潛質優(yōu)厚的新型刀具
陶瓷刀具有氧化鋁(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4)基兩大類，具有工效高、使用壽命長和加工質量好等特點。過去由于抗彎強度低、脆性大，長期以來主要作為精加工刀具，占各類刀具材料中的比重很小。
但近幾年來，由于控制了原料純度和顆粒尺寸細化，添加各種碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善其性能，還可通過顆粒、晶須、相變、微裂紋和幾種增韌機理的協(xié)同作用提高其斷裂韌性，不僅使抗彎強度提高到0.9~1.0GPa(高的可達1.3-1.5GPa)，而且斷裂韌度和抗沖擊性能都有很大提高，應用範圍日益擴大，除可用于一般的精加工和半精加工外，也可用于沖擊負荷下的粗加工，在國際上公認為是提高生產效率*有潛質的刀具。目前，陶瓷刀具能以200~1000m/min的切削速度高速加工鋼、鑄鐵及其合金等材料，刀具壽命比硬質合金高幾倍、甚至幾十倍。如德國Guhring公司推出的RT200系列整體陶瓷鉆頭和陶瓷立銑刀，精加工切削速度為1000m/min。同時，它的出現使傳統(tǒng)的工藝概念發(fā)生變化，利用陶瓷刀具可直接以車、銑代替磨削（或拋）對淬硬零件加工，可用單一工序代替多道工序，大大縮短工藝流程。在生產中既能用于一般的車、鏜和銑削加工，更成功地用于精密孔的加工。除可在普通機床使用外，也能有效地用于數控機床等高效設備。與金剛石和CBN（立方氮化硼）等超硬刀具相比，陶瓷的價格相對較低，因此有人認為：“隨著現代陶瓷刀具材料性能的不斷改進，今后它將與涂層硬質合金刀具、金剛石和CBN等超硬刀具一起成為高速加工三種主要刀具。”
陶瓷刀具在中國的發(fā)展概貌
中國在陶瓷刀具的研究與開發(fā)具有優(yōu)勢，早在20世紀50年代就已在生產中使用，至今中國從事陶瓷刀具的科研和生產企業(yè)已有30多家，能夠生產20多個品種的氧化鋁基陶瓷(占總量的2/3)，10多個品種的氮化硅基陶瓷(占1/3)，帶孔和不帶孔刀片的生產能力也很強。其中，清華方大、山東工業(yè)大學、北京天龍、重慶渝倫、重慶利特高等高技術陶瓷有限公司及湖南長沙工程陶瓷公司生產的刀片，其性能已與國外同類產品相當，有些甚至更優(yōu)，而且有些品種是國外沒有的，如陶瓷與硬質合金的復合刀片、梯度功能陶瓷刀片、納米金屬陶瓷刀片等。目前，陶瓷刀具已在中國的機械、冶金、礦山、汽車、拖拉機、軸承、水泵、交通、能源、精密儀器、航空航天等20多個行業(yè)的幾百家工廠推廣應用，取得了顯著的經濟效益。例如一汽、二汽和石家莊水泵廠等單位都用陶瓷刀具切削難加工材料，一汽集團在加工含硼和含磷的汽車缸套時，已實現了全部陶瓷刀具化，對提高工效和保證產品質量起著重要作用。
陶瓷刀具的特性
陶瓷刀具與硬質合金刀具相比，其硬度高(91-95HRA)，耐磨性好，在相同切削條件加工鋼料時，磨損僅為P10(YT15) 硬質合金刀具的1/15，刀具壽命長；在1200℃時仍能保持80HRA的高硬度，所以在高溫下仍能進行高速切削；它與鋼鐵金屬的親和力小，摩擦因數低，抗粘結和抗擴散能力強，切削時不易粘刀及產生積屑瘤，加工表面質量好。另一方面，陶瓷刀具的缺點是脆性大，抗彎強度和抗熱沖擊性能較差，當切削溫度發(fā)生顯著變化時，容易產生裂紋。表1列出了陶瓷與常用硬質合金的性能對比。
