陶瓷刀具材料的性能与应用

1、陶瓷刀具材料的性能与应用        摘要：陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、与金属亲和力小、化学稳定性好等特点，而在国内外被广泛的应用于切削加工淬火钢、合金钢、各种难切削的铸铁、镍基高温合等材料等。其切削效率是硬质合金的3倍以上。特别对一些难切削材料，有优良的切削特点。关键词：陶瓷刀具材料性能应用一、绪论    1938年世界上生产出氧化铝(Al2O3)陶瓷刀具材料；1958年研制出氧化铝碳化物陶瓷；19681970年又研制出超微细粒氧化铝(Al2O3)陶瓷和氧化铝+碳化钛+镍热压

2、陶瓷；1981年研制出氮化硅(Si3N4)陶瓷。在这短短50多年里，由于国内外科技工作者的努力，使这一刀具材料的抗弯强度由450MPa提高到9001300MPa(90130kgf/mm2)。目前，国内外陶瓷刀具用量与硬质合金刀具相比还很少，但在日本，欧美等发达国家使用情况，已达到硬质合金的11以上，普遍认为陶瓷刀具将成为90年以后提高切削效率最有希望的刀具。     据有关资料统计：日本年产陶瓷刀片350万片，占可转位刀具刀片的9，欧洲工业发达的国家，陶瓷刀片的生产量以每年20的速度增长，尤其在汽车制造业中使用的比例最大，如联邦德国科隆福特汽车厂，在27

3、万刀片中陶瓷刀片为9万多片，占34。用于数控机床的刀具中，陶瓷刀片占40左右。美国福特汽车公司陶瓷刀具使用量占到40；苏联年产陶瓷刀片达5060万片；我国从1953年开始研制和使用陶瓷刀具，南京电瓷厂与中科院冶金陶瓷研究所、一机部工具研究所、山东工业大学、上海硅酸盐研究所、清华大学等单位，先后研制出氧化铝陶瓷，氧化铝碳化物陶瓷和氮化硅基陶瓷，使陶瓷刀片的性能和质量均大大提高。如石家庄水泵厂加工耐磨铸铁和硬镍铸铁，在车加工工序60是陶瓷刀具，年消耗量1万片以上；成都量具刃具厂每年用陶瓷刀具来加100万支钻头毛坯外圆。据统计，全国每年生产陶瓷刀片几十万片以上。目前，氧化铝基刀具牌早已有20多个，氮

4、化硅基已有10多个牌号。    陶瓷刀具有很高的硬度、耐磨性，有良好的高温性能，与金属亲和力小，不与金属粘结，化学稳定性好。因此，它可以切削加工一般刀具难以加工的硬度高的工件材料。陶瓷刀具的最佳切削速度可比硬质合金刀具高210倍，而且刀具耐用度高，可以大大提高生产效率。陶瓷刀具的主要原料，来源丰富。近年来，研究开发单位，研究开发了原料纯度高，晶粒尺寸小，添加各种碳化物，氮化物，硼化物和氧化物及晶须，采用多种措施增加韧性，使陶瓷刀具材料的抗弯强度和断裂韧性大幅度提高，而较为广泛的应用。可用于高速切削，干切削和硬切削。二、刀具陶瓷的种类   1&#

5、160; 氧化铝基陶瓷：    (1)纯氧化铝陶瓷：它是纯度在99.9以上的Al2O3添加0.10.15的玻璃氧化物(MgO NiO TiO2 CrO3)，采用冷压或热压制成。如牌号P1(AM)，硬度HRN96.5，抗弯强度500550MPa，它的高温性能比较低。    (2)氧化铝金属系陶瓷：它是在Al2O3中增添10以下的金属(Cr Co Mo W Ti)构成金属陶瓷。由于它蠕变强度低，抗氧化性能差，很少采用。    (3)氧化铝碳化物系陶瓷：这是一种发展快，使用性能好的一种陶瓷刀具材料。它是在Al2

6、O3中添加百分之几到百分之几十的碳化物(TiC WC Mo C NbC Cr2O3)热压(15001800，15003000MPa)烧结而成。硬度HRA94.595.3，抗弯强度8001180MPa牌号M16(T8)、AT6、SG3、SG4等。    (4)氧化铝碳化物金属系陶瓷：它是在氧化铝碳化物陶瓷中添加金属(Ni Mo W Co等)以提高氧化铝与碳化物之间的连接强度，而提高其使用性能。可以用于断续切削和使用切削液的整合。硬度HRA93.594.8，抗弯强度8001200MPa。牌号M4、M5(T1)、M6、LT35、LT55等。  

7、60; 此外还有Al2O3ZrO2、Al2O3TiB2、Al2O3SiC陶瓷。2  氮化硅基陶瓷：    它是以高纯度的Si3N4为原料，添加MgO Al2O3 Y2O3等为助烧结剂，通过热压成形烧结而成。是80年代发展起来的刀具材料。其性能在很多方面超过了氧化铝基陶瓷，硬度HRA9394，抗弯强度7001100MPa，牌号有SM、HS73、HS80、F85、ST4、SC3等。 三、氧化铝基陶瓷刀具的性能    1、有很高的耐磨性：陶瓷刀具的硬度，HRA 91.595，超过硬质合金。在切削灰铸铁及合金钢时，金属切除

