陶瓷刀具材料的发展与应用

陶瓷刀具材料的发展与应用

摘要：随着工件材料的力学性能不断提高，产品的品种和批量逐渐增多，加工精度的要求日益提高，工件的结构和形状不断复杂化和多样化，各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削、超精密加工、绿色制造的发展和付诸使用，都对刀具提出了更高、更新的要求，预计在今后很长的时期内，切削加工工艺不会衰退，刀具和刀具材料将有更新的发展。而陶瓷刀具则以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性，在高速切削领域和难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势。

关键字：刀具材料陶瓷

陶瓷刀具材料具有很高的硬度、耐磨性能和良好的高温性能，可加工高硬度各类难加工材料，免除退火加工所消耗的电力和时间；可提高工件硬度，延长机器设备的使用寿命。同时陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝、氧化硅等是地壳中最丰富的，这在一定程度上也促进了陶瓷刀具研制与推广，陶瓷刀具材料的研制开发与应用取得了许多令人瞩目的成果。一、陶瓷刀具材料的发展概况

早在20世纪初，德国与英国已开始采用陶瓷刀具取代传统的碳素工具钢刀具，但由于当时的陶瓷脆性较大，所以其应用受到局限。如何克服陶瓷刀具材料的脆性，提高其韧性，成为近百年来陶瓷刀具材料研究的主要课题。20世纪50年代以前以纯Al2O3陶瓷为主，60年代至70年代以Al2O3/TiC复合陶瓷为主，70年代后期至80年代初期发展了氮化硅基陶瓷刀具材料及ZrO2相变增韧陶瓷刀具材料，80年代后期到90年代，发展了晶须增韧陶瓷刀具材料。进入21世纪，各种纳米增韧陶瓷刀具材料及陶瓷涂层刀具成为研究开发的核心。事实上，硬度高的材料往往强度和韧性低，要想提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。陶瓷刀具材料的这种硬度与韧性之间的矛盾使得研究具有高硬度同时又具有高强度、高韧性的陶瓷成为陶瓷刀具材料研究的热点。超细晶粒技术的发展和纳米复合材料的研究为陶瓷的发展增添了新的活力。根据Hall-petch关系，晶粒尺寸越小陶瓷材料的硬度和强度越高，当晶粒尺寸小到100nm左右时，强度和硬度会有很大提高。纳米改性、纳米复合成功解决了晶粒的异常长大问题，纳米级粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，导致基体晶粒细化。但是纳米粉的活性很大，界面反应激活能较低，在烧结过程中极易长大，尽管加入抑制剂，效果仍不理想，目前纳米级陶瓷刀具材料仍在研制过程中，开发出的陶瓷刀具产品相对

较少。纳米改性、纳米复合及超细晶粒陶瓷刀具材料的研究与开发将是今后陶瓷刀具材料发展的主要方向。

二、陶瓷刀具材料的种类和性能

陶瓷刀具材料可分为四大类：CA氧化铝基氧化物陶瓷(白陶瓷)；CM氧化铝基金属碳化物复合陶瓷(黑陶瓷)；CN氮化硅基氮化物陶瓷(非氧化物陶瓷)；CC陶瓷涂层刀具。目前氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具材料的应用最为广泛。

1. 氧化铝系陶瓷刀具材料

a. 氧化铝陶瓷刀具：刀具材料中采用纯Al2O3陶瓷及以Al2O3为主且添加少量其它元素的陶瓷材料，如MgO、NiO、SiO2、TiO2和Cr2O3等。这些添加物有利于加强Al2O3抗弯强度，但高温性能有所降低。Al2O3陶瓷的室温硬度与高温硬度都高于硬质合金材料。Al2O3陶瓷在室温与高温时抗压强度都很好，尤其可以克服一般高速钢刀具及硬质合金切削刀刃易形成的变形及塌陷缺点。此外，Al2O3陶瓷的抗氧化、抗粘结性及化学惰性都很好。氧化铝陶瓷刀具最适于高速切削硬而脆的金属材料，如冷硬铸铁或淬硬钢；用于大件机械零部件切削及用于高精度零件的切削加工。氧化铝陶瓷刀具在短、小零件、钢件的断续切削及Mg、Al、Ti及Be等单质材料及其合金材料切削加工时效果较差，容易使刀具出现扩散磨损或发生剥落与崩刃等缺陷。

