一、陶瓷刀具材料的發(fā)展概況

二、陶瓷刀具材料的種類和性能

1. 氧化鋁系陶瓷刀具材料
   1. 氧化鋁陶瓷刀具：刀具材料中采用純Al₂O₃陶瓷及以Al₂O₃為主且添加少量其它元素的陶瓷材料，如MgO、NiO、SiO₂、TiO₂和Cr₂O₃等。這些添加物有利于加強(qiáng)Al₂O₃抗彎強(qiáng)度，但高溫性能有所降低。Al₂O₃陶瓷的室溫硬度與高溫硬度都高于硬質(zhì)合金材料。Al₂O₃陶瓷在室溫與高溫時抗壓強(qiáng)度都很好，尤其可以克服一般高速鋼刀具及硬質(zhì)合金切削刀刃易形成的變形及塌陷缺點(diǎn)。此外，Al₂O₃陶瓷的抗氧化、抗粘結(jié)性及化學(xué)惰性都很好。氧化鋁陶瓷刀具最適于高速切削硬而脆的金屬材料，如冷硬鑄鐵或淬硬鋼；用于大件機(jī)械零部件切削及用于高精度零件的切削加工。氧化鋁陶瓷刀具在短、小零件、鋼件的斷續(xù)切削及Mg、Al、Ti及Be等單質(zhì)材料及其合金材料切削加工時效果較差，容易使刀具出現(xiàn)擴(kuò)散磨損或發(fā)生剝落與崩刃等缺陷。
   2. 氧化鋁—金屬系復(fù)合陶瓷刀具：為提高Al₂O₃陶瓷刀具韌性，材料中引入10%以下的Cr、Co、Mo、W、Ti、Fe等金屬元素，由此形成Al₂O₃金屬陶瓷。這樣材料密度、抗彎強(qiáng)度及硬度均有提高，但由于氧化鋁—金屬陶瓷刀具抗蠕變強(qiáng)度低、抗氧性差，到目前為止，其推廣使用情況不佳。
   3. 氧化鋁—碳化物系復(fù)合陶瓷刀具：系將一定比例的碳化物，如Mo₂C、WC、TiC、TaC、NbC和Cr₃C₂等加入到Al₂O₃陶瓷中，采用Mo、Ni(或Co、W)等金屬作為粘結(jié)相熱壓而成的陶瓷刀具材料。當(dāng)TiC含量為30%時，陶瓷刀具的耐用度獲得顯著提高，而熱裂紋深度也較小。目前國際上生產(chǎn)的熱壓Al₂O₃-TiC陶瓷刀具均采用此配方，如山東大學(xué)的SG4陶瓷刀具、肯納刀具公司的KY1615等。Al₂O₃-TiC陶瓷的抗彎強(qiáng)度，耐熱沖擊性等均優(yōu)于純Al₂O₃陶瓷刀具。在Al₂O₃-TiC陶瓷材料中，由于金屬粘結(jié)Al₂O₃晶粒和碳化物晶粒二者相互穿插的骨架組成，具有較高的聯(lián)接強(qiáng)度，因此形成較好的切削性能。這類陶瓷刀具最適用于加工淬硬鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鑄鋼，鎳基或鎳鉻合金，鎳基和鈷基金合等，另外還可用于非金屬材料如纖維玻璃，塑料夾層及陶瓷材料的切削加工。由于氧化鋁一碳化物金屬陶瓷抗熱震性能良好，故可適用于銑削，刨削，反復(fù)短暫切削或其它斷續(xù)切削等，亦可采用切削液進(jìn)行濕式切削等。
   4. 氧化鋁—氮化物、硼化物金屬復(fù)合陶瓷刀具：此種陶瓷刀具材料基本性能與加工范圍與Al₂O₃一碳化物金屬陶瓷材料相當(dāng)，不過由于以氮化物、硼化物取代TiC，如Al₂O₃-TiN, Al₂O₃-Ti(C,N)，Al₂O₃-TiB₂，因此它具有更好的抗熱震性能與更適用于間斷切削。但是其抗彎強(qiáng)度與硬度都比添加TiC的金屬陶瓷低一些，對它的研究與開發(fā)仍在繼續(xù)中。
   5. SiC晶須增韌Al₂O₃陶瓷刀具：SiC晶須的加入使Al₂O₃基陶瓷的斷裂韌性提高兩倍多，同時保留了很高的硬度，目前這種陶瓷刀具可用于淬硬鋼、工具鋼、冷硬鑄鐵和鎳基合金的加工。如肯納刀具公司的KY4300為SiC晶須增韌Al₂O₃陶瓷刀具，具有良好的韌性，可用于加工高溫合金和高硬度鑄造材料。
