陶瓷刀具進化史

發布時間 | 2017-04-27 15:35 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 5031

金剛石氮化硅氮化硼氧化鋯氧化鋁納米材料

導讀：隨著新技術革命的發展，要求不斷提高切削加工生產率和降低生產成本，特別是數控機床的發展，要求開發比硬質合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。日前各種高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨和耐高溫...

隨著新技術革命的發展，要求不斷提高切削加工生產率和降低生產成本，特別是數控機床的發展，要求開發比硬質合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。日前各種高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨和耐高溫的難以切削的新材料日益增多。據文獻估計，這類材料己占國際上加工總數的50%以上，硬質合金刀具對其中不少新材料的加工難以勝任。另一方面，現在國際上硬質合金產量己達20000-25000t。每年消耗大量的金屬，如W,Co，Ta和Nb等，這些金屬的礦產資源正日益減少，價格上漲。按日前消耗速度，用不了幾十年，有些資源將耗盡，陶瓷刀具就是在這樣的背景下發展起來的。

陶瓷刀具進化史簡表

20世紀50年代氧化鋁

1911~1913德國和英國率先開發出多種性能優良的Al₂O₃基陶瓷刀具，20世紀50年代后期我國開始研究氧化鋁。

這是第一代陶瓷刀具，材料中的Al₂O₃的含量占99%以上，通過添加微量助燒劑#(如MgO、NiO、Cr₂O₃、TiO₂等)，經壓燒結而成(俗稱白陶瓷)。純Al₂O₃陶瓷抗彎強度較低，抗沖擊能力差，切削刃容易微崩，但高溫性能很好，適用于小進給量半精加工鑄鐵和鋼材。我國生產的這類陶瓷牌號有P1，成分為99%的Al₂O₃、1%的Al₂O₃。由于其抗彎強度低，使用日益減少。

20世紀60年代-70年代氧化鋁+碳化物

1968年才出現第2代陶瓷刀具-復合氧化鋁刀具在Al₂O₃中添加一定的碳化物(TiC、WC、TaC、NbC、MO₂C、Cr₃C₂)可以提高陶瓷的強度和抗沖擊性；其中以添加TiC的Al₂O₃-TiC陶瓷應用最多，其添加TiC的比例為30%-60%(有的為5%-10%)，通過熱壓燒結而成。目前，熱壓Al₂O₃-TiC陶瓷的平均硬度可達93.5~94.5HRA，抗彎強度可達0.9~1GPa。適于高速粗、精加工耐磨鑄鐵、淬硬鋼及高強度鋼等難加工材料。與純Al₂O₃陶瓷相比，Al₂O₃-TiC陶瓷的抗彎強度無論在常溫還是高溫下，都高于純Al₂O₃陶瓷，而且高溫下（1000℃以上），其下降速度較慢。低溫時Al₂O₃-TiC陶瓷的硬度略高于Al₂O₃陶瓷。我國生產的M16、SG3、SG4、SG5屬這類陶瓷，后兩種還加入了WC成分。

20世紀70年代氧化鋁+碳化物+金屬

這類陶瓷是在Al₂O₃中除添加碳化物外，還添加少量粘結金屬(Ni、Mo、Co、W等)，熱壓燒結而成（亦稱金屬陶瓷）。由于加了金屬，提高了Al₂O₃與碳化物的連結強度，改善了使用性能，適于加工淬火鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鎳基和鈷基合金以及非金屬材料（如纖維玻璃、塑料夾層材料等），是目前精加工冷硬鑄鐵軋輥的最佳材料。由于其抗振性能的改善，可用于間斷切削及使用切削液的場合。我國生產的M4、M5、M6、M8-1、LT35、LT55、AG2和AT6等，都屬于這類陶瓷。

20世紀70后-80初氧化鋁+氮化物+硼化物

20世紀70年代末80年代初國際出現了第3代陶瓷刀具-氮化硅陶瓷刀具。在Al₂O₃中添加氮化物的Al₂O₃-氮化物組合陶瓷刀具，具有較好的抗熱震性，其基本性能和加工范圍與Al₂O₃-碳化物-金屬陶瓷刀具相當，更適于間斷切削，但其抗彎強度和硬度比Al₂O₃-TiC金屬陶瓷刀具低，有待進一步研究改善。在Al₂O₃中添加TiB₂作為粘結劑制成的陶瓷刀具，由于其組織成分為細晶粒的Al₂O₃及連續的TiB₂粘結相，保持了硼化物的“三維連續性”，因此具有極好的耐沖擊性和耐磨性。

