陶瓷刀具的发展与应用

1 引言 

切削加工是机械加工中*基本、*可靠的加工手段，而刀具的性能是影响切削加工效率、精度、表面质量等的决定性因素之一。刀具材料经历了碳素工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷及超硬材料等几个发展阶段。根据CIRP的资料，由于刀具材料的改进，加工时允许的切削速度几乎每隔10年即提高1倍。在现代化的加工过程中，提高加工效率的*有效方法仍然是采用高速切削加工技术。传统刀具因其局限性已无法胜任现代科技发展所需要的各种高强、高硬及高速工程材料的切削加工，而陶瓷刀具则以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性，在高速切削领域和切削难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势。目前，新型陶瓷刀具不断出现 ，预计20 年后，在世界范围内陶瓷刀具在机械加工刀具中所占比重将达15%～20%。有专家认为：陶瓷刀具材料是二十一世纪*有希望、*有竞争力的刀具材料，它的发展有可能引起切削加工技术的第三次革命。 

2 陶瓷刀具的分类及发展现状 

陶瓷刀具的品种、牌号很多，按其主要成分大致可分为氧化铝(Al2O3)系和氮化硅(Si3N4)系两大类。目前世界上生产的95%的陶瓷刀具属于氧化铝(Al2O3)系，其它为氮化硅(Si3N4)系。 

1) 氧化铝系陶瓷刀具Al2O3系陶瓷刀具是由以氧化铝(Al2O3)为主体的陶瓷材料制成，包括纯Al2O3陶瓷刀具、Al2O3中添加碳化物、氧化物、氮化物或硼化物的组合陶瓷刀具以及在Al2O3 中同时添加化合物和粘结金属的组合陶瓷刀具等。 

·Al2O3陶瓷刀具 

纯Al2O3陶瓷刀具材料中的Al2O3含量占99%以上，通过添加微量助烧剂(如MgO、NIO、TiO2等)烧结而成，抗弯强度400～700MPa ，断裂韧性(KIC) 2.2～3.2MPa m½，弹性模量(E)400GPa ，热膨胀系数(a)8.2×10-6K-1。由于纯AAl2O3陶瓷刀具脆性大，易崩刃，因此未能广泛使用。 

·Al2O3——碳化物系陶瓷刀具在Al2O3中添加碳化物可以提高Al2O3陶瓷刀具的韧性，其中以添加Tic的Al2O3——Tic 陶瓷应用*多。通常添加的TiC在30%～60%之间(也有的添加5%～10%)。这类组合陶瓷有两种：一种是在Al2O3中除添加碳化物外，还添加少量粘结金属，亦称金属陶瓷；另一种是在Al2O3中只添加碳化物或碳化物的饱和固溶体制成的组合陶瓷。金属陶瓷比没有加入金属的组合陶瓷强度提高，但硬度降低。 

·添加氮化物、硼化物的Al2O3陶瓷刀具在Al2O3中添加氮化物的Al2O3——氮化物组合陶瓷刀具具有较好的抗热震性能，其基本性能和加工范围与Al2O3——碳化物金属陶瓷刀具相当，而氮化物组合陶瓷刀具更适于间断切削，但其抗弯强度和硬度比Al2O3——TiC金属陶瓷刀具低，有待进一步研究改善。 

在Al2O3中添加TiB2作为粘结剂制成的陶瓷刀具，由于其组织成分为细晶粒的Al2O3以及连续的TiB2粘结相，保持了硼化物的“三维连续性”，因此具有极好的耐冲击性和耐磨性。 

