一、陶瓷刀具材料的发展概况

二、陶瓷刀具材料的种类和性能

1. 氧化铝系陶瓷刀具材料
   1. 氧化铝陶瓷刀具：刀具材料中采用纯Al#p#分页标题#e#₂O₃陶瓷及以Al₂O₃为主且添加少量其它元素的陶瓷材料，如MgO、NiO、SiO₂、TiO₂和Cr₂O₃等。这些添加物有利于加强Al₂O₃抗弯强度，但高温性能有所降低。Al₂O₃陶瓷的室温硬度与高温硬度都高于硬质合金材料。Al₂O₃陶瓷在室温与高温时抗压强度都很好，尤其可以克服一般高速钢刀具及硬质合金切削刀刃易形成的变形及塌陷缺点。此外，Al₂O₃陶瓷的抗氧化、抗粘结性及化学惰性都很好。氧化铝陶瓷刀具最适于高速切削硬而脆的金属材料，如冷硬铸铁或淬硬钢；用于大件机械零部件切削及用于高精度零件的切削加工。氧化铝陶瓷刀具在短、小零件、钢件的断续切削及Mg、Al、Ti及Be等单质材料及其合金材料切削加工时效果较差，容易使刀具出现扩散磨损或发生剥落与崩刃等缺陷。
   2. 氧化铝—金属系复合陶瓷刀具：为提高Al₂O₃陶瓷刀具韧性，材料中引入10%以下的Cr、Co、Mo、W、Ti、Fe等金属元素，由此形成Al₂O₃金属陶瓷。这样材料密度、抗弯强度及硬度均有提高，但由于氧化铝—金属陶瓷刀具抗蠕变强度低、抗氧性差，到目前为止，其推广使用情况不佳。
   3. 氧化铝—碳化物系复合陶瓷刀具：系将一定比例的碳化物，如Mo₂C、WC、TiC、TaC、NbC和Cr₃C₂等加入到Al₂O₃陶瓷中，采用Mo、Ni(或Co、W)等金属作为粘结相热压而成的陶瓷刀具材料。当TiC含量为30%时，陶瓷刀具的耐用度获得显著提高，而热裂纹深度也较小。目前国际上生产的热压Al₂O₃-TiC陶瓷刀具均采用此配方，如山东大学的SG4陶瓷刀具、肯纳刀具公司的KY1615等。Al₂O₃-TiC陶瓷的抗弯强度，耐热冲击性等均优于纯Al₂O₃陶瓷刀具。在Al₂O₃-TiC陶瓷材料中，由于金属粘结Al₂O₃晶粒和碳化物晶粒二者相互穿插的骨架组成，具有较高的联接强度，因此形成较好的切削性能。这类陶瓷刀具最适用于加工淬硬钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、铸钢，镍基或镍铬合金，镍基和钴基金合等，另外还可用于非金属材料如纤维玻璃，塑料夹层及陶瓷材料的切削加工。由于氧化铝一碳化物金属陶瓷抗热震性能良好，故可适用于铣削，刨削，反复短暂切削或其它断续切削等，亦可采用切削液进行湿式切削等。
   4. 氧化铝—氮化物、硼化物金属复合陶瓷刀具：此种陶瓷刀具材料基本性能与加工范围与Al₂O₃一碳化物金属陶瓷材料相当，不过由于以氮化物、硼化物取代TiC，如Al₂O₃-TiN, Al₂O₃-Ti(C,N)，Al₂O₃-TiB₂，因此它具有更好的抗热震性能与更适用于间断切削。但是其抗弯强度与硬度都比添加TiC的金属陶瓷低一些，对它的研究与开发仍在继续中。
   5. SiC晶须增韧Al₂O₃陶瓷刀具：SiC晶须的加入使Al₂O₃基陶瓷的断裂韧性提高两倍多，同时保留了很高的硬度，目前这种陶瓷刀具可用于淬硬钢、工具钢、冷硬铸铁和镍基合金的加工。如肯纳刀具公司的KY4300为SiC晶须增韧Al₂O₃陶瓷刀具，具有良好的韧性，可用于加工高温合金和高硬度铸造材料。
   6. AlON基陶瓷：在氮氧化铝(AlON)基体中添加碳化硅晶须，可使氮氧化铝陶瓷基体得到加强。对于传统的高温合金精加工而言，这种刀具材料具有强韧性、抗磨损性和抗热冲击性三者的完美结合。与碳化硅晶须增强氧化铝基陶瓷相比，经碳化硅晶须增强的氮氧化铝陶瓷已被证明可以提高其抗破损能力。
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2. 氮化硅系陶瓷刀具材料