陶瓷刀具的種類
氧化鋁（Al2O3）基陶瓷純氧化鋁陶瓷
其中Al2O3的成份占99.9%以上，多呈白色，俗稱白陶瓷。中國成都工具研究所生產的P1牌號屬于這一類。它的耐磨性好，用于切削灰鑄鐵有較好效果，也可切削普通碳鋼。但因其強度低，抗熱振性及斷裂韌性較差，切削時易崩刃，目前已被其它Al2O3復合陶瓷取代。
氧化鋁—碳化物系復合陶瓷
它是在Al2O3基體中加入TiC、WC、MO2C、TaC、NbC、Cr3C2等成份經熱壓燒結而成，使用*多的是Al2O3-TiC復合陶瓷。隨著TiC含量(30%~50%)的不同，其切削性能也有差異。這類陶瓷主要用于切削淬硬鋼和各種耐磨鑄鐵。中國生產的牌號有M16、SG3、SG4和AG2等，后兩種牌號還含有WC的成份。
氧化鋁—碳化鈦—金屬系復合陶瓷
在Al2O3-TiC陶瓷中加入少量的粘結金屬，如Ni和Mo等，可提高Al2O3與TiC的連結強度，提高其使用性能，故可用于粗加工。這類陶瓷又稱金屬陶瓷。中國生產的牌號有AT6、LT35、LT55、M4、M5、M6、LD-1等。用其切削調質合金鋼時切削速度可達一般硬質合金刀具的1~3倍，刀具壽命為硬質合金刀具的6~10倍。由于含有金屬成份，所以能用電加工切割成任何形狀。同時，用金剛石砂輪刃磨時，能獲得較好的表面質量。LD-1是在Al2O3-TiC系陶瓷的基礎上，通過添加少量的特殊微粉，利用多種增韌機制的協(xié)同作用而使斷裂韌度有較大提高(可達6.0~6.6 MPa·m1/2，普通熱壓Al2O3-TiC陶瓷斷裂韌度為4 MPa·m1/2)，用其端銑淬硬鋼時刀片抗破損性能比同類LT55牌號高出30%~110%。
Al2O3-SiC晶須增韌陶瓷
在Al2O3陶瓷基體中添加20%~30%的SiCw晶須(是直徑小于0.6µm，長度為10~80µm的單晶，具有一定的纖維結構，抗拉強度為7GPa，抗拉彈性模量超過700GP)而成。SiCw晶須的作用猶如鋼筋混凝土中的鋼筋，能成為阻擋或改變裂紋發(fā)展方向的障礙物，使其韌性大幅度提高，斷裂韌度可達9MPa·m1/2，可有效地用于斷續(xù)切削及粗車、銑削和擴孔等工序，適于加工鎳基合金、高硬度鑄鐵和淬硬鋼等材料。中國生產的JX-1、AW9、SG5及美國WG300、Kyon250與瑞典Sandvik公司CC670等牌號均屬于這一類。
Al2O3/(W,Ti)C梯度功能陶瓷
通過控制陶瓷材料的組成分布以形成合理的梯度，從而使刀具內部產生有利的殘余應力分布來抵消切削的外載應力，具有表層熱導率高、有利切削熱的傳出、熱膨脹系數小、結構完整性好、不易破損等特點。中國山東工業(yè)大學開發(fā)的FG2刀片就屬這一類。用其加工鋼鐵材料時刀具壽命可比Al2O3/(W,Ti)C復合陶瓷SG4高1-1.5倍，并且刀具有很好的自礪性，崩刃后仍能進行正常切削。
氮化硅(Si3N4)基陶瓷
