陶瓷刀具的種類及發展趨勢

史暢 劉泉桐 趙旋 李明冉

摘 要： 本文主要研究陶瓷刀具的種類，應用以及發展前景，并簡單介紹了陶瓷刀具的發展背景。隨著新技術革命的發展，要求不斷的提高切削加工的生產率并且降低生產成本，特別是數控機床的發展，要求開發比硬質合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。其次，現在國際上硬質合金產量已經達到了20000—25000t。每年所消耗的大量金屬，比如W、Co、Ta以及Nb等等。這些金屬的礦產資源正在減少，價格也在上漲，按照目前的消耗速度來看，不到幾十年，有些資源便會被耗盡。陶瓷刀具便是在這樣的背景下發展起來的。

關鍵詞：材料學;陶瓷刀具;綜述;種類;發展趨勢

1 引 言

陶瓷刀具材料是一種比較先進的切削材料[1]，除了應用于食器、裝飾上以外，陶瓷刀具在工業和科學技術的發展中也有著十分重要的作用。目前各種難以切削的新材料在日益增長，各種高強度、高硬度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫的陶瓷刀具不斷涌現[2]。

2陶瓷刀具的種類與應用

2.1 Al2O3基陶瓷

2.1.1白陶瓷

當Al2O3基陶瓷中的雜質含量不足0.1%時，稱為白陶瓷，它的純度比較高，其中雜質的成分多為氧化鎂或者是氧化鈦等，它的耐磨性非常好，主要應用于高速切削灰鑄鐵等材料，然而，它的強度很低，韌性以及抗熱性能都比較差。

2.1.2 黑陶瓷

當Al2O3基陶瓷中的其他物質的含量達到20%—30%時，這樣的陶瓷稱為黑陶瓷，其他物質的成分多數為碳化鈦，一般和Al2O3經過加熱壓制而成，形成復合陶瓷。這種復合陶瓷的硬度要比白陶瓷的硬度大，它的強度、耐磨性以及熱硬性都比白陶瓷要好，主要應用于切削高強度鋼等。

2.1.3 金屬陶瓷

在黑陶瓷中加入微量的鎳或是鉬等金屬，經過加熱壓制處理而形成的陶瓷叫做金屬陶瓷。金屬陶瓷的抗彎性以及剛度都比較強，主要應用于切削調制合金鋼，它的切削速度以及刀具的使用壽命都比一般的刀具要強，并且因為金屬陶瓷中含有少量的金屬成分，從而可以獲得較細的表面質量。

2.1.4 晶須增強陶瓷

晶須增強陶瓷是最近發展起來的一類陶瓷材料，這類材料中大多含有線狀的碳化硅纖維，在陶瓷中添加了碳化硅纖維以后，陶瓷的耐磨性以及強度都Al2O3.有所提高，并且它的斷裂韌性是以前的陶瓷斷裂韌性的二倍，晶須增強陶瓷主要應用于切削淬火鋼以及工具鋼等[4]。

2.2Si3N4基陶瓷

2.2.1 Si3N4陶瓷

Si3N4陶瓷是一種非氧化的工程陶瓷，它的強度非常高，僅次于金剛石。適合應用于粗銑、斷續車削以及濕式加工等。Si3N4陶瓷的強度、硬度、韌性以及抗彎性都比Al2O3基陶瓷要好，而且Si3N4陶瓷還能承受住比較大的沖擊力。

2.2.2 復合Si3N4陶瓷

復合Si3N4陶瓷的沖擊力是Al2O3基陶瓷的1-2倍，切削壽命也是硬質合金刀具的十倍甚至是一百倍[5]，它主要是應用于切削玻璃鋼、高錳鋼以及淬火鋼等，不適合用于切削普通鋼材。

3陶瓷刀具的應用

不同的陶瓷刀具材料有著不同的用途，所以它們的應用范圍也不同。

陶瓷刀具的耐用度比傳統的刀具高了幾倍甚至是幾十倍，大大減少了在加工的過程中的換刀次數，保證了被加工工件的小錐度以及高精度。

3.1Al2O3基陶瓷刀具的應用

Al2O3基陶瓷刀具適用于高速切削硬度大并且脆性強的金屬材料，比如冷鑄鐵或煙熏鑄鐵。也可以應用于加工銅合金、石墨、工程塑料以及復合材料等[6-8]。

3.2Si3N4基陶瓷刀具的應用

Si3N4基陶瓷刀具廣泛應用于粗銑削以及粗車削等濕處理。它還可以完成許多普通刀具所不能完成的加工流程，例如斷續切削、氧化皮切削等等。并且，Si3N4基陶瓷刀具的摩擦系數較小，抗粘能力較強，因此，在進行車削工件時不容易產生堵塞，非常適用于車削時容易形成積屑瘤的工件材料[9]。

