氧化铝陶瓷切削刀具的介绍

氧化铝陶瓷切削刀具的介绍2010/8/4/9:1来源：《磨料磨具》杂志氧化铝（刚玉）在磨料和磨具上的应用已有很长的历史，国际每年使用数量也是很大的，如2008年据海关统计中国出口刚玉磨料和磨具82.0512万吨（约50440.4万美元），进口6.5555万吨（约5623.5万美元）。

而氧化铝（刚玉）陶瓷刀具是其发展的精尖制品，是近代氧化铝陶瓷的典范，其附加值很高。

Al2O3（刚玉）粉料4～5元／公斤，而氧化铝基刀具价达2000～3000元／公斤。

2007年西方国家陶瓷刀具的销售额估计达45亿美元以上，而氧化铝基陶瓷刀具约占一半。

其中以日本产量最大，其次为美国、德国、英国等，而俄罗斯也有一定规模的产量。

但国内对这种原料资源广、价廉，能生产高附加值的工具却发展不大，可能与中国钨资源丰富而偏重钨基硬质合金刀具有关。

氧化铝原料对碳化钨和氮化物原料而言是最廉价的，而氧化铝刀具价高。

氧化铝刀具的比重约为硬质合金（碳化钨基）的三分之一，以体积价格计算，氧化铝刀具比硬质合金刀具要便宜、这也是促使国际氧化铝刀具发展的因素之一。

一、氧化铝的性能现代新陶瓷材料包含氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物，以及它们之间的复合化合物。

从用途分有工程结构陶瓷、功能陶瓷、刀具陶瓷等。

刀具陶瓷是用来车削或铣削加工金属及合金的工具。

除碳化物以外作刀具陶瓷的即是氧化物、氮化物。

在氧化物中最适合的就是氧化铝（刚玉－α-Al2O3）材料。

纯Al2O3在低温下存在十多种晶型，但主要的有三种：即α- Al2O3、β- Al2O3、γ- Al2O3，所有的晶型在温度超过1600℃以上，都会转变成高温稳定的α- Al2O3（刚玉），这个转变是不可逆的。

一般Al2O3硬度是很低的，只有刚玉型α- Al2O3的硬度（莫氏硬度为9）才是很高的，刚玉才能作切削工具和耐磨件。

α-Al2O3属六方晶系，刚玉（单位晶胞是尖的菱面体）结构，a=4.76Å，c=12.99Å。

密度3.96~4.01g/cm3，硬度（HV）3000kg／mm2，杨氏模量42kg／mm2，热导率0.07卡／（厘米·秒·℃），热膨胀系数8.5×10ˉ6℃。

氧化铝的化学稳定性是很强的，与很多材料的反应都很弱。

二、氧化铝陶瓷刀具目前切削钢材、铸铁、合金钢材及不锈钢材等普遍采用碳化物基的硬质合金（WC －Co、WC－TiC－Co）。

对于某些特殊材料也采用硬度最高的金刚石及立方氮化硼（CBN），但它们的强度比硬质合金较低，且金刚石工具不利于切削钢铁材料，因为碳质元素的金刚石易与铁元素反应生成碳化铁，而使金刚石损耗，但金刚石刀具对加工铝硅合金有独特的优点。

而CBN对铁基等很多材料都不起反应，对加工冷硬铸铁、司太立合金、耐热镍基合金等具有较好的性能。

氧化铝与其他刀具材料不同的特性是：氧化铝化学性能稳定，抗氧化性特别好，它的切削刃即使处于红热状态下也能长时间切削，则氧化铝陶瓷刀具特别适于高速切削和加热切削。

由于氧化铝对大部份金属的润湿性差，所以很难与金属粘结（如与钢的粘结温度：氧化铝为1528℃以上、碳化钨为1316℃），在切削时表现为摩擦系数低、切削力小、不易产生积屑瘤和粘结磨损，因此加工件容易得到很高的光洁面。

氧化铝是所有刀具材料中最不活泼的，则在切削时可减少刀具的扩散磨损，Al2O3在铁中的溶解率，比WC要低4～5倍，因而氧化铝陶瓷刀具切削钢材时的磨损率，比WC基硬质合金刀具可小一个数量级至几十倍。

