隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，各種新型的難加工材料在產(chǎn)品中大量應(yīng)用，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具已難以滿足生產(chǎn)需要，而陶瓷刀具則以其優(yōu)異的耐熱性、耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高性價(jià)比而受到了人們的青睞。尤其是在高速切削領(lǐng)域和難加工材料方面，顯示出了傳統(tǒng)刀具無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

       利用陶瓷刀具加工普通鋼、鑄鐵、淬硬鋼、高錳鋼、鎳基高溫合金、粉末冶金燒結(jié)件、玻璃鋼和各種工程塑料等難加工材料時(shí)，刀具壽命可比硬質(zhì)合金刀具高幾倍甚至十幾倍。在生產(chǎn)中它不但能用于一般的車、鏜和銑削加工，而且已成功地用于孔加工刀具上；除可在普通機(jī)床上使用外，也能有效地用于數(shù)控機(jī)床和加工中心等高效設(shè)備上，被國(guó)際上公認(rèn)為是當(dāng)代提高生產(chǎn)效率最有潛質(zhì)的一種刀具。此外，與金剛石和立方氮化硼等超硬刀具相比，陶瓷刀具的價(jià)格相對(duì)較低（陶瓷刀具的主要原料氧化鋁、氧化硅等是地殼中最豐富的成份，取之不盡，用之不竭），因此，有人認(rèn)為：“隨著現(xiàn)代陶瓷刀具材料性能的不斷改進(jìn)，今后它將與涂層硬質(zhì)合金刀具、金剛石和立方氮化硼等超硬刀具一起成為高速切削、干切削和硬切削的三種主要刀具。”圖1所示為用陶瓷刀具以硬車削出的而不是磨削出的滲碳淬硬傳動(dòng)齒輪（57 HRC∼59 HRC）的同步圓錐部分、內(nèi)孔和背面的應(yīng)用實(shí)例。
 

 

陶瓷刀具材料的性能優(yōu)劣

       與硬質(zhì)合金刀具相比，陶瓷刀具硬度高達(dá)92∼95 HRA，耐磨性好，在相同條件下加工鋼料時(shí)，它的磨損僅為P10(YT15) 硬質(zhì)合金刀具的1/15，刀具壽命長(zhǎng)。同時(shí)，陶瓷刀具與鋼鐵等金屬材料的親和力小，摩擦系數(shù)低，抗黏結(jié)和抗擴(kuò)散能力強(qiáng)，切削時(shí)不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好。陶瓷刀具的耐熱性也很好，在1,200℃時(shí)仍能保持80HRA左右的高硬度，所以適合在高溫下進(jìn)行高速切削和干切削，而價(jià)格又遠(yuǎn)低于切削性能與之相近的金剛石和立方氮化硼刀具。表1中列出了陶瓷與常用硬質(zhì)合金兩種材料性能的對(duì)比。

       從表1中可以看出，陶瓷刀具的主要缺點(diǎn)是抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和彈性模量低，脆性大。長(zhǎng)期以來(lái)主要作為精加工刀具，占各類刀具材料中的比重很小。但近十幾年來(lái)，由于材料科學(xué)和制造技術(shù)的進(jìn)步，通過控制原料純度和晶粒尺寸，采用了熱壓和熱等靜壓燒結(jié)工藝等方法（用熱壓燒結(jié)制成的陶瓷，其強(qiáng)度和硬度都比過去冷壓法好；而用熱等靜壓法制成的陶瓷，其組織致密，強(qiáng)度更高﹐抗崩刃性能好），添加各種碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善陶瓷的性能，并通過顆粒、晶修、相變、微裂紋和幾種增韌機(jī)制的協(xié)同作用提高其斷裂韌度和強(qiáng)度，不僅使陶瓷的抗彎強(qiáng)度提高到0.9∼1.0 GPa（最高可達(dá)1.3∼1.5 GPa，已與硬質(zhì)合金相當(dāng)），而且使其抗沖擊性能也有很大提高，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，除可用于一般精加工與半精加工外，還可用于沖擊負(fù)荷下的粗加工。

陶瓷刀具材料的品種分類

       現(xiàn)代陶瓷刀具材料大多數(shù)為復(fù)合陶瓷，其種類及可能的組合如圖2所示。目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的陶瓷刀具材料以及正在開發(fā)的陶瓷刀具材料，基本上都是根據(jù)圖2所示方法組合，采取不同的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制來(lái)進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，其中以氧化鋁（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4 ）基陶瓷刀具材料的應(yīng)用最廣泛。

