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)刀具無法比擬的優(yōu)勢。
　　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，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;除可在普通機床上使用外，也能有效地用于數(shù)控機床和加工中心等高效設(shè)備上，被國際上公認(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，陶瓷刀具的價格相對較低(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齒輪(57 HRC∼59 HRC)的同步圓錐部分、內(nèi)孔和背面的應(yīng)用實例。
　　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，它的磨損僅為P10(YT15) 硬質(zhì)合金刀具的1/15，刀具壽命長。同時，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)和抗擴散能力強，切削時不易黏刀及產(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比。
　　從表1中可以看出，陶瓷刀具的主要缺點是抗彎強度、斷裂韌度和彈性模量低，脆性大。長期以來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，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制的協(xié)同作用提高其斷裂韌度和強度，不僅使陶瓷的抗彎強度提高到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，采取不同的增韌補強機制來進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計的，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，由于其強度低，抗熱振性及斷裂韌性較差，切削時易崩刃，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，長度為10∼80μm的單晶，具有一定的纖維結(jié)構(gòu)，抗拉強度為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。用其加工鋼鐵材料時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，刀具壽命為Al2O3/ TiC刀具的3倍，加工4Cr5MoVSi鋼時，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，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 陶瓷刀具在切削長切屑(如軟鋼)時極易產(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。中國生產(chǎn)的牌號有SW21(Si3N4/ SiCw)與FD03(Si3N4/TiCw)等。一些國外切削專家認(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，Si3N4陶瓷刀具的后刀面磨損大于Al2O3陶瓷刀具;切削鋼料時，Si3N4陶瓷刀具的月牙洼磨損較大。為此，國外在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。比如Sandvik公司的GC1690涂層氮化硅陶瓷刀具，在加工高強度灰鑄鐵時的進(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，切鋼時抗月牙洼磨損的能力強，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，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，一般不宜用來加工產(chǎn)生長切屑的鋼材(如正火和熱軋狀態(tài))，用Si3N4基陶瓷刀具切削45號鋼時的刀具磨損比切削灰鑄鐵時高得多。
　　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，具有較高的高溫強度、動態(tài)剪切強度，熱擴散系數(shù)較小，切削時易產(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時可獲得較長的刀具壽命;ISCAR公司生產(chǎn)的一款I(lǐng)W7晶須增韌陶瓷(Al2O3 / SiCw)新牌號，來自加工Inconel 718、鎳基耐熱合金等高溫合金材質(zhì)渦輪盤的報告顯示，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)合金那樣在國際上有統(tǒng)一的分類，各生產(chǎn)廠都有各自的品種與牌號，不同廠生產(chǎn)的同類刀片性能上也有一定的差異，使用時須參照廠家產(chǎn)品樣本來選擇。為此，刀片牌號選定后必須在機床上先進(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)用于機械、治金、礦山、高速列車、風(fēng)電、汽車、拖拉機、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。
　　中國在陶瓷刀具的研究與開發(fā)方面具有優(yōu)勢，早在20世紀(jì)50年代就已在生產(chǎn)中使用。例如，中國開發(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)合金較好的抗彎強度，其等效抗彎強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的刀具壽命可比硬質(zhì)合金刀具長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。
　　使用陶瓷刀具的機床必須具有高剛度、大功率、高轉(zhuǎn)速和高精度特點，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，以免加工時產(chǎn)生振動，使刀具破損。必須指出的是，目前生產(chǎn)中不少機床設(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)一步推動陶瓷刀具的使用。
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