   1. 单一Si₃N₄陶瓷刀具：此类陶瓷刀具主要是以MgO为添加剂的热压陶瓷。由于Si₃N₄陶瓷以共价键结合，晶粒是长柱状的，因此有较高的硬度、强度和断裂韧性，其硬度为91～93HRA，抗弯强度为0.7～0.85GPa，耐热性可达1300～1400℃，具有良好的抗氧化性。同时它有较小的热膨胀系数(=3×10^-6/℃)，所以有较好的抗机械冲击性和抗热冲击性。Si₃N₄刀具适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削寿命比硬质合金刀具高几倍至十几倍。此外，Si₃N₄陶瓷有自润滑性能，摩擦系数较小，抗粘接能力强，不易产生积屑瘤，且切削刃可磨得锋利。能加工出良好的表面质量，特别适合于车削易形成积屑瘤的工件材料，如铸造硅铝合金等，在汽车发动机铸铁缸体等加工中应用越来越普遍。
   2. 复合Si₃N₄陶瓷刀具：单一Si₃N₄陶瓷的硬度并不是特别高(HRA92.5)，在加工硬度较高的工件时，如冷硬铸铁(HS65～80)、高铬铸铁(HS80～90)等，单一Si₃N₄陶瓷刀具的耐用度是较低的，为改善其耐磨性，加人TiCN、TiCN-TiN作为硬质弥散相，以提高刀具材料的硬度，同时保留较高的强度和断裂韧性，称为复合氮化硅陶瓷刀具。与单一Si₃N₄陶瓷刀具相比，复合氮化硅陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力和耐磨性都有了很大提高，且易于制造和烧结。
   3. 赛隆Sialon陶瓷刀具：赛隆陶瓷以Si₃N₄为硬质相，Al₂O₃为耐磨相，并添加少量助烧剂Y203，经热压烧结而成，有很高的强度和韧性，Sialon陶瓷刀具具有良好的抗热冲击性能。与Si₃N₄相比，Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能更高，耐热温度较高达1300℃以上，具有较好的抗塑性变形能力，其冲击强度接近于涂层硬质合金刀具。赛隆(Sialon)陶瓷材料有2种晶体结构，a-Sialon为等轴晶，具有较高的硬度和耐磨性能，b-Sialon为柱状晶，断裂韧性和热传导能力相对较好，a+b-Sialon复相陶瓷刀具综合了两相优点，切削性能更优异，重载条件下其耐磨性能优于单相陶瓷刀具。Sialon陶瓷刀具适用于高速切削、强力切削、断续切削，不仅适合于干切削，也适合于湿式切削。如肯纳刀具公司开发的Sialon陶瓷刀具KY1540可用于铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的高速切削加工。由于它和钢的化学亲和性大，Sialon陶瓷刀具不适合加工钢。
      KC8050对钢、不锈钢、铸铁，从粗加工到精加工都有良好的加工表现，适应性强。极具耐磨性，可进行高速干切削，可用于断续切削。KC9040适用于所有类型的钢、不锈钢和大多数工件材料的重型粗加工中。刀具寿命长，适用于粗加工生产。KC9110它是包括钢，铁素体和马氏体不锈钢、铸铁等绝大多数工件材料的精至半精加的优秀刀片材质。适用于高切削速度。KC9125钢、铁素体和马氏体不锈钢工件的最佳通用型车削材质。从中等粗加工到半精加工的各种切削中KC9140用于合金钢的重载车削。KC9225专门用于加工奥氏体不锈钢，特点层是毛刺少，而且刃口的抗切深处槽磨损能力极佳。KC9240为中等切削速度和进给率的情况下的CVD涂层的粗车刀片。为难切削不锈钢加工的理想刀片选择。KC9245为最难加工的不锈钢所专门设计。适合于加工奥氏体不锈钢，也适用于大切深和大进给的粗加工。KC9315适合高速切削加工灰口铸铁、延展性铸铁和高强度铸铁，可适合于连续切削或者轻微断续切削的加工。KC9325可应用于延展性铸铁的加工。

