一、緒論

　　1938年世界上生產出氧化鋁(Al2O3)陶瓷刀具材料;1958年研制出氧化鋁―碳化物陶瓷;1968―1970年又研制出超微細粒氧化鋁(Al2O3)陶瓷和氧化鋁+碳化鈦+鎳熱壓陶瓷;1981年研制出氮化硅(Si3N4)陶瓷。在這短短50多年里，由于國內外科技工作者的努力，使這一刀具材料的抗彎強度由450MPa提高到900―1300MPa(90―130kgf/mm2)。目前，國內外陶瓷刀具用量與硬質合金刀具相比還很少，但在日本，歐美等發達國家使用情況，已達到硬質合金的11%以上，普遍認為陶瓷刀具將成為90年以后提高切削效率最有希望的刀具。

　　據有關資料統計：日本年產陶瓷刀片350萬片，占可轉位刀具刀片的9%，歐洲工業發達的國家，陶瓷刀片的生產量以每年20%的速度增長，尤其在汽車制造業中使用的比例最大，如聯邦德國科隆福特汽車廠，在27萬刀片中陶瓷刀片為9萬多片，占34%。用于數控機床的刀具中，陶瓷刀片占40%左右。美國福特汽車公司陶瓷刀具使用量占到40%;蘇聯年產陶瓷刀片達50―60萬片;我國從1953年開始研制和使用陶瓷刀具，南京電瓷廠與中科院冶金陶瓷研究所、一機部工具研究所、山東工業大學、上海硅酸鹽研究所、清華大學等單位，先后研制出氧化鋁陶瓷，氧化鋁+碳化物陶瓷和氮化硅基陶瓷，使陶瓷刀片的性能和質量均大大提高。如石家莊水泵廠加工耐磨鑄鐵和硬鎳鑄鐵，在車加工工序60%是陶瓷刀具，年消耗量1萬片以上;成都量具刃具廠每年用陶瓷刀具來加100萬支鉆頭毛坯外圓。據統計，全國每年生產陶瓷刀片幾十萬片以上。目前，氧化鋁基刀具牌早已有20多個，氮化硅基已有10多個牌號。

　　陶瓷刀具有很高的硬度、耐磨性，有良好的高溫性能，與金屬親和力小，不與金屬粘結，化學穩定性好。因此，它可以切削加工一般刀具難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質合金刀具高2―10倍，而且刀具耐用度高，可以大大提高生產效率。陶瓷刀具的主要原料，來源豐富。近年來，研究開發單位，研究開發了原料純度高，晶粒尺寸小，添加各種碳化物，氮化物，硼化物和氧化物及晶須，采用多種措施增加韌性，使陶瓷刀具材料的抗彎強度和斷裂韌性大幅度提高，而較為廣泛的應用。可用于高速切削，干切削和硬切削。

　　二、刀具陶瓷的種類

　　1 氧化鋁基陶瓷：

　　(1)純氧化鋁陶瓷：它是純度在99.9%以上的Al2O3添加0.1―0.15%的玻璃氧化物(MgONiOTiO2CrO3)，采用冷壓或熱壓制成。如牌號P1(AM)，硬度HRN96.5，抗彎強度500―550MPa，它的高溫性能比較低。

　　(2)氧化鋁―金屬系陶瓷：它是在Al2O3中增添10%以下的金屬(CrCoMoWTi)構成金屬陶瓷。由于它蠕變強度低，抗氧化性能差，很少采用。

　　(3)氧化鋁―碳化物系陶瓷：這是一種發展快，使用性能好的一種陶瓷刀具材料。它是在Al2O3中添加百分之幾到百分之幾十的碳化物(TiCWCMoCNbCCr2O3)熱壓(1500―1800℃，1500―3000MPa)燒結而成。硬度HRA94.5―95.3，抗彎強度800―1180MPa牌號M16(T8)、AT6、SG3、SG4等。

