陶瓷刀具的发展与应用

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1 引言切削加工是机械加工中最基本、最可靠的加工手段，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，提高加工效率的最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最有希望、最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。

• 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 陶瓷应用最多。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尖端的大部分能量，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。
• 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复合陶瓷刀具的最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最高硬度，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 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
牌号 成分 硬度 2 F/ o; A) }* N6 d7 z+ N6 l(HRA) 抗弯强度 (GPa) 生产单位
Al2O3系 SG5 Al2O3-Sic 94 0.7 山东工业大学
	SG4 Al2O3-(W,Ti)C 94.7～95.3 0.79
	LT35 Al2O3-TiC-Mo-Ni 93.5～94.5 0.9～1.1
	LT55 Al2O3-TiC-Mo-Ni 93.7～94.8 1.0～1.2
	JX-1 Al2O3,SiC 晶须 94.0～95 0.7
	AT6 Al2O3-TiC # U+ E+ |: Y0 [1 X& P1 A加金属 93.5～94.5 0.88～0.93 冷水江陶瓷工具厂
	HDM4 Al2O3基 93 0.80 北京海得曼无机非金属材料公司
	FD-11,12 Al2O3基     北京方大高技术陶瓷公司
	PI (AM) Al2O3 HR15N≥96.5 0.40～0.50 成都工具研究所
	P2 Al2O3+ZrO2 HR15N≥96.5 0.70～0.80
	T2 Al2O3+TiC+ZrO2 HR15N≥96.5 0.90～1.00
	CC650 Al2O3-Ti(c,N) 93.5～94.5   瑞典Sandvik公司
	CC670 Al2O3,SiC晶须 94.0～94.5
	KY2500 Al2O3,SiC晶须 93.5～94.0 美国Kennametal公司
Si3N4系 HDM1 Si3N4基 92.5 0.93 北京海得曼无机非金属材料公司
	HDM2 Si3N4基,SiC晶须 93 0.98
	HDM3 Si3N4基 92.5 0.83
	N5 Si3N4基 HR15N≥96.5   成都工具研究所
	CC680 Si3N4-Al2O3-Y2O3 93.5～94.5 1.0～1.3 瑞典Sandvik公司
	KY3000 Si3N4-Al2O3-Y2O3   1.0～1.3 美国Kennametal公司

</DD陶瓷刀具的切削性能

• Al2O3陶瓷刀具的切削性能Al2O3系陶瓷刀具的硬度达91～95HRA ，在高温下有较好的化学稳定性、耐磨性和耐热性，高温硬度高，在1200 ℃ 高温下仍能进行切削(此时硬度为80HRA) ，如果加入一定的稳定剂并采用热压成形技术，可使刀具在1800 ℃ 高温下仍能保持硬度和耐磨性，且高温时刀具与工件间不产生化学反应，月牙洼磨损率较低，表面粗糙度小。
• Si3N4系陶瓷刀具的切削性能 在众多陶瓷材料中，Si3N4陶瓷具有最佳的耐热性，这使得它即使在1200～1450℃高温下进行长时间切削仍能保持一定硬度和强度。因此，用Si3N4系陶瓷刀具加工时允许采用远高于硬质合金刀具的切削速度，实现高速切削(其切削速度可比硬质合金刀具提高3～10 倍)。

