陶瓷刀具研究及應用分析

孫和 山東鋁業職業學院

陶瓷刀具研究及應用分析

孫和 山東鋁業職業學院

由于陶瓷刀具具有很高的硬度,可以加工硬度很高的較硬材料，其最高硬度可達HRC65級,減少了要退火加工所消耗的工效經濟,也可提高工件硬度,延長刀具的使用壽命。

陶瓷刀具；氧化鋁基；氮化硅基；金屬基刀具

陶瓷刀具是最有發展潛力的刀具材料之一.陶瓷刀具由于具有很高的硬度,從而可以加工硬度高達HRC65級的各類高硬度材料,減少了要退火加工所消耗的工效經濟,也可提高工件硬度,延長機器的使用壽命。目前在國外已廣泛使用陶瓷刀具，在加工鑄件工序德國70%由陶瓷刀具完成.現在國內外陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%～10%。

1.氧化鋁基（AL2O3）陶瓷刀具

由于氧化鋁基（AL2O3）陶瓷刀具具有比通常刀具要求的更好的耐磨性耐熱性，且其高溫化學穩定性比一般刀具更好，又不易于和鐵元素之間發生相互擴散或化學反應，在使用中其耐磨性和耐熱性均比碳化硅基（Si3N4）陶瓷刀具要好，因而氧化鋁基陶瓷刀具應用最廣泛，基本對于各類金屬材料都可以切削加工。在AL2O3基陶瓷刀具中添加TIC.TIN和SIC等作變質劑，都可使AL2O3基陶瓷刀具材料變為更耐高溫。

由于陶瓷的主要成份就是AL2O3，因此瓷陶具中含有大量的鋁元素。氧化鋁和金屬鋁存在較大的親和力，故在加工和切削鋁及鋁合金這類材料時，AL2O3基陶瓷刀具會出現加大的粘接磨損。AL2O3/TIC和AL2O3(W,TI)C等陶瓷刀具中含有鋁及鈦元素，也會出現以上問題，因此，這類刀具都不適合于加工鋁和鈦及其合金。

有碳化硅（SIC）增韌的AL2O3刀具，在加工鎳基合金時，會表現出優良的切削性能，但是在加工鋼時，會因為Fe和SIC發生反應而使刀具材料急劇磨損。用含有SIC的陶瓷刀具加工淬硬鋼時，刀具中的SIC很容易在切削高溫作用下與工件中的Fe發生化學反應。如果切削速度越高，切削溫度也進一步提高。在物化原理分析上，SIC晶須與Fe反應晶須，使原有的硬度和耐磨性能降低，晶須與基體的結合強度會削弱，結果將造成晶須在磨粒作用下很快脫落，從即使晶須的增韌作用減弱。

由于高溫作用，陶瓷刀具還會產生溶解磨損。在切削過程中鐵在1327℃時產生不同的溶解度。經分析，得的結論是，AL2O3和ZRO2在鐵中的溶解度最小。溶解度由大到小的順序為：SiC→Si3N4→TiC→TiN→AI2O3→ZrO2。在高溫下Sic在Fe中的溶解度比TIC和TIN的溶解度高兩個數量級以上。Fe和SIC晶須的化學反應及相互溶解，使刀具材料中Fe元素含量不斷增加，就會進一步增大刀具與工件粘著傾向，這對刀具的耐磨性能不利。通過研究表明，添加了SIC的AL2O3基陶瓷刀具，只適于加工鎳基類高溫合金，以及純鎳和高鎳合金等，但又不適于加工鋼和鑄鐵類金屬。

含有ZrO2的AAL2O3陶瓷刀具，其室溫性能優良，在高溫的化學穩定性較好，與Fe的溶解度很小，不易擴散和溶解，結果這類刀具具有較高的耐磨性能。然而在高溫下（高于1170℃時）ZrO2的增韌效果會顯著減小。其原因是：當ZrO2增韌陶瓷的磨損行為與摩擦表面熱誘導相變密切相變，使陶瓷表面產生了張應力，從而誘發裂紋的產生與擴展，導致磨損的加劇。結論是，AL2O3/ZrO2陶瓷刀具只適用于低溫低速而不適合于高溫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基體中加入一定量的碳化物晶須而成，以提高陶瓷刀具的斷裂韌性。比如，刀片在Si3N4基體中加入了彌散顆粒TiC。或加入一定量的Sic，都有較好的使用性能。也有一些切削專家認為，用Sic晶須增韌的陶瓷刀具切削鋼材效果不如AL2O3基復合陶瓷刀具，因此不推薦作為加工鋼材的刀具。但是我國生產的改進型這類刀具，在切削淬硬鋼、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時具有較好的效果。

3.金屬基刀具材料。

3.1 涂層金屬陶瓷刀具

目前圖層金屬陶瓷刀具發展非常迅速。涂層分為硬質涂層和軟涂層，前者主要是金屬碳氮化物。包括TiN、TiC、Ti（CN）、TiALN、CrN、CrC等，其中TiN的工藝最成熟，應用最廣泛。硬涂層主要是提高其硬度和耐磨性。一般可進行多層復合涂層。后者主要是MoS基涂層，可以降低摩擦系數。另外，軟硬涂層可以復合使用。涂層刀具的出現，使刀具刀具切削性能有了重大的突破，應用領域有了不斷擴大，涂層刀具在數控加工領域有巨大潛力，將是今后數控加工領域中最重要的刀具品種。目前，國外硬質合金可轉為刀片的涂層比例在90%以上。涂層技術已應用于立銑刀、鉸刀、鉆頭、復合孔加工刀具、齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀、成形拉刀及各種機夾可轉為刀片，滿足高速切削加工各種鋼和鑄鐵、耐熱合金和有色金屬等材料的需要。