20世紀80—90年代增韌氧化鋁：

增韌的陶瓷Al₂O₃是指在Al₂O₃基體中添加增韌或增強材料。增韌方法請猛戳《》。非常適合加工鎳基耐熱合金和低速加工鑄鐵及非金屬脆性材料。這類陶瓷刀具使用較多的國產牌號有：湖南冷水江陶瓷工具廠的AW9、山東工業大學的JX-1等。到了21世紀，隨著納米材料及其他各類新材料的出現，各種增韌陶瓷刀片競相出現，如納米氧化鋯增韌氧化鋁基陶瓷刀具等。

氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷刀片

氮化硅陶瓷刀具

20世紀70年代開始科研人員在選擇刀具材料中發現，氮化硅(Si₃N₄)的顯微硬度(3000HV-500HV)，僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼，是一種新型的刀具材料。

20世紀80年代初此種陶瓷刀開始用于切削加工中。它的制造過程是將硅粉在1300℃～1400℃下通氮氣后進行球磨，加入少量助燒結劑，在1700℃～1750℃和2GPa～3GPa壓力下熱壓燒結而成。其主要特點是具有良好的耐熱性和抗熱沖擊性能。耐熱性高達1300℃～1400℃，高于一般陶瓷，可進行高速切削。其熱導率約為Al₂O₃陶瓷的2倍～3倍，而熱膨脹系數只有Al₂O₃陶瓷1/3左右，使得抗熱沖擊性能比Al₂O₃陶瓷提高1倍～2倍，有良好的抗崩刃性。在斷續車削或銑削加工中，氮化硅陶瓷刀具的使用壽命明顯比A1₂O₃陶瓷刀具長。

因此，氮化硅陶瓷刀具不僅能進行淬硬鋼、冷硬鑄鐵等材料的精加工和半精加工，而且可以用于鋼基硬質合金、鎳基合金、玻璃鋼材料的精加工和部分粗加工，還可以用于一般陶瓷不能勝任的有硬皮鑄件的毛坯切削。

氮化硅陶瓷刀具分類

近年來，氮化硅陶瓷刀具的發展非常迅速。目前使用的氮化硅系陶瓷刀具包括以Si₃N₄為主體的刀具和以Sialon(Si₃N₄+A1₂O₃)為主體的刀具。

氮化硅陶瓷刀具

1、單一Si₃N₄陶瓷刀具，此類Si₃N₄陶瓷刀具主要是以MgO為添加劑的熱壓陶瓷，其硬度為91HRA～93HRA，耐磨性介于一般陶瓷和立方氮化硼之間，抗彎強度為0。7GPa～0。85GPa，介于一般陶瓷和YT30之間，沖擊韌度相當于YT30，耐熱性可達1300℃～1400℃，具有良好的抗氧化性。此外，Si₃N₄陶瓷有自潤滑性能，摩擦系數較小，抗粘接能力強，不易產生積屑瘤，且切削刃可以磨得鋒利。可以加工出良好的表面質量，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。

2、Si₃N₄復合陶瓷刀具，此類陶瓷刀具是在Si₃N₄基體中添加適量金屬碳化物及金屬等復合強化劑，利用復合強化效應制成的Si₃N₄復合陶瓷，其性能比熱壓Si₃N₄陶瓷優越許多。目前使用較多的是Sialon陶瓷刀具，它是以Si₃N₄為硬度相，以A1₂O₃為耐磨相，在1800℃進行熱壓燒結而成且呈單相組織，是Al₂O₃在Si₃N₄中的固溶體。稱之為Si-Al-O-N(Sialon)陶瓷，有人把它譽為第三代陶瓷刀具，因其兼有Al₂O₃和Si₃N₄的特性，其熱硬性高于硬度合金和Al₂O₃陶瓷，在刀尖溫度高于1000℃時仍可高速切削。與單一Si₃N₄陶瓷刀具相比，Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化學穩定性、抗蠕變能力和耐磨性都有了很大提高，并且易于制造和燒結。是今后陶瓷刀具重點的發展方向。Sialon陶瓷刀具適于軟、硬鐵基合金、鎳基合金、鈦合金、硅鋁合金等材料的加工。