   6. AlON基陶瓷：在氮氧化鋁(AlON)基體中添加碳化硅晶須，可使氮氧化鋁陶瓷基體得到加強(qiáng)。對于傳統(tǒng)的高溫合金精加工而言，這種刀具材料具有強(qiáng)韌性、抗磨損性和抗熱沖擊性三者的完美結(jié)合。與碳化硅晶須增強(qiáng)氧化鋁基陶瓷相比，經(jīng)碳化硅晶須增強(qiáng)的氮氧化鋁陶瓷已被證明可以提高其抗破損能力。
2. 氮化硅系陶瓷刀具材料
   1. 單一Si₃N₄陶瓷刀具：此類陶瓷刀具主要是以MgO為添加劑的熱壓陶瓷。由于Si₃N₄陶瓷以共價鍵結(jié)合，晶粒是長柱狀的，因此有較高的硬度、強(qiáng)度和斷裂韌性，其硬度為91～93HRA，抗彎強(qiáng)度為0.7～0.85GPa，耐熱性可達(dá)1300～1400℃，具有良好的抗氧化性。同時它有較小的熱膨脹系數(shù)(=3×10^-6/℃)，所以有較好的抗機(jī)械沖擊性和抗熱沖擊性。Si₃N₄刀具適合于鑄鐵、高溫合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削壽命比硬質(zhì)合金刀具高幾倍至十幾倍。此外，Si₃N₄陶瓷有自潤滑性能，摩擦系數(shù)較小，抗粘接能力強(qiáng)，不易產(chǎn)生積屑瘤，且切削刃可磨得鋒利。能加工出良好的表面質(zhì)量，特別適合于車削易形成積屑瘤的工件材料，如鑄造硅鋁合金等，在汽車發(fā)動機(jī)鑄鐵缸體等加工中應(yīng)用越來越普遍。
   2. 復(fù)合Si₃N₄陶瓷刀具：單一Si₃N₄陶瓷的硬度并不是特別高(HRA92.5)，在加工硬度較高的工件時，如冷硬鑄鐵(HS65～80)、高鉻鑄鐵(HS80～90)等，單一Si₃N₄陶瓷刀具的耐用度是較低的，為改善其耐磨性，加人TiCN、TiCN-TiN作為硬質(zhì)彌散相，以提高刀具材料的硬度，同時保留較高的強(qiáng)度和斷裂韌性，稱為復(fù)合氮化硅陶瓷刀具。與單一Si₃N₄陶瓷刀具相比，復(fù)合氮化硅陶瓷刀具的抗氧化能力、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力和耐磨性都有了很大提高，且易于制造和燒結(jié)。
   3. 賽隆Sialon陶瓷刀具：賽隆陶瓷以Si₃N₄為硬質(zhì)相，Al₂O₃為耐磨相，并添加少量助燒劑Y203，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成，有很高的強(qiáng)度和韌性，Sialon陶瓷刀具具有良好的抗熱沖擊性能。與Si₃N₄相比，Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力與耐磨性能更高，耐熱溫度較高達(dá)1300℃以上，具有較好的抗塑性變形能力，其沖擊強(qiáng)度接近于涂層硬質(zhì)合金刀具。賽隆(Sialon)陶瓷材料有2種晶體結(jié)構(gòu)，a-Sialon為等軸晶，具有較高的硬度和耐磨性能，b-Sialon為柱狀晶，斷裂韌性和熱傳導(dǎo)能力相對較好，a+b-Sialon復(fù)相陶瓷刀具綜合了兩相優(yōu)點(diǎn)，切削性能更優(yōu)異，重載條件下其耐磨性能優(yōu)于單相陶瓷刀具。Sialon陶瓷刀具適用于高速切削、強(qiáng)力切削、斷續(xù)切削，不僅適合于干切削，也適合于濕式切削。如肯納刀具公司開發(fā)的Sialon陶瓷刀具KY1540可用于鑄鐵、鎳基合金、鈦基合金和硅鋁合金的高速切削加工。由于它和鋼的化學(xué)親和性大，Sialon陶瓷刀具不適合加工鋼。
      

