極具潛力的新型刀具材料
隨著現代科技和生產的發展，各種難以加工的新材料被廣泛應用於產品中。傳統的硬質合金刀具已經不能滿足生產需要，而陶瓷刀具以其優異的耐熱性、耐磨性、良好的化學穩定性和較高的性價比受到人們的青睞。特別是在高速切削和難加工材料領域，顯示出傳統刀具不可比擬的優勢。
用陶瓷刀具加工普通鋼、鑄鐵、淬火鋼、高錳鋼、鎳基高溫合金、粉末冶金燒結件、玻璃鋼和各種工程塑料時，刀具壽命可達硬質合金刀具的幾倍甚至十幾倍。在生產中，它不僅可以用於壹般的車削、鏜削和銑削，而且可以成功地用於孔加工刀具。不僅可以在普通機床上使用，也可以在數控機床、加工中心等高效設備上使用。它是國際公認的最有潛力提高生產效率的工具。另外，相對於金剛石、立方氮化硼等超硬工具，陶瓷工具的價格相對較低(陶瓷工具的主要原料，如氧化鋁、二氧化矽等，是地殼中最豐富的成分，取之不盡，用之不竭)。因此，有人認為:“隨著現代陶瓷刀具材料性能的不斷提高，它將與塗層硬質合金刀具、金剛石和立方氮化硼壹起成為高速切削、幹切削和硬切削的三大主力刀具。”圖1是用陶瓷刀具代替磨削硬車削滲碳淬火傳動齒輪(57 HRC-59 HRC)的同步圓錐部分、內孔和背面的應用實例。
陶瓷刀具材料的性能優缺點
與硬質合金刀具相比，陶瓷刀具的硬度高達92-95 HRA，耐磨性好。在同等條件下加工鋼鐵材料時，其磨損僅為硬質合金刀具的10 (YT 15)，刀具壽命長。同時，陶瓷刀具與鋼等金屬材料的親和力低，摩擦系數低，抗粘附和抗擴散能力強，切削時不易粘刀和產生積屑瘤，加工表面質量好。陶瓷刀具還具有良好的耐熱性，在1，200℃下仍能保持80HRA左右的高硬度，適用於高溫下的高速切削和幹切削，價格遠低於切削性能相近的金剛石和立方氮化硼刀具。表1列出了陶瓷和常用硬質合金的性能對比。
從表1可以看出，陶瓷刀具的主要缺點是抗彎強度、斷裂韌性和彈性模量低，脆性大。長期以來，主要作為精加工工具使用，在各類工具材料中所占比例很小。但近十年來，由於材料科學和制造技術的進步，通過控制原料的純度和粒度，采用了熱壓和熱等靜壓燒結工藝(熱壓燒結制成的陶瓷強度和硬度比過去冷壓好；而熱等靜壓制備的陶瓷結構致密，強度較高，抗崩邊性好。添加各種碳化物、氮化物、硼化物和氧化物，通過顆粒、晶體修復、相變、微裂紋和幾種增韌機制的協同作用，改善陶瓷的性能，提高其斷裂韌性和強度。不僅可以將陶瓷的抗彎強度提高到0.9-1.0 GPa(最高可達1.3-1.5 GPa，相當於硬質合金)，而且抗沖擊性能大大提高，應用範圍日益擴大。可用於壹般精加工、半精加工以及沖擊載荷下的粗加工。
陶瓷刀具材料的分類
現代陶瓷刀具材料多為復合陶瓷，其類型和可能的組合如圖2所示。目前國內外廣泛使用和正在開發的陶瓷刀具材料，基本都是按照圖2所示的方法進行組合，采用不同的增韌和強化機制進行微觀結構設計，其中以氧化鋁(Al2O3)基和氮化矽(Si3N4)基陶瓷刀具材料應用最為廣泛。
氧化鋁基陶瓷刀具材料
純氧化鋁陶瓷
純氧化鋁陶瓷中Al2O3占99.9%以上，多為白色，俗稱白瓷。這是早期的陶瓷。由於其強度低，抗熱震性差，斷裂韌性差，切割時容易坍塌。僅適用於300HBW以下的鑄鐵和鋼的連續表面粗加工和半精加工，應用範圍十分有限，已被其他Al2O3基復合陶瓷所取代。
氧化鋁-碳化物復合陶瓷
它是在Al2O3基體中加入TiC或SiC燒結而成的陶瓷，是國內外應用最廣泛的陶瓷刀具材料之壹。氧化鋁-碳化物復合陶瓷適用於加工各種鋼(碳素結構鋼、合金結構鋼、高強度鋼、高錳鋼、軸承鋼、不銹鋼、淬火鋼等。)和各種鑄鐵(包括冷硬鑄鐵、高鉻鑄鐵等。)，以及銅合金、石墨、工程塑料、復合材料。加工鋼材優於Si3N4基陶瓷刀具；但不適合加工鋁合金、鈦合金、鉭合金，否則容易產生化學磨損。
納米金屬陶瓷刀具
它是在傳統的Al2O3/TiC金屬陶瓷中加入納米材料TiN(氮化鈦)和AlN(氮化鋁)改性而成的新型Al2O3基陶瓷刀具，可以細化晶粒，優化材料的力學性能。應用表明，該刀具是壹種高技術含量、高附加值的新型刀具，可部分替代K20(YG8)、P10(YT15)等寬大型硬質合金刀具，刀具壽命可提高2倍以上，生產成本與K20(YG8)相當或略低。目前，納米陶瓷和納米復合陶瓷工具已成為高技術陶瓷材料研究開發的前沿領域。
