陶瓷刀具的應用及其發展

■哈爾濱理工大學 （黑龍江 150080） 袁 帥 劉獻禮 岳彩旭

陶瓷刀具的應用及其發展

■哈爾濱理工大學 （黑龍江 150080） 袁 帥 劉獻禮 岳彩旭

摘要：陶瓷刀具在生產過程和新材料的研究中有突出成果。本文介紹了刀具材料的種類以及不同材質陶瓷刀具的選用，并舉例說明刀具的使用和加工范圍。

在現代化加工過程中，提高加工效率的最有效的方法是采用高速切削加工技術。隨著人們對航空航天、汽車及武器裝備制造技術的不斷需求，對強度和精度要求的不斷提高，陶瓷刀具因其優越的力學性能，被越來越多地應用在高速切削加工行業中。陶瓷刀具壽命長，換刀次數少，且陶瓷刀具主要原料為硅，在地球上資源豐富，在制造過程中更加環保，因此陶瓷刀具在金屬切削和先進陶瓷材料領域的研究及應用前景非常廣闊。

1. 陶瓷刀具的種類

陶瓷刀具是用特種陶瓷粉末材料高壓研制而成。陶瓷刀具材料分為3大類：氧化鋁系陶瓷、氮化硅系陶瓷及復合氮化硅—氧化鋁系陶瓷。

（1）氧化鋁系陶瓷刀具。以Al2O3為主體的陶瓷材料，其中包括純氧化鋁陶瓷、氧化鋁中添加各種碳化物、氧化物、氮化物與硼化物等組合陶瓷以及在氧化鋁中同時添加化合物與粘結金屬的組合陶瓷等，氧化鋁系陶瓷如圖1所示，其中氧化鋁系陶瓷刀具還有以下5種分類：①純Al2O3基陶瓷刀具。②Al2O3-TiC陶瓷刀具。③Al2O3-ZrO2陶瓷刀具。④Al2O3-Si C晶須增強陶瓷刀具。⑤Al2O3-/（W，Ti）C梯度陶瓷刀具。

（2）氮化硅系陶瓷刀具。包括氮化硅（Si3N4）陶瓷和以氮化硅為基體的添加其他碳化物制成的組合氮化硅陶瓷。此類陶瓷刀具主要是以MgO為添加劑的熱壓陶瓷。氮化硅陶瓷刀具主要原料是氮和硅，用它代替硬質合金，可節約大量W、Co、Ta和Nb等重

要的金屬，氮化硅系陶瓷刀具如圖2所示。

（3）復合氮化硅—氧化鋁系陶瓷刀具。賽隆（Sialon）陶瓷刀具是用氮化鋁、氧化鋁和氮化硅的混合物在高溫下進行熱壓燒結而得到的材料。在其中添加Y2O3可使組織致密化。由于碳化鈦和氮化硅的熱膨脹系數相差太大，高速切削加工時因刀尖溫度急劇升高，會產生較大的熱應力，降低了刀具的使用壽命。為此，許多國家又開發了（α′+β′）-Sialon復相陶瓷刀具。賽隆（Sialon）陶瓷刀具如圖3所示。

圖1　氧化鋁系陶瓷刀具

圖2　氮化硅系陶瓷刀具

圖3　賽隆（Sialon）陶瓷刀具

2. 陶瓷刀具的選用

陶瓷刀具主要是用于硬質合金刀具不能加工的普通鋼和鑄鐵的高速切削加工以及難加工材料的加工。每一品種的陶瓷刀具都有其特定的加工范圍。

（1）氧化鋁基陶瓷刀具。氧化鋁基陶瓷刀具適應于加工高速切削硬而脆的金屬材料，如冷硬鑄鐵或淬硬鋼，也可加工銅合金、石墨、工程塑料和復合材料，加工鋼材優于氮化硅基陶瓷；用于大件機械零部件切削及高精度零件切削加工。

