陶瓷刀具的种类及发展趋势

史畅 刘泉桐 赵旋 李明冉

摘 要： 本文主要研究陶瓷刀具的种类，应用以及发展前景，并简单介绍了陶瓷刀具的发展背景。随着新技术革命的发展，要求不断的提高切削加工的生产率并且降低生产成本，特别是数控机床的发展，要求开发比硬质合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。其次，现在国际上硬质合金产量已经达到了20000—25000t。每年所消耗的大量金属，比如W、Co、Ta以及Nb等等。这些金属的矿产资源正在减少，价格也在上涨，按照目前的消耗速度来看，不到几十年，有些资源便会被耗尽。陶瓷刀具便是在这样的背景下发展起来的。

关键词：材料学;陶瓷刀具;综述;种类;发展趋势

1 引 言

陶瓷刀具材料是一种比较先进的切削材料[1]，除了应用于食器、装饰上以外，陶瓷刀具在工业和科学技术的发展中也有着十分重要的作用。目前各种难以切削的新材料在日益增长，各种高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温的陶瓷刀具不断涌现[2]。

2陶瓷刀具的种类与应用

2.1 Al2O3基陶瓷

2.1.1白陶瓷

当Al2O3基陶瓷中的杂质含量不足0.1%时，称为白陶瓷，它的纯度比较高，其中杂质的成分多为氧化镁或者是氧化钛等，它的耐磨性非常好，主要应用于高速切削灰铸铁等材料，然而，它的强度很低，韧性以及抗热性能都比较差。

2.1.2 黑陶瓷

当Al2O3基陶瓷中的其他物质的含量达到20%—30%时，这样的陶瓷称为黑陶瓷，其他物质的成分多数为碳化钛，一般和Al2O3经过加热压制而成，形成复合陶瓷。这种复合陶瓷的硬度要比白陶瓷的硬度大，它的强度、耐磨性以及热硬性都比白陶瓷要好，主要应用于切削高强度钢等。

2.1.3 金属陶瓷

在黑陶瓷中加入微量的镍或是钼等金属，经过加热压制处理而形成的陶瓷叫做金属陶瓷。金属陶瓷的抗弯性以及刚度都比较强，主要应用于切削调制合金钢，它的切削速度以及刀具的使用寿命都比一般的刀具要强，并且因为金属陶瓷中含有少量的金属成分，从而可以获得较细的表面质量。

2.1.4 晶须增强陶瓷

晶须增强陶瓷是最近发展起来的一类陶瓷材料，这类材料中大多含有线状的碳化硅纤维，在陶瓷中添加了碳化硅纤维以后，陶瓷的耐磨性以及强度都Al2O3.有所提高，并且它的断裂韧性是以前的陶瓷断裂韧性的二倍，晶须增强陶瓷主要应用于切削淬火钢以及工具钢等[4]。

2.2Si3N4基陶瓷

2.2.1 Si3N4陶瓷

Si3N4陶瓷是一种非氧化的工程陶瓷，它的强度非常高，仅次于金刚石。适合应用于粗铣、断续车削以及湿式加工等。Si3N4陶瓷的强度、硬度、韧性以及抗弯性都比Al2O3基陶瓷要好，而且Si3N4陶瓷还能承受住比较大的冲击力。

2.2.2 复合Si3N4陶瓷

复合Si3N4陶瓷的冲击力是Al2O3基陶瓷的1-2倍，切削寿命也是硬质合金刀具的十倍甚至是一百倍[5]，它主要是应用于切削玻璃钢、高锰钢以及淬火钢等，不适合用于切削普通钢材。

3陶瓷刀具的应用

不同的陶瓷刀具材料有着不同的用途，所以它们的应用范围也不同。

陶瓷刀具的耐用度比传统的刀具高了几倍甚至是几十倍，大大减少了在加工的过程中的换刀次数，保证了被加工工件的小锥度以及高精度。

3.1Al2O3基陶瓷刀具的应用

Al2O3基陶瓷刀具适用于高速切削硬度大并且脆性强的金属材料，比如冷铸铁或烟熏铸铁。也可以应用于加工铜合金、石墨、工程塑料以及复合材料等[6-8]。

3.2Si3N4基陶瓷刀具的应用

Si3N4基陶瓷刀具广泛应用于粗铣削以及粗车削等湿处理。它还可以完成许多普通刀具所不能完成的加工流程，例如断续切削、氧化皮切削等等。并且，Si3N4基陶瓷刀具的摩擦系数较小，抗粘能力较强，因此，在进行车削工件时不容易产生堵塞，非常适用于车削时容易形成积屑瘤的工件材料[9]。

4陶瓷刀具的现状

随着时代的进步以及现代科学技术的发展，传统的刀具已经不能满足各种高强度、高硬度工程材料的需要。目前，新型的陶瓷刀具正在不断的涌现。预计未来几年，陶瓷刀具在世界上的比重将达到15%～20%[10]。它的研发甚至可能引发切削技术的第三次革命。

4.1Al2O3基陶瓷材料的現状

目前，在市场上应用最广泛的陶瓷工具是Al2O3基陶瓷刀具。其表面粗糙度小，在高温下不会与工件发生化学反应[11]。然而，它也有低韧性和高脆性的缺点[12]。我们常用WC、TiC以及碳化硅晶须等进行强化Al2O3基陶瓷刀具的韧性。

4.2Si3N4基陶瓷材料的现状

Si3N4陶瓷刀具具有相对稳定的切削性能，是上世纪80年代发展起来的新型陶瓷材料，其在切削性能以及硬度强度等各项性能上都优于Al2O3基陶瓷材料，目前Si3N4基陶瓷材料有单一Si3N4陶瓷以及Si3N4复合陶瓷等应用的较为广泛。并且Si3N4陶瓷刀具在耐热合金等材料的加工制造过程中也显示出了一定的稳定性与优越性[13]。

5陶瓷刀具的发展趋势

陶瓷材料在刀具中的应用已经有很长时间的历史了。早在二十世纪五十年代后期，以Al2O3陶瓷刀具为主，在二十世纪六十到七十年代期间，以Al2O3陶瓷加入碳化钛等复合Al2O3陶瓷为主，等到了二十世纪八十年代时，Si3N4基陶瓷则得到了人们十分广泛的研究与应用[14-15]。

陶瓷刀具材料的开发以及研究在一定程度上来说，已经处于瓶颈期，如何研究性能更加优良的陶瓷复合材料，满足现代社会对制造业发展的需要至关重要。所以，陶瓷材料还有非常大的发展空间，并且有其它刀具材料无法比拟的优势[16]。随着这种材料的不断发展和深入，一定可以更好的应用在高速机床以及高速切削技术中，进一步的推动制造业的向前发展。并且陶瓷刀具可以实现以车削代替磨削的有效加工技术，以及干切削加工技术，来提高零件生产加工的表面质量[17-18]。

6结论

本文介紹了陶瓷刀具的种类、用途，以及陶瓷刀具材料的发展现状和发展趋势。针对不同的工件以及加工条件，使刀具材料系列化、标准化，是陶瓷刀具材料广泛使用的有效手段。

随着陶瓷材料不断深入的研究与开发，陶瓷刀具在金属切削加工业中的应用也在不断地扩展，陶瓷刀具材料一定会在未来的许多应用与发展中做出更大的贡献。

参考文献

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[13] 李从云.浅谈陶瓷刀具的应用[J].工具技术，2013（08）：55-57.

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