陶瓷刀具材料的新进展与应用

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1、陶瓷刀具材料的新进展与应用切削加工生产率刀具寿命高低、加工成本多少、加工精度加工表面质量优劣等，很大程度上取决于刀具材料合理选择。目前应用刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷、TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)、硬质合金、高速钢及各种涂层刀具。它们各有各自特点，适应不同工件材料不同切削速度范围。工程技术界努力研制与推广陶瓷刀具主要原因于：(一)陶瓷刀具材料具有很高硬度、耐磨性能良好高温性能，与金属亲力小，不易与金属产生黏结，并且化学稳定好。近年来，通过控制原料纯度晶粒尺寸，添加碳化物、氮化物、硼化物、氧化物晶须等

2、，采用多种增韧机制进行增韧补强，使得陶瓷刀具材料抗弯强度、断裂韧性抗冲击性能等有大幅度提高，应用范围日益广泛，可以用于高速切削、干切削、硬切削，切削效率大大提高。(二)构成高速钢与硬质合金主要成分钨资源全球范围内日趋枯竭，20世纪80年代初估计，全世界已探明钨资源仅够使用50年时间，钨已成为世界上最稀缺资源之一，但其切削刀具材料消耗却很大，从而导致钨矿价格不断攀升，几十年间已上涨好多倍，而陶瓷刀具材料使用主要原料氧化铝、氧化硅等地壳最丰富，这一定程度上也促进了陶瓷刀具研制与推广，陶瓷刀具材料研制开发与应用取得了许多

3、令人瞩目成果。本文主要介绍陶瓷刀具材料发展概况、国内外刀具生产商主要陶瓷刀具产品及其合理选用，以推动陶瓷刀具得到更加广泛应用。一、陶瓷刀具材料发展概况早20世纪初，德国与英国已开始采用陶瓷刀具取代传统碳素工具钢刀具，但由于当时陶瓷脆性较大，所以其应用受到局限。如何克服陶瓷刀具材料脆性，提高其韧性，成为近百年来陶瓷刀具材料研究主要课题。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

4、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核心。事实上，硬度高材料往往强度韧性低，要想提高韧性往往以硬度下降为代价。陶瓷刀具材料这种硬度与韧性之间矛盾使得研究具有高硬度同时又具有高强度、高韧性陶瓷成为陶瓷刀具材料研究热点。超细晶粒技术发展纳米复合材料研究为陶瓷发展增添了新活力。根据Hall-petch关系，晶粒尺寸越小陶瓷材料硬度强度越高，当晶粒尺寸小到100nm左右时，强度硬度会有很大提高。纳米改性、纳米复合成功解决了晶粒异常长大问题，纳米级粒

5、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。但纳米粉活性很大，界面反应激活能较低，烧结过程极易长大，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研制过程，开发出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研究与开发将今后陶瓷刀具材料发展主要方向。二、陶瓷刀具材料种类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。目前氧化铝基氮化硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。

6、氧化铝系陶瓷刀具材料a.氧化铝陶瓷刀具：刀具材料采用纯Al2O3陶瓷及以Al2O3为主且添加少量其它元素陶瓷材料，如MgO、NiO、SiO2、TiO2Cr2O3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陶瓷室温硬度与高温硬度都高于硬质合金材料。Al2O3陶瓷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变形及塌陷缺点。此外，Al2O3陶瓷抗氧化、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金属材料，如冷硬铸铁或淬硬钢；用于大件机械零部件

7、切削及用于高精度零件切削加工。氧化铝陶瓷刀具短、小零件、钢件断续切削及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。•氧化铝—金属系复合陶瓷刀具：为提高Al2O3陶瓷刀具韧性，材料引入10%以下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。•氧化铝—碳化物系复合陶瓷刀具：系将一定比例碳化物，如Mo2C、WC、

8、TiC、TaC、NbCCr3C2等加入到Al2O3陶瓷，采用Mo、Ni(或Co、W)等金属作为粘结相热压而成陶瓷刀具材料。当TiC含量为30%时，陶瓷刀具耐用度获得显著提高，而热裂纹深度也较小。目前国际上生产热压Al2O3-TiC陶瓷刀具均采用此配方，如山东大学SG4陶瓷刀具、肯纳刀具公司KY1615等。Al2O3-TiC陶瓷抗弯强度，耐热冲击性等均优于纯A