氧化鋁陶瓷刀具加工短、小零件，鋼件斷續切削Mg、Ti和 Be等單質材料及其合金材料時效果較差，容易使刀具出現擴散磨損或發生剝落、崩刃等缺陷。還因其基體含有Al元素，在加工鋁及鋁合金時存在較大的親和力，刀具會出現較大的粘結磨損和擴散磨損，故不宜于加工鋁合金。同樣，Al2O3/TiC和Al2O3/（W，Ti）C的“黑色”陶瓷刀具中含有Al及Ti元素，在加工鋁、鋁合金和鈦、鈦合金時存在較大的親和力，故不宜于加工鋁、鈦及其合金。顆粒SiCw或晶須SiCw增韌的Al2O3陶瓷刀具在加工鎳基高溫合金、純鎳和高鎳合金時表現出優良的切削性能，但加工鋼件時SiCw很容易在切削高溫作用下與鋼料中的Fe發生反應而使晶須SiCw原有的硬度和耐磨性能降低，晶須與基體的結合強度削弱，刀具材料急劇磨損。所以添加晶須SiCw增韌的Al2O3陶瓷刀具不適合于加工鋼件和鑄鐵。例如：山東大學陶瓷刀具LT55為Al2O3TiC陶瓷刀具，允許切削溫度高達1 800℃、切削速度高達900m/min，適用于多種鋼（55HRC）和鑄鐵，特別適用于超高強度鋼和超硬鑄鐵。北京清華紫光方大高技術陶瓷FD12為Al2O3+TiC陶瓷刀具，切鋼件時的耐磨性好，適用于硬度<65HRC鋼與鑄鐵的精加工。肯納（Kennametal）刀具公司開發的KY1525為晶須增韌氧化鋁陶瓷刀片，用于高溫耐熱合金精加工或通用加工，刀片耐磨性好。京瓷（Kyocera）公司的Al2O3-TiC復合陶瓷A65適于半精、精加工鋼、鑄鐵高硬材料。黛杰（Dijet）公司開發的Al2O3陶瓷CA010適于鑄鐵、鋼連續高速精加工；Al2O3-TiC復合陶瓷CA100適于鑄鐵鋼連續車削；晶須SiCw增韌陶瓷刀具CA200可用于耐熱合金、鑄鐵斷續切削加工。

（2）氮化硅系陶瓷刀具。Si3N4刀具適合于鑄鐵、高溫合金粗精加工及高速切削重切削，其切削壽命比硬質合金刀具高幾倍至10幾倍。此外，Si3N4陶瓷有自潤滑性能，摩擦系數較小，抗粘接能力強，不易產生積屑瘤，且切削刃可磨得鋒利，可加工出良好表面質量，特別適合于車削容易形成積屑瘤的工件材料，如鑄造硅鋁合金等，在汽車發動機鑄鐵缸體等加工中應用越來越普遍。

Si3N4基陶瓷材料刀具的斷裂韌性和抗熱裂性高于氧化鋁基陶瓷材料刀具，其在鑄鐵和鎳基合金的切削加工中得到廣泛應用。

Si3N4基陶瓷刀具高速切削鑄鐵時主要發生磨料磨損，而高速切削碳鋼時主要發生化學磨損。由于Si3N4和Fe之間存在較大親和力以及Si和Fe之間的相互擴散，Si3N4基陶瓷刀具不適合于對純鐵和碳鋼等材料進行高速切削。Si3N4基陶瓷材料刀具最適宜高速加工鑄鐵和高溫合金。例如：北京清華紫光方大高技術陶瓷FD05為Si3N4陶瓷刀具，抗熱振性好，強度好，抗沖擊性好，但不適于切削高強鋼，適用于硬度<62HRC鑄鐵的毛加工、斷續切削及高速大進給切削。肯納（Kennametal）刀具公司開發的KY3500為純氮化硅陶瓷，韌性最強，用于灰口鑄鐵大進給量加工，包括斷續切削。伊斯卡（ISCAR）公司開發氮化硅刀具IS8主要成分包括Si3N4、Al2O3及Y2O3，特別適合于粗、半精加工鑄鐵，也可用于車削或銑削灰鑄鐵、球墨鑄鐵。京瓷（Kyocera）公司的KS500和KS6000都是Si3N4基陶瓷，前者適合于斷續、高進給切削鑄鐵，也可用于濕切削；后者用于粗車高溫合金。黛杰（Dijet）公司開發的Si3N4陶瓷刀具CS100主要用于鑄鐵連續或斷續切削加工。