　　(4)氧化鋁―碳化物―金屬系陶瓷：它是在氧化鋁―碳化物陶瓷中添加金屬(NiMoWCo等)以提高氧化鋁與碳化物之間的連接強度，而提高其使用性能。可以用于斷續切削和使用切削液的整合。硬度HRA93.5―94.8，抗彎強度800―1200MPa。牌號M4、M5(T1)、M6、LT35、LT55等。

　　此外還有Al2O3―ZrO2、Al2O3―TiB2、Al2O3―SiC陶瓷。

　　2 氮化硅基陶瓷：

　　它是以高純度的Si3N4為原料，添加MgOAl2O3Y2O3等為助燒結劑，通過熱壓成形燒結而成。是80年代發展起來的刀具材料。其性能在很多方面超過了氧化鋁基陶瓷，硬度HRA93―94，抗彎強度700―1100MPa，牌號有SM、HS73、HS80、F85、ST4、SC3等。

　　三、氧化鋁基陶瓷刀具的性能

　　1、有很高的耐磨性：陶瓷刀具的硬度，HRA91.5―95，超過硬質合金。在切削灰鑄鐵及合金鋼時，金屬切除率分別為涂層硬質合金的23倍和6倍和在切削鋼時為非涂層硬質合金的20倍。例如：刀具后刀面磨損量(VB)在相同的情況下，Al2O3～TiC陶瓷刀具與硬質合金刀具相比的切削時間高20倍。

　　2、有很高的高溫性能：陶瓷刀具在1200℃以上的高溫下仍能正常切削，這時，它的硬度與硬質合金在200―600℃時的硬度相當。但抗彎強度卻降低的很少，其抗壓強度在1100℃與室溫相當。在1350℃才產生塑性變形，因其具有這種高溫性能而允許在較高的切削速度條件下進行切削。其切削速度比硬質合金高2―5倍。如在切削高溫合金和鎳基合金時，其切削速度可比硬質合金高3―5倍。切削45號鋼時切削速度可達300―1500m/min，而硬質合金只有100―300m/min。怎么搭配日霜控油補水產品防曬胸部小品牌精油哪種好最好的哪個保健補品好

　　3、有良好地抗粘接性能：Al2O3與金屬的親和力很小，它與很多碳化物、氧化物、硼化物等金屬化合物相互反應能力很低，不易與金屬產生粘結，所以它具有良好地抗粘結能力，可以減少刀具在切削過程中的粘結磨損。(Al2O3與鋼的產生粘結的溫度是1538℃)。

　　4、化學穩定性好：Al2O3陶瓷的化學惰性優于TiC、WC和Si3N4。它即使在熔化溫度時，也與鋼不起化學作用。在鐵中溶解率比WC低4―5倍，因而Al2O3刀具切削時，它的擴散磨損少。再則，陶瓷刀具材料抗氧化溫度是1750℃，它優于其它刀具材料(高速鋼和硬質合金為800℃)，能適于在較高的切削溫度下進行切削。

　　5、有較低的磨擦系數：由于陶瓷刀具的磨擦系數小，故切削變形、切削力均比硬質合金小，例如用LT55和SG4陶瓷刀具加工淬火后45號鋼(HRC50―55)時，與YTO5比較：Fc下降17.6%，Fp下降14%，Ff下降28%。陶瓷刀具在切削時的磨擦系數低，切屑不易粘在刀具上，不易產生積屑瘤，故已加工表面的粗糙度低，一般切削鋼時Ra可達Ra0.8―0.4μm;切鑄鐵時可達Ra1.6―0.8μm。

　　四、氮化硅基陶瓷的性能

　　氮化硅基陶瓷是70年代研制出的一種新刀具材料，它具有很高的硬度，僅次于金剛石，立方氮化硼和碳化硼屬第四位。具有良好的耐磨性、耐熱性、化學穩定性和耐熱沖擊性，是一種很有發展前途的刀具材料。