      刀具牌號 涂層結(jié)構(gòu) 應(yīng)用 KC8050 對鋼、不銹鋼、鑄鐵，從粗加工到精加工都有良好的加工表現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)。極具耐磨性，可進(jìn)行高速干切削，可用于斷續(xù)切削。 KC9040 適用于所有類型的鋼、不銹鋼和大多數(shù)工件材料的重型粗加工中。刀具壽命長，適用于粗加工生產(chǎn)。 KC9110 它是包括鋼，鐵素體和馬氏體不銹鋼、鑄鐵等絕大多數(shù)工件材料的精至半精加的優(yōu)秀刀片材質(zhì)。適用于高切削速度。 KC9125 鋼、鐵素體和馬氏體不銹鋼工件的最佳通用型車削材質(zhì)。從中等粗加工到半精加工的各種切削中 KC9140 用于合金鋼的重載車削。 KC9225 專門用于加工奧氏體不銹鋼，特點(diǎn)層是毛刺少，而且刃口的抗切深處槽磨損能力極佳。 KC9240 為中等切削速度和進(jìn)給率的情況下的CVD涂層的粗車刀片。為難切削不銹鋼加工的理想刀片選擇。 KC9245 為最難加工的不銹鋼所專門設(shè)計。適合于加工奧氏體不銹鋼，也適用于大切深和大進(jìn)給的粗加工。 KC9315 適合高速切削加工灰口鑄鐵、延展性鑄鐵和高強(qiáng)度鑄鐵，可適合于連續(xù)切削或者輕微斷續(xù)切削的加工。 KC9325 可應(yīng)用于延展性鑄鐵的加工。

      a-Al2O3與k-Al2O3相互交替的涂層刀具

      刀具牌號 涂層結(jié)構(gòu) 應(yīng)用 KB9610 用于淬硬鋼(>HRC48)的精密加工，工件越硬效果愈好。應(yīng)用于軸承鋼、熱軋或冷撥鋼材、高速鋼、模具鋼、滲碳和滲氮硬化鐵或者其他表面硬化的工件材料。不能用于軟鋼。 KB9640 用于粗到半精加工珠光體灰口鑄鐵、冷硬鑄鐵、高鉻合金鋼、粉末冶金金屬，或者重載粗加工硬化鋼(>HRC45)，也用于珠光體灰口鑄鐵和冷作鑄鐵的精加工。不能用于淬硬鋼的精加工。