（3）復合氮化硅—氧化鋁系陶瓷刀具。賽隆（Sialon）陶瓷刀具具有很高的強度和韌性，是高速粗加工鑄鐵和鎳基合金的較好刀具材料，例如灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、冷硬鑄鐵以及高合金耐磨鑄鐵等，不宜用來加工鋼材。但是賽隆（Sialon）陶瓷刀具的熱膨脹系數低，與鋼的溶解磨損速度比，Al2O3基陶瓷刀具高很多，Fe向刀具中的擴散會造成非常嚴重的月牙洼磨損，故不適合加工鋼料。例如：肯納（Kennametal）刀具公司開發的KY1310為Sialon陶瓷刀片，耐磨性極好，通常用于灰口鑄鐵高速連續車削加工，也可以車削硬化工件表皮。KY2100也為Sialon陶瓷刀片，耐磨性好，而且具有良好抗機械沖擊能力，可用于高溫合金通用加工。

3. 陶瓷刀具使用注意要點

（1）適于陶瓷刀具加工的機床必須具有良好的剛性、足夠的功率、較高的轉速和刀具的夾持牢固性，以防破損和崩刃。

（2）根據被加工材料性質及特點，正確選用陶瓷材料的種類和牌號。

（3）為了發揮陶瓷刀具材料的抗壓強度，陶瓷刀具一般采用負前角（-5°～-12°）。

（4）為了利用陶瓷刀具材料的耐熱性與耐磨性，可盡量采用較大的背吃刀量和較高的切削速度，但選擇進給量應稍低些。

（5）陶瓷刀具對沖擊和振動載荷比較敏感，系統剛性差是陶瓷刀具壽命降低或引起崩刃的主要原因。將刀片裝在萬能工具磨床上用金剛石砂輪磨出負前角，以減少沖擊。

（6）在加工帶有嚴重夾砂和砂眼的硬鑄件前，最好用手砂輪對缺陷的部分進行修理或修正，這樣可避免不必要的打刀，從而得到較好的加工效果。

4. 總結

隨著新型刀具材料的不斷出現，特別是陶瓷刀具材料的開發，研究得到了一些新的成果：Bernhard Karpuschewski研究出在真空熱壓燒結制得 Ti B2-TiC復合陶瓷刀具材料，研究了納米鎳、鉬添加劑和燒結升溫速率對力學性能和粒度特征的影響。Guangming Zheng研究出賽隆Si3N4陶瓷梯度納米復合陶瓷刀具，通過車削鉻鎳鐵718 合金的試驗后得到梯度陶瓷刀具的切削壽命之所以明顯高于常用的刀具，歸功于加強和優化刀具的梯度成分結構和增加納米顆粒的大小。ZouBin研究出TiB2-TiC 復合粉末由TiB2-TiC 與乙醇用真空干燥制得，Ti B2-TiC+8wt%納米鎳復合陶瓷刀具材料采用真空熱壓燒結技術，燒結的不同階段和不同時間對微觀結構與力學性能都有影響。

陶瓷刀具材料已被認為是效率最高、最有發展前途的刀具材料。陶瓷刀具可以實現以車代磨、以銑代拋的高效“硬加工技術”以及“干切削技術”，提高零件加工表面質量。隨著各種新型陶瓷刀具材料的使用，必將促進高效機床及高速切削技術的發展，而高效機床、高速切削技術的推廣與應用以及陶瓷刀具更環保，更省時、省電，從而帶來經濟與環境的雙效益。

參考文獻：

[1] 哈爾濱理工大學，金屬加工雜志社. 數控刀具選用指南[M]. 北京：機械工業出版社，2014.

[2] 趙鴻，于世超. 現代刀具與數控磨削技術[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

收稿日期：（20141226）