氧化鋁（Al2O3）基陶瓷刀具材料

純氧化鋁陶瓷

       純氧化鋁陶瓷中的Al2O3成份占99.9%以上，多呈白色，俗稱白陶瓷。這是早期使用的陶瓷，由于其強(qiáng)度低，抗熱振性及斷裂韌性較差，切削時(shí)易崩刃，只適用于300HBW以下的鑄鐵和鋼的連續(xù)表面粗加工和半精加工，使用范圍非常有限，故目前已被其它各種Al2O3基復(fù)合陶瓷所取代。

氧化鋁-碳化物系復(fù)合陶瓷

       它是在Al2O3基體中加入TiC或SiC等成份經(jīng)熱壓燒結(jié)而成的陶瓷，是目前國(guó)內(nèi)外使用最多的陶瓷刀具材料之一。氧化鋁-碳化物系復(fù)合陶瓷適于加工各種鋼材（碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、軸承鋼、不銹鋼、淬硬鋼等）和各種鑄鐵（包括冷硬鑄鐵、高鉻鑄鐵等），也可加工銅合金、石墨、工程塑料和復(fù)合材料；加工鋼優(yōu)于Si3N4 基陶瓷刀具；但它不宜用來(lái)加工鋁合金、鈦合金和鉭合金，否則容易產(chǎn)生化學(xué)磨損。

納米金屬陶瓷刀具

       它是在傳統(tǒng)的Al2O3 / TiC金屬陶瓷中通過加入納米材料TiN（氮化鈦）和AlN（氮化鋁），經(jīng)改性而成的一種新型Al2O3基陶瓷刀具，可細(xì)化晶粒和優(yōu)化材料力學(xué)性能。使用表明，這是高技術(shù)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(zhì)合金刀具，刀具壽命可提高2倍以上，生產(chǎn)成本則與K20（YG8）刀具相當(dāng)或稍低。目前，納米陶瓷及納米復(fù)合陶瓷刀具已成為高技術(shù)陶瓷材料研究開發(fā)的一個(gè)前沿領(lǐng)域。

Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

       在Al2O3陶瓷基體中添加20%∼30% SiCw晶須（是直徑小于0.6μm，長(zhǎng)度為10∼80μm的單晶，具有一定的纖維結(jié)構(gòu)，抗拉強(qiáng)度為7 GPa，抗拉彈性模量超過700 GPa）而成的Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷，可有效地用于斷續(xù)切削及粗車、銑削和擴(kuò)孔等工序，適于加工鎳基合金、高硬度鑄鐵和淬硬鋼等材料。SiCw晶須作用類似鋼筋混凝土中的鋼筋，能成為阻擋或改變裂紋發(fā)展的障礙，使其韌性大幅度提高。

Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷

       它是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(nèi)部產(chǎn)生有利的殘余應(yīng)力分布來(lái)抵消切削中的外載應(yīng)力。具有表層熱導(dǎo)率高、有利于切削熱的傳出、熱膨脹系數(shù)小、結(jié)構(gòu)完整性好、不易破損等特點(diǎn)。用其加工鋼鐵材料時(shí)的刀具壽命可比同類Al2O3/（W, Ti）C復(fù)合陶瓷SG-4高1∼1.5倍，并且刀具有很好的自礪性，崩刃后仍能進(jìn)行正常切削。

Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復(fù)合陶瓷

       在Al2O3中添加TiB2、Ti(C，N) 、ZrO2等成份的陶瓷可進(jìn)一步提高材料的物理機(jī)械性能和切削加工性能，其中以Al2O3 / TiB2和Al2O3 / ZrO2使用較多。如用Al2O3/ TiB2陶瓷刀具加工40CrNiMoA鋼時(shí)，刀具壽命為Al2O3/ TiC刀具的3倍，加工4Cr5MoVSi鋼時(shí)，刀具抗邊界磨損能力為Al2O3 / TiC刀具的2倍。而Al2O3 / ZrO2陶瓷刀具材料的斷裂韌度、強(qiáng)度和耐磨性高，抗崩刃性能好。如用CC620刀片粗車和半精車鑄鐵和球墨鑄鐵等材料，切削速度可達(dá)900 m/min；用于加工合金鋼時(shí)，粗車切削速度可達(dá)200 m/min，精車切削速度可達(dá)800 m/min。