      刀具牌号	涂层结构	应用

      
      #p#分页标题#e#a-Al₂O₃与k-Al₂O₃相互交替的涂层刀具 KB9610用于淬硬钢(>HRC48)的精密加工，工件越硬效果愈好。应用于轴承钢、热轧或冷拨钢材、高速钢、模具钢、渗碳和渗氮硬化铁或者其他表面硬化的工件材料。不能用于软钢。KB9640用于粗到半精加工珠光体灰口铸铁、冷硬铸铁、高铬合金钢、粉末冶金金属，或者重载粗加工硬化钢(>HRC45)，也用于珠光体灰口铸铁和冷作铸铁的精加工。不能用于淬硬钢的精加工。

      刀具牌号	涂层结构	应用

      
      PCBN基体CVD氧化铝涂层刀具
   4. Si₃N₄晶须增韧陶瓷刀具：该类陶瓷是在Si₃N₄基体中加入一定量的碳化物晶须而成，从而可提高陶瓷刀具的断裂韧性。北京方大高技术陶瓷有限公司生产的FD03刀片及湖南长沙工程陶瓷公司生产的SW21牌号均属这一类。FD03刀片是在Si₃N₄陶瓷基体中加入了硬质弥散颗粒TiC，SW21刀片是在Si₃N₄中加入了一定量的SiC晶须，故有较好的使用性能。
3. 陶瓷涂层刀具
   涂层技术可提高刀具的耐磨性而不降低其韧性，较好的解决了刀具材料存在的强度和韧性之间的矛盾，是切削刀具发展的一次革命。常用的涂层方法是PVD和CVD，陶瓷涂层以CVD法为主，最近WALTER刀具公司在世界上首次开发出了硬质合金基体上的PVD氧化铝陶瓷涂层刀具。PVD氧化铝陶瓷涂层刀具既具有较好的韧性，又具有良好的抗磨损性能，适用于难加工材料、不锈钢和普通钢的高效切削加工。
   涂层方式有单涂层，、多涂层、纳米涂层等。陶瓷单涂层刀具如Ingersoll公司的IN6510(K15-K20硬质合金基体)、IN6515(K15-K35，P20-P30硬质合金基体)、IN6530(P25-P45，M25-M40，K20-K50硬质合金基体)。厚膜氧化铝涂层对于提高加工效率很有帮助，但通常的涂层技术在膜厚增厚的同时会降低涂层与基体的结合力，肯纳刀具公司通过技术改进，在不降低结合力的前提下，已将KC9110氧化铝涂层的厚度从12µm先增加到182µm，后又提高到242µm，使该刀具的切削性能大大提高。
   多层陶瓷涂层可阻挡裂纹的扩展，提高刀具寿命，近年来发展较快。如山高刀具公司的钻削用T2000D(涂层材料Ti(C, N)-Al₂O₃-TiN)，T3000D刀具(涂层材料 Ti(C,N)- Al₂O₃)；铣削用T150 M(涂层材料Ti (C, N)- Al₂O₃)，T350 M(涂层材料Ti (C, N)- Al₂O₃/TiN)，T200 M(涂层材料Ti (C, N)- Al₂O₃-TiN)，T250M(涂层材料Ti (C, N)- Al₂O₃/TiN)；车削用TP1000 、TP2000(涂层材料Ti (C, N)- Al₂O₃-Ti (C,N)-TiN)，TP3000、TP200、TP400、TK1000、TK 2000(涂层材料Ti (C, N)-Al₂O₃-TiN)，山高刀具公司还开发了a- Al₂O₃与k- Al₂O₃相互交替的涂层刀具。WALTER刀具公司开发生产了氧化铝多层涂层刀具：WAP系列(涂层材料TiCN- Al#p#分页标题#e#₂O₃-TiN)，WAK系列(涂层材料TiCN- Al₂O₃/TiN)，WAM 系列(涂层材料TiCN- Al₂O₃-HfN)。肯纳刀具公司开发了硬质合金基体KC系列CVD氧化铝多层涂层刀具，如表所示。
   纳米涂层材料的每一个颗粒尺寸都非常小，因此晶粒边界非常长，从而具有很高的高温硬度、强度和断裂韧性，已开发出400层的TiAlN-TiAlN/Al₂O₃纳米涂层刀具。
   氮化硅基陶瓷的韧性优于氧化铝基陶瓷，但其耐磨性稍差。切削铸铁时，氮化硅基陶瓷刀具的后刀面磨损大于氧化铝基陶瓷刀具，切削钢料时，氮化硅基陶瓷刀具的月牙洼磨损较大。为此，国外在氮化硅基陶瓷表面上施以Al₂O₃涂层，经Al₂O₃涂层后的氮化硅刀具其磨损量为未涂层的1/3。如Sandvik公司的GC1690和山高(日本)刀具公司的氮化硅基涂层陶瓷刀具，肯纳刀具公司最近开发的氮化硅基CVD氧化铝涂层陶瓷刀具KY3400可用于球墨铸铁的高速加工，也可用于灰口铸铁、延展铸铁或球墨铸铁的通用加工。
   肯纳刀具公司还在PCBN基体上研制了CVD氧化铝涂层刀具KB9610(低含量CBN)、KB9640(高含量CBN)，外层的金黄色TiN涂层主要是易于识别，大大提高了PCBN刀具的前刀面抗月牙洼磨损能力，抗热腐蚀和化学腐蚀能力也大大提高。KB9640还特别适合于灰铸铁刹车片(盘)的加工，同样条件下，PCBN基体CVD氧化铝涂层刀具寿命比未涂层PCBN提高了近3倍。住友电工公司在该公司CBN200/CBN80(立方氮化硼烧结体)表面涂履特殊的陶瓷涂层，使PCBN刀具材料的耐磨性提高30%，刀具寿命大幅度延长，这种新型刀具主要用来高速加工汽车行业常用的高硬度淬火钢和铸铁。

三、陶瓷刀具材料的应用