陶瓷刀具的发展（二）

HEATS

　　氮化硅(Si3N4)基陶瓷

" a- v7 Y! Y" Y6 l/ k

　　Si3N4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，硬度可达1800~ 2000HV，热硬性好，能承受1300~1400℃的高温，与碳和金属元素化学反应较小，摩擦因数也较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于大进给量或断续切削。由于纯Si3N4陶瓷刀具在切削长切屑金属(如软钢)时极易产生月牙洼磨损，所以新一代Si3N4陶瓷均为复合Si3N4陶瓷刀具。新开发的Si3N4陶瓷不仅可用于粗加工，而且可用于断续切削和有冷却液的切削，例如日本京陶公司的KS6000牌号。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率为2%-3%，与硬质合金相当，因此已可在生产线应用。Si3N4基陶瓷刀具的缺点是磨加工性比普通陶瓷差。

0 ], R3 x# |' f/ E" O: N# W8 a/ u

　　Si3N4-TiC-Co复合陶瓷

" P$ s6 R, D( d6 {" A 9 I0 I& a$ Y3 s1 U5 l3 P6 `

　　其韧性和抗弯强度高于Al2O3基陶瓷，而硬度却不降低；热导率亦高于Al2O3基陶瓷，故在生产中应用比较广泛。中国生产的牌号有FD02、SM、HDM1、N5等。

" ]1 U4 k) j& o+ @! ~* L% E

　　Si3N4晶须增韧陶瓷

　　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。如中国北京方大高技术陶瓷有限公司生产的FD03刀片以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陶瓷基体中加入硬质弥散颗粒TiCw，SW21刀片是在Si3N4中加入了一定量的SiCw晶须，故有较好的使用性能。一些国外切削专家认为，用Si3N4基陶瓷切削钢材的效果不如Al2O3基复合陶瓷，故不推荐用其加工钢材。但用FD03和SW21切削淬硬钢(60-68HRC)、高锰钢、高铬钢和轴承钢时也有较好的效果。

# H5 K9 K$ K) T" a# t3 U

　　Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷

　　以Si3N4为硬质相、Al2O3为耐磨相、添加少量的助烧结剂Y2O3经热压烧结而成，常称赛阿龙(Sialon)。如美国生产的Sialon牌号KY3000，成份为：77% Si3N4、13% Al2O3、10% Y2O3，硬度达1800HV，抗弯强度达1.2GPa。美国Greeleaf公司生产的Grem4B和瑞典Sandvik公司CC680刀片，以及中国生产的TP4和SC3等均是赛阿龙陶瓷。KY3000陶瓷刀片在高速下切削镍基高温合金时，材料切除率是涂层硬质合金刀具的七倍。除能采用较大的进给量及切削速度高速加工铸铁和高温合金外，并可在面铣刀上采用双正前角(侧前角和背前角均为正值)来加工铸铁。

; n- h4 [ ]: A5 F4 X& _, K) V

　　陶瓷刀具的新品

' j- w6 Z! x/ P2 b, ^2 b/ w v ! F2 {$ Q E! v4 n1 c+ v/ x

　　纳米金属陶瓷刀具

: h% k4 Y! f* s6 Z8 O4 M9 ~

　　这是中国合肥工业大学材料学院开发的新型氧化铝基陶瓷刀具，在传统的Al2O3-TiC金属陶瓷中加入纳米材料TiN(氮化钛)和AlN(氮化铝)改性而成，可细化晶粒和优化材料力学性能。使用表明这是高技术含量及高附加值的新型刀具，可部分取代K20 (YG8)、P10 (YT15)等面广量大的硬质合金刀具，刀具寿命可提高2倍以上，生产成本则与K20 (YG8)刀具相当或稍低。

* K( w g; K) m: m% }2 P

　　涂层氮化硅陶瓷刀具

) o' ^+ w& a% M$ \ z 1 A2 S& M: q b4 a0 `0 z/ S

　　Si3N4基陶瓷的韧性优于Al2O3基陶瓷，但其耐磨性稍差。切削铸铁时，Si3N4陶瓷刀具的后刀面磨损大于Al2O3陶瓷刀具；切削钢料时，Si3N4陶瓷刀具的月牙洼磨损较大。为此，国外在Si3N4基陶瓷表面上施以TiN、TiC、Ti(C、N)和Al2O3等涂层，可单涂层，也可用多涂层。图3所示为在Si3N4陶瓷上涂覆Al2O3和TiN多重涂层。经涂层后氮化硅刀具的磨损量为未涂层的1/3，使加工普通铸铁的切削速度达到200~ 1000m/min，且寿命更长。例如Sandvik公司的GC1690涂层氮化硅陶瓷刀具，在加工高强度灰铸铁时的进给量达0.4 mm/r，切削速度为500m/min。日本Seco公司的涂层Si3N4陶瓷刀具，切钢时抗月牙洼磨损的能力强，其切削速度可达Al2O3基陶瓷刀具的切削速度，但进给量却大于后者而接近涂层硬质合金刀具，可使材料切除率大大提高。