·增韧Al2O3陶瓷刀具 

由于陶瓷刀具的强度和韧性低，加工时易发生破损(特别是早期破损)，因此在一定程度上限制了陶瓷刀具的应用。鉴于Si3N4陶瓷的韧性和强度较Al2O3陶瓷高得多，因此对陶瓷刀具的增韧、增强处理主要针对以Al2O3为基体的刀具。增韧Al2O3陶瓷是指在Al2O3基体中添加增韧或增强材料, 目前常用的增韧方法主要有ZrO2相变增韧、晶须增韧以及第二相颗粒弥散增韧等。ZrO2相变增韧是利用ZrO2在1150 ℃ 左右发生单斜晶(m—ZrO2)系到四方晶(t—ZrO2)系的可逆相变时伴有3%～5%的体积变化及8%的切应变效应，在基体中诱导出许多裂纹，从而可以吸收主裂纹*的大部分能量，达到增韧目的。晶须增韧是利用晶须的加强棒作用，常用晶须有SiC晶须和Si3N4晶须。SiC晶须是一种单晶，具有一定的纤维结构，具有强度高、硬度高、导热性好及抗热震性能好等许多优点，晶须平均直径0.61 µm，平均长度10～80µm ，抗拉强度达7GPa 。SiC晶须在加强Al2O3基体的同时，还可使应力在基体内分散。SiC晶须增韧陶瓷刀具的断裂韧性可达9MPam½，具有较高的强度和硬度，非常适合加工镍基耐热合金和以较低的切削速度加工各种铸铁及非金属脆性材料。Si3N4晶须加入到Al2O3基体中可以提高陶瓷的抗热冲击性，适合切削硬度为45HRC的镍铬铁耐热合金材料 。第二相颗粒弥散增韧是利用弥散第二相颗粒来阻碍位错的滑移和攀移，阻止裂纹扩展，达到增韧目的。第二相颗粒周围会产生残余应力，引起裂纹偏转或裂纹被钉扎，提高材料断裂功，从而使Al2O3陶瓷的韧性明显提高。 

2) 氮化硅系陶瓷刀具 

氮化硅系陶瓷刀具包括以Si3N4为主体的刀具和以b’-Sialon(Si3N4+Al2O3)为主体的刀具 。近年来，Si3N4陶瓷刀具的发展非常迅速。 

·单一Si3N4陶瓷刀具 

单一Si3N4陶瓷的热胀系数为3.0×10-6/℃ ，断裂韧性4.2～5.2MPa m½，抗弯强度700～9OOMPa ，硬度91～92HRA ，耐热性可达1300～1400 ℃ ，有良好的抗氧化性能。 

·Si3N4复合陶瓷刀具 

在Si3N4基体中添加适量金属碳化物及金属等复合强化剂，利用复合强化效应(又称弥散强化效应)制成的Si3N4复合陶瓷，其性能比热压Si3N4陶瓷优越许多。在Si3N4基体中添加Al2O3、Y2O3、TiC、TiN 和MgO等成分，可以采用冷压烧结成形而降低制造成本。Sialon就是在Si3N4中添加Al2O3烧结而成，因此它兼有Al2O3和Si3N4的特性，其热硬性高于硬质合金和Al2O3，在刀尖温度高于1000 ℃ 时仍可高速切削。Si3N4复合陶瓷刀具的*大特点是可以胜任高速、大进给量的切削加工，金属切除率高，刀具寿命长。 

Si3N4陶瓷刀具具有低密、高强、高硬的物理性能。目前，Si3N4陶瓷刀具的室温硬度值达到92.5～94HRA，超过了硬质合金刀具的*高硬度，因此大大提高了它的切削能力和耐磨性，可以加工硬度高达65HRC的各类淬硬钢和硬化铸铁；其抗弯强度目前已达750～1200MPa ，超过了高速钢而与普通硬质合金相当；Si3N4系陶瓷刀具的断裂韧性值优于其它系列陶瓷刀具，达到6～7MPa m½，接近某些牌号的硬质合金刀具；由于Si3N4系陶瓷刀具强度高、热胀系数小，其抗热震性能指标DT达到600～800 ℃ ，明显优于其它系列陶瓷刀具(DT=300～400 ℃ )，因而在断续加工高强度零件毛坯方面，Si3N4系陶瓷刀具显示出独特的优越性能。 
3 陶瓷刀具的性能

陶瓷刀具多为高硬度的细微晶粒经高温烧结而成，具有高硬度和高耐磨性，其高温性能和化学稳定性也大大高于其它刀具。因此，总体上讲，陶瓷刀具具有良好的切削性能。
陶瓷刀具的力学性能

1) 陶瓷刀具材料的力学特性是其优良的切削性能的根本所在。几种典型的陶瓷刀具的力学性能如表1所示。

表1 几种典型陶瓷刀具的力学性能