3.2 鈦基金屬陶瓷工具

以TiC和TiN組成的YG、YT、YW類合金，也叫硬質合金的燒結碳化，它是陶瓷和金屬的復合材料。在當今數控材料中占主導地位，覆蓋大部分的常規加工領域。即可用于加工各種鑄鐵、金屬和非金屬材料，也適用于加工各種鋼材和耐熱合金等。硬質合金既可用于制造各種機類可轉位刀具，也可制造各種尺寸較小的整體復雜刀具，如整體式立銑刀、鉸刀、絲錐、鋁頭、符合孔加工刀具和齒輪滾刀等。

在這類陶瓷和金屬的 以TiC為主要成分的合金，其硬度與耐熱性接近陶瓷，而抗彎強度和斷裂韌性比陶瓷高，其中金屬碳化物是硬質相，一般占80%以上；其與為鐵、鈷、鎳等金屬相，作為粘結劑。目前，國外硬質合金可轉為刀片的涂層比例在70%以上，歐州齒輪刀具的涂層比例可達90%。

此類硬質合金即金屬陶瓷刀具硬度高，強度低，韌性低，所以不宜有強烈沖擊和振動，但其導熱性，耐熱性，抗粘結性和化學穩定性卻比高速鋼好數倍，應用領域不斷擴大，在現今的數控領域有巨大潛力，也將成為今后數控加工領域中最重要的刀具品種。

YG類合金主要用于加工鑄鐵、有色金屬和非金屬材料。細晶粒硬質合金（如YG3X、YG6X)在含鈷量相同時比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，適用于加工一些特殊的硬鑄鐵、奧氏不銹鋼、耐熱合金、鈦合金、硬青銅和耐磨的絕緣材料等。

YT類硬質合金的突出優點是硬度高、耐熱性好、高溫時的硬度和抗壓強度比YG類高、抗氧化性能好。因此，當要求刀具有較高的耐熱性及耐磨性時，應選用TiC含量較高的牌號。YT合金適用于加工塑性材料如鋼材，但不宜加工鈦合金及硅鋁合金。

YW類合金兼具YG、YT類合金的性能，綜合性能好，它即可用于加工剛材，又可用于加工鑄鐵和有色金屬。這類合金如適當增加鈷含量，強度可很高，可用于各種難加工材料的粗加工和斷續切削

TiC（N)基硬質合金既具有陶瓷的高硬度和耐熱性，又具有硬質合金的高強度，既可用于可轉為刀片也能用于焊接，且化學穩定性好，具有優異的抗氧化性和抗粘結性，加工時與剛到摩擦系數小，抗彎強度和斷裂韌性高，其功能幾乎覆蓋大部分硬質合金的使用范圍。因此，TiC（N）基硬質合金可作為高速切削加工刀具材料，不僅可用于精加工，而且也擴大到半精加工、粗加工和斷續切削。用于精車時，切削速度比普通硬質合金提高20%～50%。在鋼的高速切削，特別是對表面粗糙度要求較低的粗加工和半精加工中，TiC（N）基合金是最好的。目前TiC（N）基硬質合金各種機夾可轉位車刀、鏜刀、鉸刀、銑刀、復合孔加工數控刀具及整體式立銑刀、鉸刀等數控刀具正在應用于高強度、高硬度鋼和鑄鐵及各種耐熱合金零部件自動生產線上，以滿足高速、高效、硬質、干（濕）式精密加工技術要求。

超細晶粒硬質合金具有硬度高，強度、韌性、抗熱沖擊性能好等優異性能，因而即使在低速或斷續切割等加工條件下，切削刃也不易產生崩刃或破損。用其制造的小規格整體硬質合金刀具，如鉆頭（Φ2～Φ 20mm)、立銑刀（Φ0.25～Φ20mm)和絲錐等，切削速度可成倍提高。因此，超細晶粒硬質合金實用與制造尺寸較小的整體復雜硬質合金刀具，可大幅度提高切削速度。可用于加工各種高強度鋼、耐熱合金、耐熱不銹鋼以及各種噴涂焊和堆焊材料等難加工材料。

近幾年來,國內陶瓷刀具的發展十分迅速,品種增多,性能提高。隨著高速切削干切削和硬切削應用的增多，今后陶瓷必將得到更大的發展。

[1]艾興.蕭虹編著.陶瓷刀具切削加工.北京；機械工業出版社，1988

[2]肖詩剛編著.刀具材料及其合理選擇.北京；機械工業出版社，1990

[3]艾興.趙軍.推行陶瓷刀具研究走上國際先進行列.中國機械工程，1999

[4]鄧建新.艾興.陶瓷刀具加工磨損機理.硅酸鹽學報，1997.25（2）；192～196

[5]王零森.特種陶瓷.長沙.中南工業出版社，2000

孫和,男 （1962年-）山東鋁業職業學院講師長期從事機械教學和科研工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.060