　　1、具有較高的強度和韌性：Si3N4基陶瓷的抗彎強度一般已達900—1000MPa，有的已達到1500MPa。可以在Si3N4中添加Y2O3或MgO，來提高其強度。添加后它的抗壓強度可達3000—4000MPa。它的沖出值可達0.12kgf.m/cm2,而Al2O3—TiC則是0.09kgf.m/cm2;它的斷裂韌性比氧化鋁—TiC高。在切削加工鑄鐵時，它的抗崩性比YG6還好。不易在切削過程中產生裂紋。它可用來切削可鍛鑄鐵，斯太立特合金，耐熱合金等材料的氧化皮切削或斷續切削。

　　2、較高的耐熱性：Si3N4陶瓷的耐熱性可達1300—1400℃以上，高于硬質合金及其它陶瓷，僅次于立方氮化硼。因而能承受較高的切削溫度和相應的切削速度，車削鎳基合金時，切速Vc可達300m/min。Si3N4陶瓷的常溫硬度略低于Al2O3和Al2O3-TiC陶瓷，但900℃時，它的硬度最高，在1000℃時，它的硬度幾乎不下降。

　　3、優良的耐熱沖擊性能：Si3N4陶瓷具有較高的導熱系數(58.62W/m.k)是Al2O3(20.93W/m.k)基陶瓷的2.5—3倍，耐熱沖擊性是Al2O3基的2—3倍。可用它來進行濕式荒加工。

　　4、良好的化學穩定性能：Si3N4與碳元素及其他一般金屬元素化學反應小，并且有良好的抗氧化性能，在1200℃時無氧化增量，比YT類硬質合金高200℃;Si3N4—5MgO陶瓷在1350℃時生成一層連續的保護性能良好的氧化皮，可保持幾百小時不被破壞。另外Si3N4陶瓷具有良好的自潤滑性能，有較低的磨擦系數和良好的抗粘結性能，它與有色金屬熔融體不起反應，因而切這些金屬(銅、鋁)時，不產生粘接和積屑瘤，有力降低表面粗糙度。此外Si3N4刀具材料成本低，易于磨削。可以獲得鋒利的刃口(□<0.1μm)。

　　五、陶瓷刀具的應用

　　陶瓷刀具適于切削加工的工件材料：

　　由于科學技術的發展，刀具陶瓷的性能不斷提高，它在切削加工中的應用日益廣泛。適用的主要工件材料有：各種鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵、硬鑄鐵、高強度鑄鐵等)。各種鋼材：調質鋼、合金鋼、炮鋼、高強度鋼。HRC>60的淬硬鋼，耐熱鋼和某些耐熱合金等;有色金屬;銅和銅合金，鋁和鋁合金等;非金屬;耐磨石墨、硬橡膠、塑料、特殊尼龍、聚氯乙稀和樹脂及夾布膠木等。

　　另外，刀具陶瓷不僅適于制造車刀、鏜刀、銑刀、刨刀，而且也可通過線切割和刃磨等工藝來制造成形車刀、鉸刀、滾刀等刀具。同時它不僅適用于普通機床，更適用于數控機床。它也特別適用于加熱切削，如采用等離于加熱切削難加工材料時，切削速度可達Vc=70—100m/min，ap>2.5mm，f=0.3—0.4mm/r。

　　六、結論

　　1、陶瓷刀具適用于切削加工淬火鋼，合金鋼，各種鑄鐵，高強度鋼和高溫合金。

　　2、陶瓷刀具切削上述材料時的刀具耐用度和切削速度是硬質合金的幾倍以上。加土效率高，加工成本低。

　　3、在Al2O3中添加工碳化物、氮化物、硼化物和氧化物后，使陶瓷刀具材料的抗彎強度和抗斷裂韌性大大提高，可以在有沖擊的條件下切削。不僅適用車削、鏜削，也適用于銑削和刨削。