車削普通鋼和鑄鐵為例，半精加工時進給量可選取f=0.10～0.75 mm/r，精加工一般選取進給量 f=0.05～0.13 mm/r為宜。加工淬硬鋼時情況會有所不同，一般車削選取進給量f=0.10～0.30 mm/r。進給量選取太大會使表面粗糙度值增大，進給量選取太小會使刀具圓弧半徑與已加工表面擠壓加劇而影響表現粗糙度。進給量對刀具破損的影響比切削速度大，選取較小的進給量，有利于防止或減少刀具的破損，因此，對于陶瓷刀具應選用較小的進給量和盡可能高的切削速度。

4.3 切削速度v的選取

切削速度的選取直接影響刀具耐用度、切削溫度、加工成本、加工質量和生產率，所以選擇一個最佳的切削速度對于陶瓷刀具的使用至關重要。

以氮化硅陶瓷刀具為例，氮化硅陶瓷刀具適于高速切削。對一定的工件材料，切削速度主要受機床功率限制。結合已選定的切削深度ap和進給量f，如因機床功率不足，而使切削速度選得過低，則不僅不利于發揮陶瓷刀具的優越性，而且容易發生崩刃。應當適應減小進給量，甚至是切削深度，以便提高切削速度。目前陶瓷刀具的切削速度，雖然有的國家最高到1 500 r/min，但加工普通鋼和鑄鐵，大多數仍然采用v=200～600 r/min;加工硬度低于65 HRC的鋼材時v=60～200 r/min;銑削一般鋼和鑄鐵時v=200～500 r/min;銑削耐熱合金時，v=100～250 r/min。切削速度對切屑形狀影響很大，特別在v=350～1 500 r/min范圍內，往往可以獲得良好的切屑形狀。

4.4 刀具幾何參數的選取

雖然陶瓷刀具有很多優良的切削性能，但如果想最大限度地發揮陶瓷刀具的作用，合理選擇刀具的幾何參數也是至關重要的。所謂刀具的合理幾何參數，是指刀具在保證較高的生產率，以及加工出符合預定尺寸精度和表面質量的工件的同時，能夠保證刀具具有最長的使用壽命。在選擇陶瓷刀具的合理幾何參數時，我們不但要考慮刀具的一般規律，同時也必須考慮某些屬于陶瓷刀具所特有的規律。由于其硬而脆的特性，如何保證使用的穩定可靠、不發生崩刃仍然是選擇陶瓷刀具合理幾何參數的主要依據。以下給出了陶瓷刀具幾個主要的幾何參數，但僅用作參考，具體的加工情況下，各項參數會略有不同。

（1）前角γ0陶瓷刀具有脆性較大、抗彎強度低的缺點，為使刀具有足夠的強度而防止崩刃，一般選取前角 γ0=4°～ －14°。

（2）后角α0一般取后角α0=6°。α0過大易使切削過程不穩定和易振動，不利于改善表面粗糙度。

（3）刃傾角λ0高速切削易產生振動，為提高刀具耐用度，刃傾角 λ0= －5°～ －12°。

（4）刀尖圓弧半徑rc為提高刀具耐用度和減小工件表面粗糙度值，精加工時選取刀尖圓弧半徑rc=0.3～0.5 mm為宜。刀尖圓弧半徑rc不宜過大，否則將較大地增大切削徑向抗力Fr而引起工藝系統振動。粗加工和重切削時，應加0.1～0.3 mm寬、－14°～－20°角度的負倒棱來強化刀刃。

5 陶瓷刀具的發展趨勢

雖然陶瓷刀具有著優良的切削性能，但由于其刀具材料脆性較大，強度和韌性較低，這在很大程度上限制了它的推廣應用。事實上，硬度高的材料往往強度和韌性低，如果要提高韌性往往是以硬度的下降為代價的。正是由于這種矛盾的存在，使得尋找一種既具有高的硬度（包括高溫硬度）又具有高的強度和韌性的陶瓷成為陶瓷刀具材料研究的熱點。現階段，陶瓷刀具新材料的研究主要集中在4個方面：超微粉陶瓷刀具、復相陶瓷刀具、涂層刀具以及金屬陶瓷刀具。而在這4個方面中，復相陶瓷刀具的研究尤為突出。下面就著重介紹一下復相陶瓷刀具的發展現狀。

復相陶瓷即通過材料內部復合相的協同增韌補強效應，使陶瓷材料的性能大幅度提高。對陶瓷材料實行多層次復合是獲得超強、超韌的有效途徑。控制彌散相的粒度，晶粒尺寸從微米級→亞微米級→納米級減小，材料強度將出現大的飛躍。

目前采用的復合技術主要分為兩相復合和多相復合，這其中絕大部分的研究主要集中在兩相復合。在兩相復合技術中，主要有以下幾種增韌方法。

（1）顆粒增韌 即通過在材料中添加第二相顆粒，提高陶瓷刀具材料的斷裂韌度，其主要增韌機理有顆粒彌散增韌、殘余應力增韌、裂紋偏轉增韌和微裂紋增韌等。

（2）ZrO2相變增韌 即在陶瓷刀具材料中添加適量ZrO2顆粒，利用ZrO2的相變特性，提高刀具材料的斷裂韌度。ZrO2相變增韌陶瓷刀具材料的主要增韌機理有應力誘導相變增韌、殘余應力增韌和微裂紋增韌。

（3）晶須增韌 借助晶須缺陷很少，近似于完整的單晶，強度遠高于多晶體的特性，通過在陶瓷刀具材料中加入適量晶須，可以有效提高刀具材料的斷裂韌度。晶須增韌陶瓷刀具材料的主要增韌機理有裂紋橋接、晶須拔出和裂紋偏轉。

（4）納米增韌 納米復合能夠細化晶粒，減小材料內部的缺陷尺寸，因此能夠大幅提高陶瓷刀具材料的抗彎強度。但是受制備工藝的限制，目前還很難制備出純粹由納米晶粒組成的致密陶瓷刀具材料，大多是通過在微米材料中添加納米相，制備納米復合陶瓷刀具材料。故目前納米增韌所存在的增韌機理尚未擺脫微米增韌機理的范疇，因此對斷裂韌度的提高并不理想。但相信隨著制備工藝和技術的發展，納米增韌一定可以取代微米增韌，成為一種高效的增韌方式。

6 結語

陶瓷刀具的不斷發展和應用給機械加工業帶來了一場革新，它不僅滿足了人們提高加工效率、降低加工成本的要求，同時也使高速切削和干切削成為可能。隨著人們環境保護的意識越來越強，綠色加工已經逐漸被人們所重視，而陶瓷刀具的出現和應用將這一切變成了現實。相信隨著陶瓷刀具材料的不斷研究，隨著性能更加優良刀具的不斷涌現和應用，一定會給我國的制造業掀起一場意義非凡的革命。

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Application and development of the ceramic cutting tools

YAN Shi，CHEN Shuang，ZHANG Baoqing
（China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，CHN）

This article introduces the categories and nice－feature of ceramic cutting tools，and how to choose cutting parameters scientifically in the processing.Moreover，it analyses the defects and the trend of development of ceramic cutting tools in the future.

Ceramic Cutting Tools;Dry Cutting;Cutting Parameters

TG711

B

（編輯 李 靜）（

2010－11－29）

110717