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4 陶瓷刀具的应用

• 陶瓷刀具的应用范围 Al2O3系陶瓷刀具主要用于加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等)和各种钢料(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬硬钢等)；也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。由于铝元素的化学亲合作用，Al2O3陶瓷刀具不适于加工铝合金和钛合金。 Al2O3陶瓷制造的滚刀、铰刀、成形车刀等各类刀具不仅可用于普通车床加工，而且由于其稳定可靠的切削性能，特别适用于数控机床和自动生产线加工，尤其对高精度、高硬度以及大型工件的切削具有良好效果。 Si3N4系陶瓷刀具的加工范围与Al2O3系陶瓷刀具近似，但是Si3N4系陶瓷刀具不适合加工产生长屑的钢料。Si3N4系陶瓷刀具特别适合加工灰铸铁(铸铁加工用刀具有一半可被Si3N4系陶瓷刀具替代), 其中Sialon陶瓷刀具主要用于加工铸铁(含冷硬铸铁)与高温合金。
• 陶瓷刀具的应用现状 由于使用陶瓷刀具可以改变传统的机械加工工艺，解决各行业难加工材料的切削加工问题，提高加工效率，节约生产硬质合金刀具所需的大量贵重金属(如W、Co，及Ti等)，因此，在国外陶瓷刀具的应用越来越广泛，并且大量应用于数控机床。在美国，陶瓷刀具占全部刀具市场份额的3%～4%，在日本该份额为8%～10% ，在德国约为12%。在一些特殊加工过程中，陶瓷刀具所占比例更大。据估计，今后陶瓷刀具占整个刀具市场的份额可能增加到15%～20%。 虽然我国陶瓷刀具的研究水平与国外相当，但实际应用发展较慢。目前我国陶瓷刀具的应用还处于起步阶段，陶瓷刀具主要用于硬质合金刀具难以切削的工件粗加工，在精密加工中应用较少。由于人们普遍认为陶瓷刀具性能不稳定，目前国内陶瓷刀具占总刀具使用量的比例不超过1%。实际上，由于我国推广使用陶瓷刀具的时间不长，在陶瓷刀具的几何参数、切削用量以及使用技术方面均缺乏成熟的理论与经验，使得陶瓷刀具的优良性能远远没有发挥出来。

5 陶瓷刀具选用要点陶瓷刀具的应用是一项需要综合多方面技术的系统工程，因此必须考虑陶瓷刀具本身具有的物化特性、切削性能以及与普通刀具的差异。陶瓷刀具不是万能刀具，只有正确使用才能充分发挥其优越性。鉴于陶瓷刀具的特性，选用时必须注意以下几方面的问题：

• 选择良好的系统刚性 陶瓷刀具对冲击和振动载荷比较敏感，系统刚性差是陶瓷刀具耐用度降低或引起崩刃的主要原因。系统刚性是指由机床—工件—刀具组成的工艺系统的刚性，而不是孤立的一台机床的刚性，因此必须考虑工件、夹具、顶尖、刀具等影响因素。系统刚性越差，振动越大，刀具耐用度越低。因此，任何环节的刚性不足都将大幅度降低陶瓷刀具的切削性能和加工效率。实践证明，适于陶瓷刀具加工的机床必须具有良好的刚性、足够的功率和较高的转速。重型机床的刚性好，有足够的转速及功率，采用陶瓷刀具的成功率往往较高。中型机床在精加工、半精加工时因振动较小，使用陶瓷刀具效果也较好，而粗加工时往往很难发挥陶瓷刀具的优越性。
• 防止工件对刀具的冲击

