陶瓷刀具的应用与发展

闫 石 陈 爽 张葆青

（中国物理研究院流体物理研究所，四川绵阳 621900）

陶瓷刀具的应用与发展

闫 石 陈 爽 张葆青

（中国物理研究院流体物理研究所，四川绵阳 621900）

主要介绍了陶瓷刀具的分类、陶瓷刀具的优良切削性能以及利用陶瓷刀具在实际加工中如何进行切削用量的合理选择。此外，还分析了陶瓷刀具的几个缺点以及在未来的研究和发展中，陶瓷刀具的主要发展方向。

陶瓷刀具 干切削 切削用量

随着机械加工技术的不断发展，人们对提高加工效率和降低生产成本的要求越来越高，各种新式刀具不断涌现。陶瓷刀具作为一种新型切削刀具，由于其良好的高速切削性能，并能进行干切削，满足了加工者的要求，现在正被推广应用到机械加工的各个领域。

1 陶瓷刀具的产生

陶瓷刀具最早出现在德国，1938年德国古萨公司（Tima Degussa）首先取得刀具陶瓷的专利。但直到上世纪50年代初，陶瓷才作为切削刀具被正式使用并逐步商品化。最初的陶瓷刀具主要成分为氧化铝，这种陶瓷刀具抗弯强度很低（350～450 MPa），冲击韧性和可靠性差，所以没有被推广使用。之后经过科学家的不断研究，复合陶瓷刀具研制成功，这种以Al2O3陶瓷或Si3N4陶瓷为基础而复合成的新一代新型陶瓷刀具材料，具有比纯Al2O3陶瓷或Si3N4陶瓷好得多的物理机械性能。例如，Al2O3－TiC复合陶瓷，其抗弯强度达到了700～800 MPa。而且伴随着颗粒增韧、纳米增韧等方法的深入研究，复相陶瓷刀具材料的性能不断提高。此外，由于细化晶粒加上陶瓷固有的高硬度及耐高温、抗磨损和抗腐蚀等特性，陶瓷作为一种新的机械工程材料，越来越被人们所重视。

2 陶瓷刀具的分类

陶瓷刀具材料的品种、牌号很多，按其主要成分大致可分为氧化铝系、氮化硅系以及增韧陶瓷刀具。目前世界上生产的陶瓷刀具近九成为氧化铝系，其他多为氧化硅系。但近年来由于增韧陶瓷刀具的深入研究，各种增韧方式不断涌现，使得增韧陶瓷刀具的应用愈加的广泛。

2.1 氧化铝系陶瓷刀具

目前市场上应用最多的就是氧化铝系陶瓷刀具。该系陶瓷刀具材料是以氧化铝为主体的陶瓷材料，在高温下有较好的化学稳定性、耐磨性和耐热性，高温硬度高，月牙洼磨损率较低，且高温时刀具与工件间不产生化学反应，表面加工粗糙度值小。氧化铝系陶瓷刀具主要有：纯氧化铝陶瓷刀具，氧化铝－碳化物陶瓷刀具，氧化铝－氮化物、硼化物陶瓷刀具。

2.2 氮化硅系陶瓷刀具

氮化硅系陶瓷刀具是以高纯度的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，是上世纪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～l 100 MPa，具有良好的耐热冲击性。

现在应用广泛的氮化硅系陶瓷刀具材料主要有：单一氮化硅陶瓷，氮化硅复合陶瓷。

2.3 增韧陶瓷刀具

虽然陶瓷刀具具有众多优点，但其本身仍具有固有的一些缺点：强度和韧性低，易发生破损，特别是早期破损等，严重限制了陶瓷刀具的应用，因而增韧和增强陶瓷刀具成了近些年来陶瓷刀具材料研究的热点。由于Si3N4陶瓷的韧性和强度较Al2O3陶瓷高得多，对陶瓷的增韧、增强的研究主要集中在以Al2O3为基体的刀具材料上，增韧Al2O3陶瓷是指在Al2O3基体中添加增韧或增强材料烧成。

目前常用的增韧方法主要有：ZrO2相变增韧、晶须增韧以及第二相颗粒弥散增韧以及纳米增韧等。

3 陶瓷刀具的优良特性

陶瓷刀具之所以会得到广泛应用和推广，与它本身的优良性能是分不开的。它的硬度高，且耐磨性好。此外，还有良好的耐热性、抗化学腐蚀能力。而且工艺简单，刃磨方便，价格较低。

（1）具有很高的硬度与耐磨性 氮化硅陶瓷刀片的室温硬度值已超过了硬质合金刀片的硬度，它的常温硬度达到了92～95 HRC，且耐磨性好，在相同的切削条件下，它的磨损仅为YTl5硬质合金的1/15，这就大大提高了它的切削能力。

