陶瓷刀具材料的性能与应用 (1)

       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。

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；1968―1970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900―1300MPa(90―130kgf/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50―60万片；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2―10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  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0.1―0.15％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500―550MPa，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Al2O3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(1500―1800℃，1500―3000MPa)烧结而成。硬度HRA94.5―95.3，抗弯强度800―1180MPa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HRA93.5―94.8，抗弯强度800―1200MPa。牌号M4、M5(T1)、M6、LT35、LT55等。

    此外还有Al2O3―ZrO2、Al2O3―TiB2、Al2O3―SiC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HRA93―94，抗弯强度700―1100MPa，牌号有SM、HS73、HS80、F85、ST4、SC3等。