4陶瓷刀具的現狀

隨著時代的進步以及現代科學技術的發展，傳統的刀具已經不能滿足各種高強度、高硬度工程材料的需要。目前，新型的陶瓷刀具正在不斷的涌現。預計未來幾年，陶瓷刀具在世界上的比重將達到15%～20%[10]。它的研發甚至可能引發切削技術的第三次革命。

4.1Al2O3基陶瓷材料的現狀

目前，在市場上應用最廣泛的陶瓷工具是Al2O3基陶瓷刀具。其表面粗糙度小，在高溫下不會與工件發生化學反應[11]。然而，它也有低韌性和高脆性的缺點[12]。我們常用WC、TiC以及碳化硅晶須等進行強化Al2O3基陶瓷刀具的韌性。

4.2Si3N4基陶瓷材料的現狀

Si3N4陶瓷刀具具有相對穩定的切削性能，是上世紀80年代發展起來的新型陶瓷材料，其在切削性能以及硬度強度等各項性能上都優于Al2O3基陶瓷材料，目前Si3N4基陶瓷材料有單一Si3N4陶瓷以及Si3N4復合陶瓷等應用的較為廣泛。并且Si3N4陶瓷刀具在耐熱合金等材料的加工制造過程中也顯示出了一定的穩定性與優越性[13]。

5陶瓷刀具的發展趨勢

陶瓷材料在刀具中的應用已經有很長時間的歷史了。早在二十世紀五十年代后期，以Al2O3陶瓷刀具為主，在二十世紀六十到七十年代期間，以Al2O3陶瓷加入碳化鈦等復合Al2O3陶瓷為主，等到了二十世紀八十年代時，Si3N4基陶瓷則得到了人們十分廣泛的研究與應用[14-15]。

陶瓷刀具材料的開發以及研究在一定程度上來說，已經處于瓶頸期，如何研究性能更加優良的陶瓷復合材料，滿足現代社會對制造業發展的需要至關重要。所以，陶瓷材料還有非常大的發展空間，并且有其它刀具材料無法比擬的優勢[16]。隨著這種材料的不斷發展和深入，一定可以更好的應用在高速機床以及高速切削技術中，進一步的推動制造業的向前發展。并且陶瓷刀具可以實現以車削代替磨削的有效加工技術，以及干切削加工技術，來提高零件生產加工的表面質量[17-18]。

6結論

本文介紹了陶瓷刀具的種類、用途，以及陶瓷刀具材料的發展現狀和發展趨勢。針對不同的工件以及加工條件，使刀具材料系列化、標準化，是陶瓷刀具材料廣泛使用的有效手段。

隨著陶瓷材料不斷深入的研究與開發，陶瓷刀具在金屬切削加工業中的應用也在不斷地擴展，陶瓷刀具材料一定會在未來的許多應用與發展中做出更大的貢獻。

參考文獻

[1] 葉毅，葉偉昌.陶瓷刀具材料的種類與應用[J].硬質合金，2003（03）：56-60.

[2] 劉晶，沈世妃，郭易芬，李喜坤，馬偉民.先進陶瓷刀具材料的發展與應用[J].中國材料科技與設備，2008：5-10.

[3] 陳木其.陶瓷刀具的特性、種類及應用[J].機械制造（11）：15-16.

[4] 王仲禮.現代陶瓷刀具材料的種類及特點[J].工業陶瓷，1992（4）：35-37.

[5] 黃云戰.新型陶瓷刀具的應用分析及其研究[J].機械工程師，2003（04）：10-12.

[6] 趙曉麗.陶瓷刀具材料及其發展前景[J].福建質量管理，2017.

[7] 李從云.淺談陶瓷刀具的應用[J].工具技術，2013（08）：55-57.

[8] 趙永生.陶瓷刀具材料及應用技術[J].佛山陶瓷，2004：38-39.

[9] 袁帥，劉獻禮，岳彩旭.陶瓷刀具的應用及其發展[J].金屬加工：冷加工，2015：59.

[10] 肖詩綱.刀具材料的新發展[J].機械工藝師，1994.3.

[11] 閆石，陳爽，張葆青.陶瓷刀具的應用與發展[J].制造技術與機床，2011（07）：66-68.

[12] 周晨，楊巍.機械切削領域陶瓷刀具研究進展及趨勢[J].佛山陶瓷，2015（04）：21-23.

[13] 李從云.淺談陶瓷刀具的應用[J].工具技術，2013（08）：55-57.

[14] 國內外陶瓷刀具的發展趨勢[J].工具展望，1997（6）：15-17.

[15] HUANG C Z. A study on the development of a composite ceramic tool ZrO2/（W.Ti）C and its cutting performance [J].Journal of Materia ls Processing Technology， 2001，129（1）：349-353.

[16] 楊鳳舉.刀具材料及陶瓷刀具[J].西部皮革，2017（12）.

[17] 伍換，黃越，林宗常.新型陶瓷刀具的研究進展[J].商品與質量·學術觀察，2013（8）：133-133，134.

[18] 韓花麗，劉裕，鐘展，張瓊丹.基于KBE的工程設計[J].機械研究與應用，2006.