虽然在大多数情况下，陶瓷刀具可以对未经退火的铸、锻件进行粗加工，但硬铸件毛坯上的夹砂和砂眼常常会引起冲击，造成陶瓷刀具崩刃。因此在切削加工前对毛坯缺陷部分进行适当的清理、修正，可大大减少陶瓷刀具的破损。要防止高速转动的高硬毛坯毛边对刀具的冲击，对那些硬度高而形状不规则的毛坯，应注意在切入和切出处先倒角再切削。切入处的倒角可避免刀具接触工件时承受过大的冲击载荷；切出处的倒角可防止刀具切离工件时被留下的一圈料边打坏。此外，还要注意机床与被加工零件的匹配，避免使用小功率机床加工大工件。
- M( M) h6 ]/ y 合理选择刀具几何参数 合理的刀具几何参数，是指粗加工或半精加工时能保证刀具有较高生产率和刀具耐用度、精加工时在具备较高刀具耐用度的基础上可保证加工出符合预定尺寸精度和表面质量的工件的刀具几何参数。虽然陶瓷刀具切削性能优良，但是如果在使用中不能合理地选择其几何参数，仍不能很好地发挥作用。在选择陶瓷刀具的几何参数时，除要考虑刀具的一般规律外，还应考虑陶瓷刀具特有的规律。根据陶瓷刀具脆硬的特点，保证其使用稳定可靠、不发生崩刃是选择陶瓷刀具合理几何参数的主要依据(一般说来，陶瓷刀具常采用零前角或负前角切削); 此外，陶瓷刀具的结构通常为机夹可转位结构，选择几何参数时应充分考虑其结构特点。
9 ~7 W" s. N' B( D 合理选择切削用量 合理选择切削用量是充分发挥陶瓷刀具切削性能的重要因素之一，它直接影响加工生产率、加工成本、加工质量和刀具耐用度。选择切削用量时必须充分考虑陶瓷刀具硬度高、耐磨性好、耐热性好等优点以及脆性较大、强度较低等缺点。 正确选择进给量是成功应用陶瓷刀具的关键。进给量对刀具破损的影响很大，选取较小的进给量，有利于防止或减少刀具的破损。进给量大小主要受刀具强度、工艺系统刚性及被加工表面粗糙度的影响，因为陶瓷刀具的强度比硬质合金刀具低，所以预选进给量时可选得小一些，通过试切逐步增大。精车普通钢和铸铁时，取进给量f=0.10～0.75mm/r , 精加工时取f=0.05～0.25mm/r ，端铣时可取每齿进给量af=0.1～0.3mm/z；加工淬硬钢时，根据不同的硬度选取进给量，一般车削时取f=0.1～0.3mm/r ，端铣时取每齿进给量af=0.05 ～0.15mm/z 。 陶瓷刀具适于高速切削，切削速度过低，不仅不利于发挥陶瓷刀具的优越性，而且容易引起工艺系统振动，使刀具崩刃，严重时甚至无法切削。目前陶瓷刀具的切削速度已高达每分钟数千米，较高的切削速度(尤其在v= 350～1500m/min范围内)往往可以获得良好的切屑形状。如在高速车削淬硬钢时，可形成酥化的易于碎断的假带状切屑，使切屑易于清理；在一定范围内采用高速切削时，切削温度的升高可改变工件材料性能，提高陶瓷刀具韧性，减少刀具破损，所以陶瓷刀具加工时一般采用干切削；但在断续切削情况下，如果陶瓷刀具切削速度提高太多，则温差很大，切削产生的热应力亦会导致刀具破损。因此，适当选择陶瓷刀具的切削速度非常重要。切削深度受机床功率和工艺系统刚性的限制。选择较大的切削深度可以缩短加工时间，应尽量选择一次走刀后切去大部分加工余量。一般粗加工钢和铸铁时，允许的最大切削深度为2～6mm，通常取ap＞1.5mm；精加工时取ap＜0.5mm。加工淬硬钢一般为半精加工或精加工，切削深度应较小。当工艺系统刚性较差时，应取较小的切削深度，以免引起振动使刀具破损。
总体说来，用陶瓷刀具加工应选用较小的进给量和尽可能高的切削速度，切削深度在系统刚性和加工工艺允许的前提下应尽可能选择较大值。

$ T' G+ f9 k& P* Q 6 结语综上所述，陶瓷刀具材料大致可分为氧化铝系和氮化硅系两大类。陶瓷刀具优异的耐热性、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具有传统刀具无法比拟的优势。陶瓷刀具具有良好的切削性能，但只有正确使用才能充分发挥作用。随着陶瓷技术的发展及数控机床和加工中心应用的扩大，陶瓷刀具的应用必将越来越广泛。</TD
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[ 本帖最后由 lshvictor 于 2007-8-21 17:53 编辑 ]