8、率分别为涂层硬质合金的23倍和6倍和在切削钢时为非涂层硬质合金的20倍。例如：刀具后刀面磨损量(VB)在相同的情况下，Al2O3TiC陶瓷刀具与硬质合金刀具相比的切削时间高20倍。    2、有很高的高温性能：陶瓷刀具在1200以上的高温下仍能正常切削，这时，它的硬度与硬质合金在200600时的硬度相当。但抗弯强度却降低的很少，其抗压强度在1100与室温相当。在1350才产生塑性变形，因其具有这种高温性能而允许在较高的切削速度条件下进行切削。其切削速度比硬质合金高25倍。如在切削高温合金和镍基合金时，其切削速度可比硬质合金高35倍。切削45号钢时切削速度可达300

9、1500m/min，而硬质合金只有100300m/min。    3、有良好地抗粘接性能：Al2O3与金属的亲和力很小，它与很多碳化物、氧化物、硼化物等金属化合物相互反应能力很低，不易与金属产生粘结，所以它具有良好地抗粘结能力，可以减少刀具在切削过程中的粘结磨损。(Al2O3与钢的产生粘结的温度是1538)。    4、化学稳定性好：Al2O3陶瓷的化学惰性优于TiC、WC和Si3N4。它即使在熔化温度时，也与钢不起化学作用。在铁中溶解率比WC低45倍，因而Al2O3刀具切削时，它的扩散磨损少。再则，陶瓷刀具材料抗氧化温度是1750，

10、它优于其它刀具材料(高速钢和硬质合金为800)，能适于在较高的切削温度下进行切削。    5、有较低的磨擦系数：由于陶瓷刀具的磨擦系数小，故切削变形、切削力均比硬质合金小，例如用LT55和SG4陶瓷刀具加工淬火后45号钢(HRC5055)时，与YTO5比较：Fc下降17.6，Fp下降14，Ff下降28。陶瓷刀具在切削时的磨擦系数低，切屑不易粘在刀具上，不易产生积屑瘤，故已加工表面的粗糙度低，一般切削钢时Ra可达Ra0.80.4m；切铸铁时可达Ra1.60.8m。四、氮化硅基陶瓷的性能    氮化硅基陶瓷是70年代研制出的一种新刀具材料

11、，它具有很高的硬度，仅次于金刚石，立方氮化硼和碳化硼属第四位。具有良好的耐磨性、耐热性、化学稳定性和耐热冲击性，是一种很有发展前途的刀具材料。    1、具有较高的强度和韧性：Si3N4基陶瓷的抗弯强度一般已达9001000MPa，有的已达到1500MPa。可以在Si3N4中添加Y2O3或MgO，来提高其强度。添加后它的抗压强度可达30004000MPa。它的冲出值可达0.12kgf.m/cm2,而Al2O3TiC则是0.09kgf.m/cm2；它的断裂韧性比氧化铝TiC高。在切削加工铸铁时，它的抗崩性比YG6还好。不易在切削过程中产生裂纹。它可用来切削可锻铸铁，

12、斯太立特合金，耐热合金等材料的氧化皮切削或断续切削。    2、较高的耐热性：Si3N4陶瓷的耐热性可达13001400以上，高于硬质合金及其它陶瓷，仅次于立方氮化硼。因而能承受较高的切削温度和相应的切削速度，车削镍基合金时，切速Vc可达300m/min。Si3N4陶瓷的常温硬度略低于Al2O3和Al2O3-TiC陶瓷，但900时，它的硬度最高，在1000时，它的硬度几乎不下降。    3、优良的耐热冲击性能：Si3N4陶瓷具有较高的导热系数(58.62W/m.k)是Al2O3(20.93W/m.k)基陶瓷的2.53倍，耐热冲击性是A

13、l2O3基的23倍。可用它来进行湿式荒加工。4、良好的化学稳定性能：Si3N4与碳元素及其他一般金属元素化学反应小，并且有良好的抗氧化性能，在1200时无氧化增量，比YT类硬质合金高200；Si3N45MgO陶瓷在1350时生成一层连续的保护性能良好的氧化皮，可保持几百小时不被破坏。另外Si3N4陶瓷具有良好的自润滑性能，有较低的磨擦系数和良好的抗粘结性能，它与有色金属熔融体不起反应，因而切这些金属(铜、铝)时，不产生粘接和积屑瘤，有力降低表面粗糙度。此外Si3N4刀具材料成本低，易于磨削。可以获得锋利的刃口(<0.1m)。 五、陶瓷刀具的应用陶瓷刀具适于切削加工的工件材料：&

14、#160;   由于科学技术的发展，刀具陶瓷的性能不断提高，它在切削加工中的应用日益广泛。适用的主要工件材料有：各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、硬铸铁、高强度铸铁等)。各种钢材：调质钢、合金钢、炮钢、高强度钢。HRC>60的淬硬钢，耐热钢和某些耐热合金等；有色金属；铜和铜合金，铝和铝合金等；非金属；耐磨石墨、硬橡胶、塑料、特殊尼龙、聚氯乙稀和树脂及夹布胶木等。    另外，刀具陶瓷不仅适于制造车刀、镗刀、铣刀、刨刀，而且也可通过线切割和刃磨等工艺来制造成形车刀、铰刀、滚刀等刀具。同时它不仅适用于普通机床，更适用于数控机床。它也特别适用于加热切削，如采用等离于加热切削难加工材料时，切削速度可达Vc=70100m/min，ap>2.5mm，