利用氧化铝陶瓷刀具高耐磨性和适于高速切削的特点可加工大件，如加工长度7320mm，炮口直径155mm，尾端直径310mm的钢炮管。

氧化铝适合加工大多数金属材料，尤其适合切削冷硬铸铁或淬硬钢，对这些材料采用精车代磨可取得明显的技术经济效益。

在高温下氧化铝保持高硬度，其切削速度可达1300米/分。

目前氧化铝刀具主要用于半精加工和精切削，精切削其精度和光洁度适合硬材料的以车代磨，而提高加工效率数倍，加工成本可降低一半以上，所以氧化铝刀具是很受人欢迎的。

在德国汽车上很多部件都是氧化铝陶瓷刀具以车代磨精加工完成的。

切削加工时，陶瓷刀具可承受2000℃的高温，而硬质合金在800℃时则变软。

硬质合金在太高的切削速度时，产生过热的温度，月牙磨损严重导致刀具损坏。

陶瓷刀片耐高温，对高温切削更有利，因为金属工件在高温时趋于软化和塑性化，易切削且能量低。

由于陶瓷热导率低，高温只在刀尖，高速切削所产生的热量都随切屑带走。

众多研究者认为：氧化铝陶瓷刀片能够，且必须高于硬质合金切削的10倍线速度下进行切削，才能真正体现陶瓷刀片的优点。

三、氧化铝陶瓷刀具的生产在切削刀具的发展中，虽然早已出现有氧化铝陶瓷刀具，但由于生产工艺落后使制品性能较差，限制了其发展。

随着近代科技的发展，采用高效球磨、搅拌球磨新技术能使Al2O3的粒度粉碎到0.2μm以下。

新的热压和热等静压烧结工艺，可以使氧化铝刀具制品的孔隙度为0～0.3％，晶粒最细可达0.6μm以下。

氧化铝陶瓷刀具的机械强度差和韧性低，但ZrO2增韧的氧化铝陶瓷和氧化铝复合陶瓷已能满足工具要求。

这些新技术使老的氧化铝陶瓷进入了现代陶瓷行列。

氧化铝在烧结（1600℃）中转变为刚玉晶型，所以切削陶瓷的烧结温度皆在1600℃以上。

氧化铝刀具的烧结新工艺有：⑴、热压烧结（HP）——加或不加烧结助剂，热压温度较低，温度一般在1650℃～1700℃之间，压力约20MPa。

料装入石墨模具中，同时加压和加热进行烧结成型，制品性能高。

⑵、热等静压（HIP）——冷压成形后外加包皮或冷压烧结到制品无连通孔后在高温和高压氩（氮）气中进行烧结，温度一般在1650℃～1700℃之间，压力约200MPa。

