孫和 山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院

陶瓷刀具研究及應(yīng)用分析

孫和 山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)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(dá)HRC65級,減少了要退火加工所消耗的工效經(jīng)濟(jì),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(fā)展?jié)摿Φ牡毒卟牧现?陶瓷刀具由于具有很高的硬度,從而可以加工硬度高達(dá)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(jīng)濟(jì),也可提高工件硬度,延長機(jī)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(xiàn)在國內(nèi)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(xué)穩(wěn)定性比一般刀具更好，又不易于和鐵元素之間發(fā)生相互擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)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(zhì)劑，都可使AL2O3基陶瓷刀具材料變?yōu)楦透邷亍?/p>

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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，但是在加工鋼時，會因為Fe和SIC發(fā)生反應(yīng)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如果切削速度越高，切削溫度也進(jìn)一步提高。在物化原理分析上，SIC晶須與Fe反應(yīng)晶須，使原有的硬度和耐磨性能降低，晶須與基體的結(jié)合強(qiáng)度會削弱，結(jié)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(chǎn)生溶解磨損。在切削過程中鐵在1327℃時產(chǎn)生不同的溶解度。經(jīng)分析，得的結(jié)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(shù)量級以上。Fe和SIC晶須的化學(xué)反應(yīng)及相互溶解，使刀具材料中Fe元素含量不斷增加，就會進(jìn)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(yōu)良，在高溫的化學(xué)穩(wěn)定性較好，與Fe的溶解度很小，不易擴(kuò)散和溶解，結(jié)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(dāng)ZrO2增韌陶瓷的磨損行為與摩擦表面熱誘導(dǎo)相變密切相變，使陶瓷表面產(chǎn)生了張應(yīng)力，從而誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，導(dǎo)致磨損的加劇。結(jié)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?；蚣尤胍欢康腟ic，都有較好的使用性能。也有一些切削專家認(rèn)為，用Sic晶須增韌的陶瓷刀具切削鋼材效果不如AL2O3基復(fù)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(chǎn)的改進(jìn)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(fā)展非常迅速。涂層分為硬質(zhì)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(yīng)用最廣泛。硬涂層主要是提高其硬度和耐磨性。一般可進(jìn)行多層復(fù)合涂層。后者主要是MoS基涂層，可以降低摩擦系數(shù)。另外，軟硬涂層可以復(fù)合使用。涂層刀具的出現(xiàn)，使刀具刀具切削性能有了重大的突破，應(yīng)用領(lǐng)域有了不斷擴(kuò)大，涂層刀具在數(shù)控加工領(lǐng)域有巨大潛力，將是今后數(shù)控加工領(lǐng)域中最重要的刀具品種。目前，國外硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)為刀片的涂層比例在90%以上。涂層技術(shù)已應(yīng)用于立銑刀、鉸刀、鉆頭、復(fù)合孔加工刀具、齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀、成形拉刀及各種機(jī)夾可轉(zhuǎn)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(zhì)合金的燒結(jié)碳化，它是陶瓷和金屬的復(fù)合材料。在當(dāng)今數(shù)控材料中占主導(dǎo)地位，覆蓋大部分的常規(guī)加工領(lǐng)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(zhì)合金既可用于制造各種機(jī)類可轉(zhuǎn)位刀具，也可制造各種尺寸較小的整體復(fù)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(qiáng)度和斷裂韌性比陶瓷高，其中金屬碳化物是硬質(zhì)相，一般占80%以上；其與為鐵、鈷、鎳等金屬相，作為粘結(jié)劑。目前，國外硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)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(dá)90%。

此類硬質(zhì)合金即金屬陶瓷刀具硬度高，強(qiáng)度低，韌性低，所以不宜有強(qiáng)烈沖擊和振動，但其導(dǎo)熱性，耐熱性，抗粘結(jié)性和化學(xué)穩(wěn)定性卻比高速鋼好數(shù)倍，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在現(xiàn)今的數(shù)控領(lǐng)域有巨大潛力，也將成為今后數(shù)控加工領(lǐng)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(xì)晶粒硬質(zhì)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(zhì)合金的突出優(yōu)點是硬度高、耐熱性好、高溫時的硬度和抗壓強(qiáng)度比YG類高、抗氧化性能好。因此，當(dāng)要求刀具有較高的耐熱性及耐磨性時，應(yīng)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(dāng)增加鈷含量，強(qiáng)度可很高，可用于各種難加工材料的粗加工和斷續(xù)切削

TiC（N)基硬質(zhì)合金既具有陶瓷的高硬度和耐熱性，又具有硬質(zhì)合金的高強(qiáng)度，既可用于可轉(zhuǎn)為刀片也能用于焊接，且化學(xué)穩(wěn)定性好，具有優(yōu)異的抗氧化性和抗粘結(jié)性，加工時與剛到摩擦系數(shù)小，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性高，其功能幾乎覆蓋大部分硬質(zhì)合金的使用范圍。因此，TiC（N）基硬質(zhì)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(kuò)大到半精加工、粗加工和斷續(xù)切削。用于精車時，切削速度比普通硬質(zhì)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(zhì)合金各種機(jī)夾可轉(zhuǎn)位車刀、鏜刀、鉸刀、銑刀、復(fù)合孔加工數(shù)控刀具及整體式立銑刀、鉸刀等數(shù)控刀具正在應(yīng)用于高強(qiáng)度、高硬度鋼和鑄鐵及各種耐熱合金零部件自動生產(chǎn)線上，以滿足高速、高效、硬質(zhì)、干（濕）式精密加工技術(shù)要求。

超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金具有硬度高，強(qiáng)度、韌性、抗熱沖擊性能好等優(yōu)異性能，因而即使在低速或斷續(xù)切割等加工條件下，切削刃也不易產(chǎn)生崩刃或破損。用其制造的小規(guī)格整體硬質(zhì)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(xì)晶粒硬質(zhì)合金實用與制造尺寸較小的整體復(fù)雜硬質(zhì)合金刀具，可大幅度提高切削速度?？捎糜诩庸じ鞣N高強(qiáng)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(nèi)陶瓷刀具的發(fā)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(yīng)用的增多，今后陶瓷必將得到更大的發(fā)展。

[1]艾興.蕭虹編著.陶瓷刀具切削加工.北京；機(jī)械工業(yè)出版社，1988

[2]肖詩剛編著.刀具材料及其合理選擇.北京；機(jī)械工業(yè)出版社，1990

[3]艾興.趙軍.推行陶瓷刀具研究走上國際先進(jìn)行列.中國機(jī)械工程，1999

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

[5]王零森.特種陶瓷.長沙.中南工業(yè)出版社，2000

孫和,男 （1962年-）山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院講師長期從事機(jī)械教學(xué)和科研工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.060