（2）具有很好的耐热性和抗高温氧化性 陶瓷刀具可以在1 200～1 450℃的高温下进行切削，并能保持一定的硬度和强度，因此可进行高速切削和干切削。

（3）具有很高的红硬性 一般硬质合金刀具在温度为800～1 000℃时，其硬度会突然降低。而陶瓷刀具的硬度随温度的升高变化很小，即使在1 200℃时，硬度仍可达到80 HRC左右。

（4）具有极小的与金属的亲和力。

4 陶瓷刀具切削用量及刀具几何参数的选择

切削用量直接影响加工生产率、加工成本、加工质量和刀具寿命。因为陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐热性高等优点以及脆性较大、强度较低等缺点，所以必须充分考虑这些特点来选择合适的切削用量，以达到提高生产率、保证加工质量的目的。

4.1 切削深度ap的选择

为了缩短加工时间，提高加工效率，用陶瓷刀具加工时，应尽可能选择较大的切削深度，以便在一次走刀后切去大部分余量。但由于切削深度受机床功率和工艺系统刚性的限制，一般粗加工钢和铸铁时，允许的最大切削深度为2～6 mm，通常取ap≥1.5 mm。精加工时则取ap=0.02～0.1 mm为宜。当工艺系统刚性比较差时，应取较小的切削深度，否则容易引起振动，使刀片破损。

4.2 进给量f的选择

合理选择进给量是成功应用陶瓷刀具的关键。进给量主要受陶瓷刀片强度及工艺系统刚性的影响，精加工时还要受被加工表面粗糙度的影响。以车削普通钢和铸铁为例，半精加工时进给量可选取f=0.10～0.75 mm/r，精加工一般选取进给量 f=0.05～0.13 mm/r为宜。加工淬硬钢时情况会有所不同，一般车削选取进给量f=0.10～0.30 mm/r。进给量选取太大会使表面粗糙度值增大，进给量选取太小会使刀具圆弧半径与已加工表面挤压加剧而影响表现粗糙度。进给量对刀具破损的影响比切削速度大，选取较小的进给量，有利于防止或减少刀具的破损，因此，对于陶瓷刀具应选用较小的进给量和尽可能高的切削速度。

4.3 切削速度v的选取

切削速度的选取直接影响刀具耐用度、切削温度、加工成本、加工质量和生产率，所以选择一个最佳的切削速度对于陶瓷刀具的使用至关重要。

以氮化硅陶瓷刀具为例，氮化硅陶瓷刀具适于高速切削。对一定的工件材料，切削速度主要受机床功率限制。结合已选定的切削深度ap和进给量f，如因机床功率不足，而使切削速度选得过低，则不仅不利于发挥陶瓷刀具的优越性，而且容易发生崩刃。应当适应减小进给量，甚至是切削深度，以便提高切削速度。目前陶瓷刀具的切削速度，虽然有的国家最高到1 500 r/min，但加工普通钢和铸铁，大多数仍然采用v=200～600 r/min;加工硬度低于65 HRC的钢材时v=60～200 r/min;铣削一般钢和铸铁时v=200～500 r/min;铣削耐热合金时，v=100～250 r/min。切削速度对切屑形状影响很大，特别在v=350～1 500 r/min范围内，往往可以获得良好的切屑形状。

4.4 刀具几何参数的选取

虽然陶瓷刀具有很多优良的切削性能，但如果想最大限度地发挥陶瓷刀具的作用，合理选择刀具的几何参数也是至关重要的。所谓刀具的合理几何参数，是指刀具在保证较高的生产率，以及加工出符合预定尺寸精度和表面质量的工件的同时，能够保证刀具具有最长的使用寿命。在选择陶瓷刀具的合理几何参数时，我们不但要考虑刀具的一般规律，同时也必须考虑某些属于陶瓷刀具所特有的规律。由于其硬而脆的特性，如何保证使用的稳定可靠、不发生崩刃仍然是选择陶瓷刀具合理几何参数的主要依据。以下给出了陶瓷刀具几个主要的几何参数，但仅用作参考，具体的加工情况下，各项参数会略有不同。

（1）前角γ0陶瓷刀具有脆性较大、抗弯强度低的缺点，为使刀具有足够的强度而防止崩刃，一般选取前角 γ0=4°～ －14°。

（2）后角α0一般取后角α0=6°。α0过大易使切削过程不稳定和易振动，不利于改善表面粗糙度。

（3）刃倾角λ0高速切削易产生振动，为提高刀具耐用度，刃倾角 λ0= －5°～ －12°。

（4）刀尖圆弧半径rc为提高刀具耐用度和减小工件表面粗糙度值，精加工时选取刀尖圆弧半径rc=0.3～0.5 mm为宜。刀尖圆弧半径rc不宜过大，否则将较大地增大切削径向抗力Fr而引起工艺系统振动。粗加工和重切削时，应加0.1～0.3 mm宽、－14°～－20°角度的负倒棱来强化刀刃。