      PCBN基體CVD氧化鋁涂層刀具

   4. Si₃N₄晶須增韌陶瓷刀具：該類陶瓷是在Si₃N₄基體中加入一定量的碳化物晶須而成，從而可提高陶瓷刀具的斷裂韌性。北京方大高技術(shù)陶瓷有限公司生產(chǎn)的FD03刀片及湖南長沙工程陶瓷公司生產(chǎn)的SW21牌號均屬這一類。FD03刀片是在Si₃N₄陶瓷基體中加入了硬質(zhì)彌散顆粒TiC，SW21刀片是在Si₃N₄中加入了一定量的SiC晶須，故有較好的使用性能。
3. 陶瓷涂層刀具
   涂層技術(shù)可提高刀具的耐磨性而不降低其韌性，較好的解決了刀具材料存在的強(qiáng)度和韌性之間的矛盾，是切削刀具發(fā)展的一次革命。常用的涂層方法是PVD和CVD，陶瓷涂層以CVD法為主，最近WALTER刀具公司在世界上首次開發(fā)出了硬質(zhì)合金基體上的PVD氧化鋁陶瓷涂層刀具。PVD氧化鋁陶瓷涂層刀具既具有較好的韌性，又具有良好的抗磨損性能，適用于難加工材料、不銹鋼和普通鋼的高效切削加工。
   涂層方式有單涂層，、多涂層、納米涂層等。陶瓷單涂層刀具如Ingersoll公司的IN6510(K15-K20硬質(zhì)合金基體)、IN6515(K15-K35，P20-P30硬質(zhì)合金基體)、IN6530(P25-P45，M25-M40，K20-K50硬質(zhì)合金基體)。厚膜氧化鋁涂層對于提高加工效率很有幫助，但通常的涂層技術(shù)在膜厚增厚的同時會降低涂層與基體的結(jié)合力，肯納刀具公司通過技術(shù)改進(jìn)，在不降低結(jié)合力的前提下，已將KC9110氧化鋁涂層的厚度從12µm先增加到182µm，后又提高到242µm，使該刀具的切削性能大大提高。
   多層陶瓷涂層可阻擋裂紋的擴(kuò)展，提高刀具壽命，近年來發(fā)展較快。如山高刀具公司的鉆削用T2000D(涂層材料Ti(C, N)-Al₂O₃-TiN)，T3000D刀具(涂層材料 Ti(C,N)- Al₂O₃)；銑削用T150 M(涂層材料Ti (C, N)- Al₂O₃)，T350 M(涂層材料Ti (C, N)- Al₂O₃/TiN)，T200 M(涂層材料Ti (C, N)- Al₂O₃-TiN)，T250M(涂層材料Ti (C, N)- Al₂O₃/TiN)；車削用TP1000 、TP2000(涂層材料Ti (C, N)- Al₂O₃-Ti (C,N)-TiN)，TP3000、TP200、TP400、TK1000、TK 2000(涂層材料Ti (C, N)-Al₂O₃-TiN)，山高刀具公司還開發(fā)了a- Al₂O₃與k- Al₂O₃相互交替的涂層刀具。WALTER刀具公司開發(fā)生產(chǎn)了氧化鋁多層涂層刀具：WAP系列(涂層材料TiCN- Al₂O₃-TiN)，WAK系列(涂層材料TiCN- Al₂O₃/TiN)，WAM 系列(涂層材料TiCN- Al₂O₃-HfN)?？霞{刀具公司開發(fā)了硬質(zhì)合金基體KC系列CVD氧化鋁多層涂層刀具，如表所示。
   納米涂層材料的每一個顆粒尺寸都非常小，因此晶粒邊界非常長，從而具有很高的高溫硬度、強(qiáng)度和斷裂韌性，已開發(fā)出400層的TiAlN-TiAlN/Al₂O₃納米涂層刀具。
   氮化硅基陶瓷的韌性優(yōu)于氧化鋁基陶瓷，但其耐磨性稍差。切削鑄鐵時，氮化硅基陶瓷刀具的后刀面磨損大于氧化鋁基陶瓷刀具，切削鋼料時，氮化硅基陶瓷刀具的月牙洼磨損較大。為此，國外在氮化硅基陶瓷表面上施以Al₂O₃涂層，經(jīng)Al₂O₃涂層后的氮化硅刀具其磨損量為未涂層的1/3。如Sandvik公司的GC1690和山高(日本)刀具公司的氮化硅基涂層陶瓷刀具，肯納刀具公司最近開發(fā)的氮化硅基CVD氧化鋁涂層陶瓷刀具KY3400可用于球墨鑄鐵的高速加工，也可用于灰口鑄鐵、延展鑄鐵或球墨鑄鐵的通用加工。
   肯納刀具公司還在PCBN基體上研制了CVD氧化鋁涂層刀具KB9610(低含量CBN)、KB9640(高含量CBN)，外層的金黃色TiN涂層主要是易于識別，大大提高了PCBN刀具的前刀面抗月牙洼磨損能力，抗熱腐蝕和化學(xué)腐蝕能力也大大提高。KB9640還特別適合于灰鑄鐵剎車片(盤)的加工，同樣條件下，PCBN基體CVD氧化鋁涂層刀具壽命比未涂層PCBN提高了近3倍。住友電工公司在該公司CBN200/CBN80(立方氮化硼燒結(jié)體)表面涂履特殊的陶瓷涂層，使PCBN刀具材料的耐磨性提高30%，刀具壽命大幅度延長，這種新型刀具主要用來高速加工汽車行業(yè)常用的高硬度淬火鋼和鑄鐵。

三、陶瓷刀具材料的應(yīng)用