但成本较高。

⑶、冷压烧结（CP）——料必须加入烧结助剂，室温下模压成坯，压坯在真空下或常压气氛下进行烧结，温度一般须在1800℃以上。

制品孔隙较高、晶粒粗、以及烧结助剂的不利影响，使刀具的性能降低。

⑷、放电等离子烧结（SPS）——是利用脉冲加热使粉末体内部自身发热而进行的，使粉末脉冲放电活化烧结。

放电等离子烧结，是基于热压的最先进工艺，最新报导可以生产纳米级（0.3μm以下）的氧化铝陶瓷刀具。

各种烧结工艺的制品综合性能（高→低）：SPS→HIP→HP→CP烧结。

HP由于制品性能优异，且成本不太高，是氧化铝新刀具的首选工艺。

所以国际所有氧化铝基陶瓷刀具大部份都是热压烧结（HP）生产的。

陶瓷材料一般是很脆的，ZrO2相变增韧的应用，使陶瓷材料的性能出现革命性的变化。

纯Al2O3中加入ZrO2增韧的热压陶瓷材料，是保持纯氧化铝特性及性能最好陶瓷。

ZrO2增韧纯Al2O3陶瓷已是工业应用最有效的典范。

ZrO2的增韧，无论是纯Al2O3陶瓷或Al2O3—碳（氮）化物复合陶瓷。

都能有效地提高其力学性能。

如抗弯强度（MPa×102）：无ZrO2时为6.0，含ZrO20.3％（体积）时为9.0。

断裂韧性（MPa·m1／2）：无ZrO2时为5.0，含ZrO20.42％（体积）时为8.0。

ZrO2的相变增韧是基于ZrO2有三种晶型：低温为单斜晶系，密度5.65g／cm3。

高温为四方晶系，密度6.10g／cm3。

更高温度（2371℃）下转变为立方晶系，密度6.27g／cm3，ZrO2的所有晶型转变都是自动可逆的。

室温到1170℃稳定的单斜晶型（m-ZrO2），加热到1170～1900℃转变成稳定的四方晶型（t-ZrO2）。

m-ZrO2晶型与t-ZrO2晶型的转变，伴随着7~9 %的体积变化。

在烧结冷却时，陶瓷基体中弥散的粒子t-ZrO2向m-ZrO2转变的趋势对材料起增韧作用，其增韧机制有：⑴、应力诱发相变增韧。

当周围基体对t-ZrO2向m-ZrO2转变的体积膨胀和形状改变的弹性约束作用有很大的力度时，四方晶型可以在室温下以亚稳态保存下来，不发生相变。

当受外力作用时，部分解除了基体的约束力，转变才可以进行。

这时的转变称为应力诱发相变。

相变所做的功及吸收的能量，提高了断裂能以达到增强、韧化陶瓷材料的目的。

⑵、微裂纹增韧。

t-ZrO2向m-ZrO2转变时的体积变化，在转变粒子周围形成许多小于临界尺寸的微裂纹。

这些微裂纹在负载作用下是非扩展性的，因此并不降低材料强度。

当大的裂纹在负载作用下扩展遇到这些裂纹时，将诱发新的相变，并使扩展裂纹转向而吸收能量，起到提高值的作用。

这种韧化叫微裂纹增韧机制。

⑶、表面强化、韧化。

由于表面不存在基体的约束，则t-ZrO2向m-ZrO2转变容易进行。

而内部的四方晶由于受到基体的约束而保持亚稳状态。

表面由于晶型转变产生的体积膨胀，而使表面形成压应力，因而使表面强化。

（王零森《特种陶瓷》中南大学出版社）近代纤维技求已达一定水平，纤维增强（即陶瓷复合材料）也是韧化陶瓷极为有效的方法。

如采用SiC晶须增韧Al2O3刀具，是刀具强度提高的又一种新方法。

利用电子显微镜观察刀具材料内部结构，使近代陶瓷的成份组合达到科学的理想水平。

以上这些都造就了近代氧化铝高性能陶瓷的形成。

四、氧化铝与其相辅材料的性能复合氧化铝陶瓷要优于纯氧化铝陶瓷的性能。

与氧化铝陶瓷刀具相配合的一些陶瓷材料的性能见表－1五、氧化铝刀具的类型从成分和结构上，刀具用陶瓷可以分为以下类别：⒈纯氧化铝陶瓷加入助烧剂无压烧结。

氧化铝是很难烧结的，为了改善烧结性，降低烧结温度和提高制品密度，加入添加剂。

添加剂有二类：一类与Al2O3形成固溶体的添加剂，如Cr2O3、TiO2、MgO2等。

另一类生成液相的添加剂，如高岭土、SiO2、CaO、MgO 等，无压烧结陶瓷由于切削时崩刃，故这种工艺已很少应用。

⒉氧化铝－碳化物（TiC、TiN 、WC、Mo2C，Cr3C2等）复合陶瓷。

如氧化铝与碳（氮）化物的陶瓷，是在Al2O3 中加入12～30wt％的TiC或含少量的其他物，或加入30wt%（TiN、TiC）、或（TiC、N），这类陶瓷比纯Al2O3陶瓷具有更高的硬度和强度。

为了致密和细晶粒，这类Al2O3基刀具都采用热压工艺。

⒊氧化铝－碳化物－金属系陶瓷。

如Al2O3－30％TiC－1％Co，金属提高了材质的强度。

⒋Al2O3－SiC晶须增韧陶瓷。

它是在Al2O3陶瓷中添加20～30％的SiC晶须（直径小于0.5μm，长度为10～80μm的单晶，其抗拉强度为7GPa，弹性模量超过700GPa），使Al2O3陶瓷韧性大幅度提高，断裂韧性可达9.0MPa·m1/2。

适用断续切削及粗车、铣削和钻孔等方式加工淬硬钢、高硬铸铁、镍基合金等。

美国、瑞典等均有上市牌号。

氧化铝陶瓷切削刀具与其他刀具的性能比较见表－2各种陶瓷刀具性能的比较见表－3。

从表－3可知：氧化铝、复合氧化铝、氮化硅三种陶瓷中，氮化硅基陶瓷有很高的耐热冲击性，是其良好的导热性和低的膨胀系数所引起的，这两个因素可降低刀片较热和较冷部分之间产生的应力，因此氮化硅基陶瓷具有很好的刃口强度。