5 陶瓷刀具的发展趋势

虽然陶瓷刀具有着优良的切削性能，但由于其刀具材料脆性较大，强度和韧性较低，这在很大程度上限制了它的推广应用。事实上，硬度高的材料往往强度和韧性低，如果要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。正是由于这种矛盾的存在，使得寻找一种既具有高的硬度（包括高温硬度）又具有高的强度和韧性的陶瓷成为陶瓷刀具材料研究的热点。现阶段，陶瓷刀具新材料的研究主要集中在4个方面：超微粉陶瓷刀具、复相陶瓷刀具、涂层刀具以及金属陶瓷刀具。而在这4个方面中，复相陶瓷刀具的研究尤为突出。下面就着重介绍一下复相陶瓷刀具的发展现状。

复相陶瓷即通过材料内部复合相的协同增韧补强效应，使陶瓷材料的性能大幅度提高。对陶瓷材料实行多层次复合是获得超强、超韧的有效途径。控制弥散相的粒度，晶粒尺寸从微米级→亚微米级→纳米级减小，材料强度将出现大的飞跃。

目前采用的复合技术主要分为两相复合和多相复合，这其中绝大部分的研究主要集中在两相复合。在两相复合技术中，主要有以下几种增韧方法。

（1）颗粒增韧 即通过在材料中添加第二相颗粒，提高陶瓷刀具材料的断裂韧度，其主要增韧机理有颗粒弥散增韧、残余应力增韧、裂纹偏转增韧和微裂纹增韧等。

（2）ZrO2相变增韧 即在陶瓷刀具材料中添加适量ZrO2颗粒，利用ZrO2的相变特性，提高刀具材料的断裂韧度。ZrO2相变增韧陶瓷刀具材料的主要增韧机理有应力诱导相变增韧、残余应力增韧和微裂纹增韧。

（3）晶须增韧 借助晶须缺陷很少，近似于完整的单晶，强度远高于多晶体的特性，通过在陶瓷刀具材料中加入适量晶须，可以有效提高刀具材料的断裂韧度。晶须增韧陶瓷刀具材料的主要增韧机理有裂纹桥接、晶须拔出和裂纹偏转。

（4）纳米增韧 纳米复合能够细化晶粒，减小材料内部的缺陷尺寸，因此能够大幅提高陶瓷刀具材料的抗弯强度。但是受制备工艺的限制，目前还很难制备出纯粹由纳米晶粒组成的致密陶瓷刀具材料，大多是通过在微米材料中添加纳米相，制备纳米复合陶瓷刀具材料。故目前纳米增韧所存在的增韧机理尚未摆脱微米增韧机理的范畴，因此对断裂韧度的提高并不理想。但相信随着制备工艺和技术的发展，纳米增韧一定可以取代微米增韧，成为一种高效的增韧方式。

6 结语

陶瓷刀具的不断发展和应用给机械加工业带来了一场革新，它不仅满足了人们提高加工效率、降低加工成本的要求，同时也使高速切削和干切削成为可能。随着人们环境保护的意识越来越强，绿色加工已经逐渐被人们所重视，而陶瓷刀具的出现和应用将这一切变成了现实。相信随着陶瓷刀具材料的不断研究，随着性能更加优良刀具的不断涌现和应用，一定会给我国的制造业掀起一场意义非凡的革命。

［1］艾兴.高速切削加工技术［M］.北京：国防工业出版社，2002.

［2］方文琳，等.Al2O3陶瓷刀具材料的研究和发展［J］.机械工程材料，1995，19（2）.

［3］刘炳强.复相陶瓷刀具材料增韧方式及机理［J］.潍坊学院学报，2008，8（2）.

［4］郭同庆，等.陶瓷刀具材料的性能及在绿色制造中的应用［J］.科技创新导报，2007（31）.

［5］于金伟.纳米复相陶瓷刀具性能研究［J］.潍坊学院学报，2007，7（6）.

［6］胡笛川.陶瓷刀具的发展及应用前景［J］.内蒙古电大学刊，2006（9）.

［7］刘国昌.陶瓷刀具材料的研究与进展［J］.滁州职业技术学院学报，2005，4（2）.

［8］兰建国.陶瓷刀具在切削加工中的应用［J］.职大学报，2004（4）.

［9］杜国臣，等.氮化硅陶瓷刀具的切削性能及其应用［J］.工具技术，2003，37（9）.

［10］张彦博.陶瓷刀具的发展与使用［J］.攀枝花大学学报，2001，18（4）.

［11］姜军生.陶瓷刀具材料的现状与发展［J］.山东陶瓷，2000，23（1）.

如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。

Application and development of the ceramic cutting tools

YAN Shi，CHEN Shuang，ZHANG Baoqing
（China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，CHN）

This article introduces the categories and nice－feature of ceramic cutting tools，and how to choose cutting parameters scientifically in the processing.Moreover，it analyses the defects and the trend of development of ceramic cutting tools in the future.

Ceramic Cutting Tools;Dry Cutting;Cutting Parameters

TG711

B

（编辑 李 静）（

2010－11－29）

110717