b. 氧化铝—金属系复合陶瓷刀具：为提高Al2O3陶瓷刀具韧性，材料中引入10%以下的Cr、Co、Mo、W、Ti、Fe等金属元素，由此形成Al2O3金属陶瓷。这样材料密度、抗弯强度及硬度均有提高，但由于氧化铝—金属陶瓷刀具抗蠕变强度低、抗氧性差，到目前为止，其推广使用情况不佳。

c. 氧化铝—碳化物系复合陶瓷刀具：系将一定比例的碳化物，如Mo2C、WC、TiC、TaC、NbC和Cr3C2等加入到Al2O3陶瓷中，采用Mo、Ni(或Co、W)等金属作为粘结相热压而成的陶瓷刀具材料。当TiC含量为30%时，陶瓷刀具的耐用度获得显著提高，而热裂纹深度也较小。目前国际上生产的热压Al2O3-TiC陶瓷刀具均采用此配方，如山东大学的SG4陶瓷刀具、肯纳刀具公司的KY1615等。Al2O3-TiC陶瓷的抗弯强度，耐热冲击性等均优于纯Al2O3陶瓷刀具。在Al2O3-TiC陶瓷材料中，由于金属粘结Al2O3晶粒和碳化物晶粒二者相互穿插的

骨架组成，具有较高的联接强度，因此形成较好的切削性能。这类陶瓷刀具最适用于加工淬硬钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、铸钢，镍基或镍铬合金，镍基和钴基金合等，另外还可用于非金属材料如纤维玻璃，塑料夹层及陶瓷材料的切削加工。由于氧化铝一碳化物金属陶瓷抗热震性能良好，故可适用于铣削，刨削，反复短暂切削或其它断续切削等，亦可采用切削液进行湿式切削等。

d. 氧化铝—氮化物、硼化物金属复合陶瓷刀具：此种陶瓷刀具材料基本性能与加工范围与Al2O3一碳化物金属陶瓷材料相当，不过由于以氮化物、硼化物取代TiC，如Al2O3-TiN, Al2O3-Ti(C,N)，Al2O3-TiB2，因此它具有更好的抗热震性能与更适用于间断切削。但是其抗弯强度与硬度都比添加TiC的金属陶瓷低一些，对它的研究与开发仍在继续中。

e. SiC晶须增韧Al2O3陶瓷刀具：SiC晶须的加入使Al2O3基陶瓷的断裂韧性提高两倍多，同时保留了很高的硬度，目前这种陶瓷刀具可用于淬硬钢、工具钢、冷硬铸铁和镍基合金的加工。如肯纳刀具公司的KY4300为SiC晶须增韧Al2O3陶瓷刀具，具有良好的韧性，可用于加工高温合金和高硬度铸造材料。

f. AlON基陶瓷：在氮氧化铝(AlON)基体中添加碳化硅晶须，可使氮氧化铝陶瓷基体得到加强。对于传统的高温合金精加工而言，这种刀具材料具有强韧性、抗磨损性和抗热冲击性三者的完美结合。与碳化硅晶须增强氧化铝基陶瓷相比，经碳化硅晶须增强的氮氧化铝陶瓷已被证明可以提高其抗破损能力。

2. 氮化硅系陶瓷刀具材料

a. 单一Si3N4陶瓷刀具：此类陶瓷刀具主要是以MgO为添加剂的热压陶瓷。由于Si3N4陶瓷以共价键结合，晶粒是长柱状的，因此有较高的硬度、强度和断裂韧性，其硬度为91～93HRA，抗弯强度为0.7～0.85GPa，耐热性可达1300～1400℃，具有良好的抗氧化性。同时它有较小的热膨胀系数(=3×10-6/℃)，所以有较好的抗机械冲击性和抗热冲击性。Si3N4刀具适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削寿命比硬质合金刀具高几倍至十几倍。此外，Si3N4陶瓷有自润滑性能，摩擦系数较小，抗粘接能力强，不易产生积屑瘤，且切削刃可磨得锋利。能加工出良好的表面质量，特别适合于车削易形成积屑瘤的工件材料，如铸造硅铝合金等，在汽车发动机铸铁缸体等加工中应用越来越普遍。