Al2O3/SiCw晶須增韌陶瓷
加入20%-30%的SiCw晶須(直徑小於0.6μm，長度10？Al2O3/SiCw晶須增韌陶瓷由具有壹定纖維結構的80μm單晶制成，抗拉強度為7 GPa，拉伸彈性模量超過700 GPa，可有效用於斷續切削、粗車、銑削和鉸削，適用於加工鎳基合金、高硬度鑄鐵和淬火鋼。SiCw晶須的作用類似於鋼筋混凝土中的鋼筋，可以成為阻止或改變裂縫發展的障礙，大大提高其韌性。
氧化鋁/(鎢，鈦)碳梯度功能陶瓷
它是控制陶瓷材料的成分分布，形成合理的梯度，從而在刀具內部產生有利的殘余應力分布，以抵消切削時的外載應力。它具有表面熱導率高、切削熱傳遞好、熱膨脹系數小、結構整體性好、不易損壞等特點。用它加工鋼鐵材料時的刀具壽命是同類Al2O3/(W，Ti)C復合陶瓷SG-4的1-1.5倍，刀具具有良好的自銳性，崩刃後仍能正常切削。
復合陶瓷，例如Al2O3/TiB2和Al2O3/ZrO2。
在Al2O3中添加含有TiB2、Ti(C，n)、ZrO2等成分的陶瓷，可以進壹步改善材料的物理機械性能和可加工性，其中Al2O3/TiB2和Al2O3/ZrO2應用較為廣泛。例如，用Al2O3/ TiB2陶瓷刀具加工40CrNiMoA鋼時，刀具壽命是Al2O3/ TiC刀具的3倍，加工4Cr5MoVSi鋼時，刀具的邊界耐磨性是Al2O3/TiC刀具的2倍。而Al2O3/ZrO2陶瓷刀具材料具有較高的斷裂韌性、強度和耐磨性，以及良好的抗崩刃性能。如果用CC620刀片對鑄鐵、球墨鑄鐵等材料進行粗車和半精車，切削速度可達900 m/min。用於加工合金鋼時，粗車切削速度可達200 m/min，精車切削速度可達800 m/min。
氮化矽基陶瓷刀具材料
Si3N4陶瓷是壹種非氧化物工程陶瓷，其硬度可達1，800-2000 HV，熱硬度好，能承受1，300-1，400℃的高溫，與碳和金屬元素的化學反應小，摩擦系數低。這種刀具適用於切削鑄鐵、高溫合金、鎳基合金等材料，尤其適用於大進給量或斷續切削。新壹代Si3N4陶瓷是Si3N4復合陶瓷刀具，因為純Si3N4陶瓷刀具在切削長切屑(如低碳鋼)時容易磨損。最新的Si3N4復合陶瓷不僅可以用於粗加工，還可以用於斷續切削和有冷卻液的切削。目前Si3N4基陶瓷刀具崩刃率為2%-3%，與硬質合金相當，可廣泛應用於生產線。這種陶瓷刀具的缺點是加工性比普通Al2O3陶瓷差。
Si3 N4/TiC復合陶瓷
其韌性和抗彎強度高於Al2O3基陶瓷，但硬度不降低。熱導率也高於Al2O3基陶瓷，因此在生產中應用廣泛。
Si3 N4/SiCw晶須增韌陶瓷
它是在Si3N4基體中加入壹定量的碳化物晶須而形成的，可以提高陶瓷刀具的斷裂韌性。國內生產的品牌有SW21(Si3N4/ SiCw)和FD03(Si3N4/TiCw)。國外壹些切削專家認為，用Si3N4基陶瓷切削鋼材的效果不如Al2O3基復合陶瓷，所以不建議用Si3N4基陶瓷加工鋼材。但FD03刀片在切割淬火鋼(60-68HRC)、高錳鋼、高鉻鋼、軸承鋼時也有很好的效果。
賽隆陶瓷
它以Si3N4為硬質相，Al2O3為耐磨相，加入少量燒結助劑Y2O3，熱壓燒結而成，通常稱為賽隆。Sialon實際上是Si3N4中Si和N原子被al和O原子取代而形成的壹大類固溶體的總稱。sialon主要有三種，即β-Sialon、α-Sialon和O-sialon，尤其是前兩種最為常見。這種陶瓷具有較高的抗彎強度和斷裂韌性，良好的抗氧化性和高溫抗蠕變性，熱導率高，熱膨脹系數小，抗熱震性好，適用於鑄鐵、鎳基高溫合金等難加工材料的粗車銑削加工。除了以大的進給速度和切削速度高速加工鑄鐵和高溫合金之外，雙正前角(側前角和後前角都是正的)可以用在端面銑刀上。
塗層Si3N4陶瓷刀具