氮化硅（Si3 N4）基陶瓷刀具材料

       Si3N4陶瓷是一種非氧化物工程陶瓷，其硬度可達(dá)1,800∼2,000 HV，熱硬性好，能承受1,300∼1,400℃的高溫，與碳和金屬元素化學(xué)反應(yīng)較小，摩擦系數(shù)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(jìn)給量或斷續(xù)切削。由于純Si3N4 陶瓷刀具在切削長(zhǎng)切屑（如軟鋼）時(shí)極易產(chǎn)生月牙洼磨損，所以新一代Si3N4 陶瓷均為Si3N4 復(fù)合陶瓷刀具。最新的Si3N4 復(fù)合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。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率為2%∼3%，與硬質(zhì)合金相當(dāng)，可以大量應(yīng)用于生產(chǎn)線。該類陶瓷刀具的缺點(diǎn)是加工性比普通Al2O3陶瓷差。

Si3 N4 / TiC復(fù)合陶瓷

       其韌性和抗彎強(qiáng)度高于Al2O3基陶瓷，而硬度卻不降低；熱導(dǎo)率亦高于Al2O3基陶瓷，故在生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。

Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

       它是在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度。中國(guó)生產(chǎn)的牌號(hào)有SW21（Si3N4/ SiCw）與FD03（Si3N4/TiCw）等。一些國(guó)外切削專家認(rèn)為，用Si3N4基陶瓷切削鋼材的效果不如Al2O3 基復(fù)合陶瓷，故不推薦用其加工鋼材。但用FD03刀片切削淬硬鋼（60∼68HRC）、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時(shí)也有較好的效果。

賽阿龍（Sialon）陶瓷

       它是以Si3N4為硬質(zhì)相，Al2O3 為耐磨相，并添加少量助燒結(jié)劑Y2O3，經(jīng)熱壓燒結(jié)而成，常稱賽阿龍（Sialon）。Sialon實(shí)際上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置換所形成的一大類固溶體的總稱，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種，尤以前兩種最為常見。這種陶瓷的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度較高，抗氧化能力和高溫抗蠕變能力好，熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)小，抗熱振性好，適于粗車及銑削鑄鐵和鎳基高溫合金等難加工材料。除能采用較大的進(jìn)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(cè)前角和背前角均為正值）。

涂層Si3N4陶瓷刀具

       Si3N4基陶瓷的韌性優(yōu)于Al2O3基陶瓷，但其耐磨性稍差。切削鑄鐵時(shí)，Si3N4陶瓷刀具的后刀面磨損大于Al2O3陶瓷刀具；切削鋼料時(shí)，Si3N4陶瓷刀具的月牙洼磨損較大。為此，國(guó)外在Si3N4基陶瓷表面上施以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等涂層，可單涂層，也可用多涂層。經(jīng)涂層后的Si3N4陶瓷刀具磨損量為未涂層的1/3，使加工普通鑄鐵的切削速度達(dá)到200∼1,000 m/min，并且刀具壽命更長(zhǎng)。比如Sandvik公司的GC1690涂層氮化硅陶瓷刀具，在加工高強(qiáng)度灰鑄鐵時(shí)的進(jìn)給量達(dá)0.4 mm/r，切削速度為500 m/min。山高（Seco）刀具公司的涂層氮化硅陶瓷刀具，切鋼時(shí)抗月牙洼磨損的能力強(qiáng)，其切削速度可達(dá)Al2O3基陶瓷刀具的切削速度，但進(jìn)給量卻大于后者而接近涂層硬質(zhì)合金刀具，使材料切除率大大提高。

如何選用陶瓷刀具材料

       目前，Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷均已成功地用于制作車刀、鏜刀和銑刀等的切削部分材料。陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)目前大多采用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片的結(jié)構(gòu)形式。刀片的形狀有三角形、正方形、長(zhǎng)方形、棱形和圓形等。

       陶瓷刀片材料的品種多達(dá)幾十種，不同種類的陶瓷刀片有著不同的應(yīng)用范圍，故須正確選擇刀具陶瓷的種類與牌號(hào)，使其與被加工材料相“匹配”。除需要滿足技術(shù)要求外，還應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能的要求。

