陶瓷刀具材料的种类与性能

陶瓷刀具的种类主要有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷以及各种新型陶瓷刀具材料。

(1)氧化铝基陶瓷刀具材料主要包括纯氧化铝陶瓷、氧化铝-金属陶瓷、氧化铝碳化物陶瓷、氧化铝-氮化物陶瓷等。

1)纯氧化铝陶瓷，是以Al₂0₃为主体(质量分数大于99%)并添加少量助燃剂，如 MgO、NiO、TiO等烧结而成的陶瓷。添加助燃剂的目的是为了降低烧结温度，避免晶粒过分长大，这有利于提高 Al₂0₃陶瓷的抗弯强度，但其高温性能却有所下降。氧化铝陶瓷的硬度一般在90HRA以上，且高温时硬度仍然很高;氧化铝陶瓷常温下的抗弯强度较低，一般在600MPa以下，只有硬质合金的40%左右，因此其脆性大、断裂韧性差，不能承受冲击负荷。但其抗压强度较高，常温下可达3000MPa，高温下仍然保持较高的抗压强度，在1100℃下抗压     强度相当于钢在室温下的抗压强度，因此其高温抗塑性变形能力强;氧化铝的热导率约为硬质合金的1/5~1/2，线胀系数比硬质合金大10%~30%，热胀率低，整体变形小，对保持大型工件的尺寸精度非常有利。化铝陶瓷的高温抗氧化能力较好，即使切削刃处于红热状态下也能长时间继续切削，因此特别适合于高速切削和加热切削;氧化铝的抗粘结性较好，不易产生积屑瘤和粘结磨损。

2)氧化铝-金属系陶瓷，是在Al₂0₃材料中加入适量(10%以下)的金属元素，如Cr、Co、Mo、Mo、W、T、Fe等，改善抗弯强度和冲击韧度，提高抗振性能，减小脆性。这类陶瓷刀具的密度在4.1g/cm³以上，抗弯强度为220~440MPa，硬度为91~93HRA，但这类陶瓷的抗弯强度和一般冷压的氧化铝陶瓷相近，抗蠕变强度低，抗氧化性差，因而并未在生产中得到广泛应用。

3)氧化铝-碳化物陶瓷，是在Al₂0₃材料中加入适量碳化物，如Mo₂C、WC、TiC、NbC等制成的陶瓷材料，其性能较纯氧化铝陶瓷刀具有较大的提高。TiC是这类陶瓷碳化物的主要应用元素，加入TiC的Al₂0₃-TiC陶瓷对其抗弯强度、抗冲击性能、耐磨性及抗振性能有很大的改善，研究表明，当TiC的质量分数为60%时，其寿命接近最高并且硬度较高，热裂纹深度也较小，因此这个配比是Al₂0₃-TiC陶瓷刀具材料主要的组成之一。一般，Al₂0₃-TiC陶瓷的抗弯强度、抗压强度、硬度和热导率等均高于纯氧化铝陶瓷，而弹性模量和线胀系数却比纯氧化铝陶瓷有显著改善，已接近或超过一般硬质合金的水平。

4)氧化铝-碳化物金属陶瓷，是Al₂0₃-TiC陶瓷中添加少量Mo、Ni、Co或W等金属作粘结相热压而制成的陶瓷刀具材料。这种陶瓷刀具的抗弯强度和抗热震性较Al₂0₃-TiC陶瓷有明显提高，大大扩大了使用范围，适于加工淬硬钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、铸钢、镍基或镍铬合金、钴基合金以及非金属材料，如玻璃纤维、塑料夹层材料陶瓷材料等。由于热震性能的改善，因此可用于铣削、创削等反复短暂切削或其他间断切削，并能用切削液进行湿式切削。

5)氧化铝-氮化物金属陶瓷，是指以 Al₂0₃、氮化物(如Ti、Zr、Hf、Ta、Nb等的氮化物)为主要成分，同时添加少量Mo、N、W等金属作为粘结相热压制成的陶瓷刀具材料。该类陶瓷的基本性能与氧化铝-碳化物金属陶瓷相当。由于将氮化物代替了碳化物，抗热震性能得到进一步的改善，更加适合进行间断切削。但需注意，这类陶瓷刀具的抗弯强度和硬度比氧化铝-碳化物金属陶瓷低。

6)碳化硅晶须增韧氧化铝陶瓷，为改善氧化铝刀具韧性差、切削容易崩刃的问题，发明了碳化硅晶须增韧氧化铝陶瓷。SiC晶须是一种单品，具有一定的纤维结构研究表明，SiC晶须的加入可提高氧化铝陶瓷的断裂韧度，同时SiC晶须的高热导率容易把热量从切削刃传出，因此降低了温度梯度和所产生的应力，使这种陶瓷的热导率增加40%，从而提高了其抗热震性能和抗机械性能，因此切削速度可大大提高。但晶须会阻碍陶瓷的致密化，因此热压烧结时所需的模具体积要大10%~15%，且晶须的定向排列会造成陶瓷刀具性能的各向异性。

(2)氮化硅基陶瓷刀具材料具有较高的强度、韧性、耐热性能，优良的耐热冲击性能和良好的化学稳定性，适合于高速加工铸铁及铸铁合金、冷硬铸铁等高硬度材料按材料组成不同，氮化硅基陶瓷可分为纯氮化硅陶瓷、塞隆陶瓷和氮化硅复合陶瓷三类。