% n* m9 v3 |6 n* S& L

　　多相复合陶瓷刀具

　　如中国山东工业大学研制的ASW系列陶瓷刀具即属于这一类。ASW是采用热压工艺烧结制备的Al2O3/SiC(W,Ti)C多相复合陶瓷刀具材料，用其切削淬硬工具钢T10时，该陶瓷具有良好的耐磨性。试验表明，随着增强相SiC和(W,Ti)C的含量增加，材料的抗弯强度、断裂韧度和硬度均有一定程度的提高，而当SiC和(W,Ti)C的含量分别在10%~20%时，该陶瓷的综合力学性能最好，故生产中常用AS10W10和AS10W20等牌号。AS10W10表示其中含10% SiC和10% (W,Ti)C，以此类推。目前，对于多相复合陶瓷刀具材料的研究已涉及各种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物陶瓷，并在材料性能与应用方面都取得较大进展。如瑞典Sandvik公司推出的CC650(内含7.5% TiC，22.5% TiN，2% ZrO2，0.2% MgO，其余为Al2O3)和德国Widia公司生产的Widalox H均属这一类，用其加工冷硬铸铁轧辊、淬硬高强度钢、硅锰钢、工具钢和不锈钢时，刀具后刀面磨损小，切削时能获得较小的表面粗糙度。

　　陶瓷与硬质合金的复合刀片

9 r) J8 q, l. z6 [% \6 @! I . I4 W7 O! F. L, X3 R

　　如中国开发的FH-1、FH-2牌号。FH型刀片的硬度为94-95HRA，抗弯强度为0.8-1.0GPa，断裂韧度为5.3-5.8MPa·m1/2，能承受冲击载荷，其特点是通用性好，适于淬硬钢和断续切削加工。Lellond公司开发出陶瓷与CBN的超硬复合材料，兼有上述两种材料优点，是高速加工高硬耐磨铸铁的理想材料。

: {. j8 o: D& c0 R' z. B4 ]/ D

　　TiB2基陶瓷刀具

: X+ }. O) a3 E% |* M8 J/ `

　　这是美国佐治亚州理工学院利用自扩散高温合成工艺(Self-propagating High-temperature Synthesis-process, SHS)研制出的新型陶瓷刀具，其商品名为Advanced TiB2。它的硬度是氮化硅的2倍，密度是硬质合金的1/3，而显微硬度则比硬质合金高900~1000HV，其切削性能介于硬质合金和超硬材料CBN之间，用其铣削和车削黑色和有色金属、硬度大于52HRC的淬硬钢和高温合金等材料时，刀具寿命比硬质合金刀具长5~6倍。

+ n5 e& W. \3 P; D

　　此外，近年ZrO2基刀具陶瓷的性能提高也取得重要进展。ZrO2基陶瓷适于加工各种铝合金，包括硅含量高的硅铝合金。所以有人认为，TiB2基陶瓷、ZrO2基陶瓷与现在已在使用的Si3N4基陶瓷一样，可能成为未来的主要刀具陶瓷材料。

" C& E! C% c9 g8 m9 F0 k1 p5 `% I " c, y, M/ l8 O3 M: c

　　陶瓷刀具的应用

- g2 u! n6 O2 [! @

　　刀具陶瓷与工件材料匹配

% d* K4 o, u$ K, @$ ^( J/ D9 R : p" J( c. O( R5 k# _

　　不同种类的陶瓷刀具有着不同的应用範围，故须正确选择刀具陶瓷的种类与牌号，使其与被加工材料相“匹配”。氧化铝(Al2O3)基陶瓷适于加工各种钢材(素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬硬钢等)和各种铸铁，也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料；加工钢优于Si3N4基陶瓷刀具；但不宜用来加工铝合金和钛合金，否则容易产生化学磨损。Si3N4基陶瓷加工範围与氧化铝基陶瓷类似，最适于高速加工铸铁和高温合金，一般不宜用来加工产生长切屑的钢料(如正火和热轧状态)。赛阿龙(Sialon)陶瓷最适于加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等)和镍基高温合金，不宜用来加工钢料。

! m' i6 y% _7 P4 }2 P7 ? - d( i! V0 H' o" f6 P2 ]8 Z P0 k: z0 q6 R, @/ P