Si3N4陶瓷是一種非氧化物工程陶瓷，硬度可達1800~ 2000HV，熱硬性好，能承受1300~1400℃的高溫，與碳和金屬元素化學反應較小，摩擦因數也較低。這類刀具適于切削鑄鐵、高溫合金和鎳基合金等材料，尤其適用于大進給量或斷續(xù)切削。由于純Si3N4陶瓷刀具在切削長切屑金屬（如軟鋼）時極易產生月牙洼磨損，所以新一代Si3N4陶瓷均為復合Si3N4陶瓷刀具。新開發(fā)的Si3N4陶瓷不僅可用于粗加工，而且可用于斷續(xù)切削和有冷卻液的切削，例如日本京陶公司的KS6000牌號。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率為2%-3%，與硬質合金相當，因此已可在生產線應用。Si3N4基陶瓷刀具的缺點是磨加工性比普通陶瓷差。
Si3N4-TiC-Co復合陶瓷
其韌性和抗彎強度高于Al2O3基陶瓷，而硬度卻不降低；熱導率亦高于Al2O3基陶瓷，故在生產中應用比較廣泛。中國生產的牌號有FD02、SM、HDM1、N5等。
Si3N4晶須增韌陶瓷
在Si3N4基體中加入一定量的碳化物晶須而成，從而可提高陶瓷刀具的斷裂韌性。如中國北京方大高技術陶瓷有限公司生產的FD03刀片以及湖南長沙工程陶瓷公司生產的SW21牌號均屬這一類。FD03刀片是在Si3N4陶瓷基體中加入硬質彌散顆粒TiCw，SW21刀片是在Si3N4中加入了一定量的SiCw晶須，故有較好的使用性能。一些國外切削專家認為，用Si3N4基陶瓷切削鋼材的效果不如Al2O3基復合陶瓷，故不推薦用其加工鋼材。但用FD03和SW21切削淬硬鋼(60-68HRC)、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時也有較好的效果。
Si3N4-Al2O3-Y2O3復合陶瓷
以Si3N4為硬質相、Al2O3為耐磨相、添加少量的助燒結劑Y2O3經熱壓燒結而成，常稱賽阿龍(Sialon)。如美國生產的Sialon牌號KY3000，成份為：77% Si3N4、13% Al2O3、10% Y2O3，硬度達1800HV，抗彎強度達1.2GPa。美國Greeleaf公司生產的Grem4B和瑞典Sandvik公司CC680刀片，以及中國生產的TP4和SC3等均是賽阿龍?zhí)沾伞Y3000陶瓷刀片在高速下切削鎳基高溫合金時，材料切除率是涂層硬質合金刀具的七倍。除能采用較大的進給量及切削速度高速加工鑄鐵和高溫合金外，并可在面銑刀上采用雙正前角（側前角和背前角均為正值）來加工鑄鐵。
表1：陶瓷與常用硬質合金的性能比較
刀具材料
密度
g/cm³
硬度
HRA
抗彎強度
GPa
抗壓強度
GPa
斷裂韌性
MPa·m1/2
彈性模量
GPa
導熱率
W/(m·K)
熱膨脹系數
(x10-6)K
耐熱性
℃
陶瓷
3.2-6.6
91-95
0.4-1.3
3-5.5
3-9
280-420
17-35
3-8
1300-1400
硬質合金
10-15
88-92
0.9-2.5
3-6
9-17
400-690
21-110
4.5-8.5
800-1000
陶瓷刀具的新品
納米金屬陶瓷刀具
這是中國合肥工業(yè)大學材料學院開發(fā)的新型氧化鋁基陶瓷刀具，在傳統(tǒng)的Al2O3-TiC金屬陶瓷中加入納米材料TiN（氮化鈦）和AlN（氮化鋁）改性而成，可細化晶粒和優(yōu)化材料力學性能。使用表明這是高技術含量及高附加值的新型刀具，可部分取代K20 (YG8)、P10 (YT15)等面廣量大的硬質合金刀具，刀具壽命可提高2倍以上，生產成本則與K20 (YG8)刀具相當或稍低。
涂層氮化硅陶瓷刀具
Si3N4基陶瓷的韌性優(yōu)于Al2O3基陶瓷，