1)纯氮化硅(SiN)陶瓷，其本身难以烧结致密，因此需加入适量的烧结助剂如 Al₂0₃、Y₂0₃、MgO等。由于强的共价键结合，Si₃N₄陶瓷具有高的强度，良好的热稳定性(1850℃分解)，良好的抗氧化性能，低的线胀系数(意味着良好的抗热震性能)比许多金属高的弹性模量。氮化硅陶瓷的抗压强度可达4000MPa以上，与YT类硬质合金相近，抗弯强度可达1000MPa，高于氧化铝基陶瓷，其高温强度也很好，在1000℃时强度基本不下降，即使温度高达1300~1400℃，仍能保留相当高的抗弯强度;氮化硅陶瓷的断裂韧性优于氧化铝陶瓷，具有良好的韧性，切削时不易产生裂纹，因此可用于一般陶瓷不能胜任的氧化皮切削、断续切削、湿式切削和端铣等场合;氮化硅陶瓷具有稳定的切削性能，抗崩刃性能特别好，特别适于一般陶瓷刀具不适于加工的可锻铸铁司太立(Stellite)合金、耐热合金等材料的氧化皮断续切削;氮化硅陶瓷的常温硬度比氧化铝混合陶瓷要低，因此其耐磨性要低于氧化铝混合陶瓷，但是其在900℃时的硬度在几种陶瓷中却是最高的;氮化硅陶瓷的热导率比氧化铝陶瓷高2.5~3倍，线胀系数不到氧化铝陶瓷的一半，弹性模量也较低，因此具有优良的耐热冲击性能，其耐热冲击性能远优于氧化铝陶瓷，与TiN基硬质合金相近，因此可用于湿式加工;氮化硅与碳元素及一般金属元素的化学反应较小，同时具有良好的抗氧化性能，在1200℃以下基本上不会氧化，氧化温度比YT类硬质合金高200℃以上，其化学稳定性较氧化铝陶瓷低在高温下易分解，分解出来的Si与金属的亲和力较大，这也是氮化硅陶瓷刀具耐磨性差的一个原因:氨化硅陶瓷的自润滑性好，摩擦系数低，抗粘性能好，与有色金属熔融体也不易反应，用氮化硅刀具切削铝、铜等有色金属时，不易产生粘结和积屑瘤，有利于降低加工表面的表面粗糙度值，适用于粗铣、断续切削、工件轮廓规则时的粗车以及湿式加工。

2)塞隆(Sialon)陶瓷，是由硅(Si)、铝(Al)、氧(0)、氮(N)组成的化合物，Sialon便是这四种元素的合成词。研究表明，当Al₂0₃添加到Si₃N₄中作为烧结助燃剂时，二者可以形成固溶体，其中部分Si被A置换，部分N被O置换。形成固溶体后的组成为Si_6-ZAl_ZO_ZN_8-Z(Z为取代N原子的0原子数)。由于品体结构和化学键的相似性，塞隆陶瓷和氧化铝陶瓷的化学性质相近，同氧化硅陶瓷的烧结相似性，要得到致密的组织，也要加入Y₂0₃等烧结助剂。塞隆陶瓷与氮化硅陶瓷相比，抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力和耐磨性能都提高了。塞隆合金的抗弯强度达到1050~1450MPa左右，比氧化铝基陶瓷高，断裂韧度值也高于氧化铝基陶瓷，因此具有优良的抗冲击性能，其抗冲击性远优于一般陶瓷，接近硬质合金;塞隆合金的常温硬度低于氧化铝陶瓷，但高温下的硬度要优于氧化铝基陶瓷;塞隆陶瓷的线胀系数比一般陶瓷低得多，因此具有良好的耐热冲击性能(抗热震性能)。塞隆合金已成功用于铸铁、镍基合金、钛合金和硅铝合金的加工，是高速粗加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料，其加工效率得到较大的提高。但塞隆合金不适于加工钢料(因其溶解损速率很高)，其耐热磨损性能比一般陶瓷刀具差。

3)氮化硅复合陶瓷，是在氮化硅中添加TiC、TiN等分散相制成的一种复合陶瓷分散相的加入不仅可提高陶瓷的硬度，而且还可提高陶瓷的断裂韧度。氮化硅复合陶瓷的耐磨性较纯氮化硅及塞隆陶瓷有明显改善，具有优良的耐性、热硬性和抗热冲击性，其加工铸铁的切削速度可达1500m/min，生产效率较普通陶瓷刀片提高10倍，刀具消耗减少1/2。

(3)新型陶瓷刀具材料一般指的是通过新的方法改善陶瓷刀具的性能的材料如前述的品须增韧型陶瓷也可算是新型陶瓷刀具材料。另外，还有几种被称之为新型陶瓷的刀具材料。

1)梯形功能陶瓷刀具材料，其通过一定的工艺制作出组分、结构和物理力学性能呈合理梯度变化的陶瓷刀具材料，可缓解陶瓷刀具切削过程中的机械应力、热应力、提高抗热震性和可靠性。

2)陶瓷-硬质合金复合刀片，其是将陶瓷和硬质合金通过烧结的方法结合在一起而得到的新型刀具材料，表层材料为陶瓷，其厚度远大于涂层的厚度。

3)粉末表面涂层陶瓷，是将硬质合金粉末表面涂层陶瓷制成复合粉末，然后将复合粉末热压制备的新型刀具材料。这种方法突破了传统刀具表面涂层的思路，变宏观涂层为微观涂层，解决了宏观涂层易剥落、崩碎的缺点。