       氧化鋁（Al2O3）基陶瓷具有良好的耐磨性、耐熱性，且其高溫化學(xué)穩(wěn)定性好，不易與鐵元素之間發(fā)生相互擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)，其耐磨性和耐熱性均高于氮化硅（Si3N4）基陶瓷刀具，所以Al2O3基陶瓷刀具的應(yīng)用范圍最廣，適于對(duì)鋼材、鑄鐵及其合金的高速切削加工；加工鋼優(yōu)于Si3N4 基陶瓷刀具；但它不宜用來(lái)加工鋁合金、鈦合金和鉭合金，否則容易產(chǎn)生化學(xué)磨損。

       氮化硅（Si3N4）基陶瓷刀具的斷裂韌性和抗熱振性高Al2O3基陶瓷刀具，最適于斷續(xù)加工鑄鐵和高溫合金等材料，一般不宜用來(lái)加工產(chǎn)生長(zhǎng)切屑的鋼材（如正火和熱軋狀態(tài)），用Si3N4基陶瓷刀具切削45號(hào)鋼時(shí)的刀具磨損比切削灰鑄鐵時(shí)高得多。

       賽阿龍（Sialon）陶瓷最適于加工各種鑄鐵（如灰鑄鐵、球墨鑄鐵、冷硬鑄鐵、高合金耐磨鑄鐵等）和耐熱合金，通常不推薦用其加工鋼材。

       Inconel 718（GH169）鎳基合金是典型的難加工材料，具有較高的高溫強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度，熱擴(kuò)散系數(shù)較小，切削時(shí)易產(chǎn)生加工硬化，導(dǎo)致刀具切削溫度高、磨損速度加快。Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷適合于加工硬度低的鎳基合金，當(dāng)切削速度為100∼300 m/min時(shí)可獲得較長(zhǎng)的刀具壽命；ISCAR公司生產(chǎn)的一款I(lǐng)W7晶須增韌陶瓷（Al2O3 / SiCw）新牌號(hào)，來(lái)自加工Inconel 718、鎳基耐熱合金等高溫合金材質(zhì)渦輪盤的報(bào)告顯示，相比于其它陶瓷刀片，切削性能和刀具壽命均有明顯提高。Si3N4基陶瓷也可用于Inconel 718合金的加工。而Sialon陶瓷的韌性高，適合于切削經(jīng)過固溶處理的Inconel 718（45HRC）合金。

       此外，航空航天用的Kevlar和石墨類復(fù)合材料，用陶瓷刀具可實(shí)現(xiàn)切削速度300 m/min左右的高速切削加工。

       必須指出，陶瓷刀片不像硬質(zhì)合金那樣在國(guó)際上有統(tǒng)一的分類，各生產(chǎn)廠都有各自的品種與牌號(hào)，不同廠生產(chǎn)的同類刀片性能上也有一定的差異，使用時(shí)須參照廠家產(chǎn)品樣本來(lái)選擇。為此，刀片牌號(hào)選定后必須在機(jī)床上先進(jìn)行試切削，合格后方可以正式應(yīng)用。

陶瓷刀具的應(yīng)用建議

       陶瓷刀具改變了傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝，解決了生產(chǎn)中以前很多難以解決的加工問題。目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械、治金、礦山、高速列車、風(fēng)電、汽車、拖拉機(jī)、軸承、水泵、交通、能源、精密儀器、航空航天等行業(yè)并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

       中國(guó)在陶瓷刀具的研究與開發(fā)方面具有優(yōu)勢(shì)，早在20世紀(jì)50年代就已在生產(chǎn)中使用。例如，中國(guó)開發(fā)的陶瓷與硬質(zhì)合金復(fù)合刀片（FH系列），工件表面既有陶瓷材料高的硬度與耐磨性，而基體又有硬質(zhì)合金較好的抗彎強(qiáng)度，其等效抗彎強(qiáng)度比同類陶瓷刀片平均提高20%，斷裂韌度平均提高8.5%，而其抗破損能力提高更大，故能承受沖擊負(fù)荷，并解決了陶瓷刀片鑲焊困難等問題。此外，近幾年國(guó)內(nèi)外開發(fā)的刀具陶瓷新品種，比如適于加工各種鋁合金（包括硅含量高的鋁合金）的ZrO2基陶瓷、TiB2基陶瓷（硬度是氮化硅的2倍，其性能介于硬質(zhì)合金和超硬材料CBN之間，用其加工淬硬鋼和高溫合金等材料時(shí)的刀具壽命可比硬質(zhì)合金刀具長(zhǎng)5∼6倍），盡管它們的生產(chǎn)至今還未形成規(guī)模，但因性能優(yōu)異﹐有廣泛的用途，今后必將迅速發(fā)展。

       使用陶瓷刀具的機(jī)床必須具有高剛度、大功率、高轉(zhuǎn)速和高精度特點(diǎn)，這樣才能充分發(fā)揮陶瓷刀具材料的性能，取得好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，裝夾工件的夾具和夾緊裝置，必須可靠性強(qiáng)，以免加工時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，使刀具破損。必須指出的是，目前生產(chǎn)中不少機(jī)床設(shè)備還不能滿足陶瓷刀具的加工要求，所以它們的潛力未能得到充分發(fā)揮，今后隨著數(shù)控機(jī)床和加工中心等高效設(shè)備應(yīng)用的增多，必將進(jìn)一步推動(dòng)陶瓷刀具的使用。

       由于陶瓷刀具材料的脆性較大，強(qiáng)度較低，故刀具前角通常取0°∼-10°，后角5°∼12°。為了提高切削刃強(qiáng)度，刃口上須磨出負(fù)倒棱，倒棱寬度可取b =0.1∼0.8 mm，倒棱前角 -10°∼-20°；刀尖需適當(dāng)修圓，修圓半徑r =0.2 ∼1.0mm。但刀尖修圓半徑和負(fù)倒棱越大，會(huì)使切削力增大，發(fā)生顫振的機(jī)會(huì)也增多。因此當(dāng)機(jī)床—夾具—刀具—工件的系統(tǒng)剛性不足時(shí)，尤其是在加工細(xì)長(zhǎng)工件時(shí)，不宜采用過大的刀尖半徑和負(fù)倒棱。

       由于陶瓷刀具有良好的耐熱性和耐磨性，故切削用量對(duì)刀具磨損影響比硬質(zhì)合金刀具小。因此，切削時(shí)應(yīng)根據(jù)被加工工件材料性質(zhì)，在機(jī)床功率、工藝系統(tǒng)剛性和刀片強(qiáng)度允許前提下，盡量選用較大的背吃刀量（吃深）和切削速度進(jìn)行切削，以充分發(fā)揮陶瓷刀具材料高溫性能好的特點(diǎn)。而部分企業(yè)在使用陶瓷刀具時(shí)，認(rèn)為采用較低切削速度可延長(zhǎng)刀具的使用壽命。切削速度﹐車削普通鋼和鑄鐵，一般Vc=200∼600 m/min；加工硬度小65HRC的高硬度鋼Vc=60∼200 m/min；銑削鋼和鑄鐵Vc=200∼500 m/min；銑削耐熱合金Vc=100∼250 m/min，進(jìn)給量0.05∼0.08 mm/z 。

      陶瓷刀具的刃磨應(yīng)在工具磨床上用夾具刃磨，以保證刃磨質(zhì)量。刃磨陶瓷刀具目前大多采用樹脂結(jié)合劑的金剛石砂輪，其磨削質(zhì)量對(duì)刀具切削性能有很大影響。對(duì)于可轉(zhuǎn)位陶瓷刀片，原則上是不重磨的，因?yàn)橹啬ズ笃涞镀难b夾尺寸及定位尺寸都會(huì)發(fā)生變化，在CNC機(jī)床加工中就要重新調(diào)整進(jìn)刀尺寸，以保證工件尺寸的一致性。但一些工廠為了降低消耗，物盡其用，也可在工具磨床或刀具刃磨機(jī)上用金剛石砂輪進(jìn)行刃磨，粗磨選用F80∼F120粒度號(hào)，精磨、細(xì)磨用F180∼F400粒度號(hào)，濃度為50%∼100%，硬度為K∼P級(jí)。刃磨時(shí)的切削用量可?。耗ハ魉俣?0∼30m/s，磨削深度f(wàn) =0.005∼0.02 mm/雙行程（粗磨時(shí)取大值，精磨、細(xì)磨時(shí)取小值），工作臺(tái)速度為V =10∼15 m/min。