Si3N4基陶瓷的韌性比Al2O3基陶瓷好，但耐磨性稍差。切削鑄鐵時，Si3N4陶瓷刀具的後刀面磨損大於Al2O3陶瓷刀具。切削鋼材時，Si3N4陶瓷刀具的月牙形凹陷磨損嚴重。為此，國外在Si3N4基陶瓷表面塗覆TiN、TiC、Ti (c，n)和Al2O3，可以是單層塗覆，也可以是多層塗覆。塗層Si3N4陶瓷刀具的磨損是無塗層刀具的1/3，使普通鑄鐵切削速度達到200？1，000 m/min，刀具壽命更長。如山特維克公司的GC1690塗層氮化矽陶瓷刀具，加工高強度灰鑄鐵時，進給速度為0.4 mm/r，切削速度為500 m/min。Seco Tool公司的塗層氮化矽陶瓷刀具切削鋼材時抗月牙形磨損能力強，切削速度可達到Al2O3基陶瓷刀具，但進給量大於後者，接近塗層硬質合金刀具，大大提高了材料去除率。
如何選擇陶瓷刀具材料
目前，Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷已成功用於制造車刀、鏜刀和銑刀的切削材料。目前陶瓷刀具的結構大多采用機夾式可轉位刀片結構。葉片的形狀有三角形、正方形、長方形、棱柱形和圓形。
陶瓷刀片材料有幾十種，不同種類的陶瓷刀片有不同的應用範圍，所以要正確選擇工具陶瓷的種類和品牌，使其與加工材料“匹配”。除滿足技術要求外，還應滿足經濟和環保性能的要求。
氧化鋁(Al2O3)基陶瓷具有良好的耐磨性和耐熱性，其高溫化學穩定性不易擴散或與鐵發生反應。它們的耐磨性和耐熱性高於氮化矽(Si3N4)基陶瓷刀具，因此Al2O3基陶瓷刀具的應用範圍最廣，適用於鋼、鑄鐵及其合金的高速切削。加工鋼材優於Si3N4基陶瓷刀具；但不適合加工鋁合金、鈦合金、鉭合金，否則容易產生化學磨損。
氮化矽(Si3N4)基陶瓷工具具有高斷裂韌性和抗熱震性。Al2O3基陶瓷刀具最適合鑄鐵、高溫合金等材料的間歇加工，壹般不適合加工切屑較長的鋼材(如正火、熱軋狀態)。Si3N4基陶瓷刀具切削45號鋼時的刀具磨損遠高於切削灰鑄鐵時的刀具磨損。
賽隆陶瓷最適合加工各種鑄鐵(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，壹般不建議加工鋼。
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、動態剪切強度和較小的熱擴散系數，切削時易產生加工硬化，導致切削溫度高，刀具磨損速度加快。Al2O3/SiCw晶須增韌陶瓷適用於加工低硬度的鎳基合金。切割速度為100時？在300米/分鐘時可以獲得更長的刀具壽命；ISCAR公司生產的壹種新牌號IW7晶須增韌陶瓷(Al2O3/SiCw)通過加工Inconel 718、鎳基耐熱合金等高溫合金制成的渦輪盤，表明其切削性能和刀具壽命較其他陶瓷刀片有明顯提高。Si3N4基陶瓷也可用於加工Inconel 718合金。另壹方面，賽隆陶瓷具有高韌性，並且適於在固溶處理後切削Inconel 718(45HRC)合金。
此外，航空航天用的凱夫拉爾和石墨復合材料，用陶瓷刀具可以300 m/min左右的高速切削。
必須指出的是，陶瓷刀片並沒有像硬質合金那樣在國際上有壹個統壹的分類。每個廠家都有自己的品種和品牌，不同廠家生產的同類刀片在性能上也有壹定的差異。使用時，應參照生產廠家的產品樣品進行選擇。所以刀片品牌選定後，壹定要先在機床上切割，合格後才能正式應用。
關於陶瓷刀具應用的建議
陶瓷刀具改變了傳統的加工工藝，解決了生產中的許多加工難題。目前廣泛應用於機械、冶金、礦山、高速列車、風電、汽車、拖拉機、軸承、泵、交通運輸、能源、精密儀器、航空航天等行業，取得了顯著的經濟效益。
中國在陶瓷刀具的研發方面具有優勢，早在50年代就已經用於生產。如我國研制的復合陶瓷和硬質合金刀片(FH系列)，在工件表面具有陶瓷材料的高硬度和耐磨性，在基體上具有硬質合金良好的抗彎強度。與同類陶瓷葉片相比，其等效抗彎強度平均提高20%，斷裂韌性平均提高8.5%，而抗破損能力提高更多，可以承受沖擊載荷，解決了陶瓷葉片焊接難等問題。此外，近年來國內外開發的工具陶瓷新品種，如適用於加工各種鋁合金(包括含矽量高的鋁合金)的ZrO2基陶瓷和TiB2基陶瓷(硬度是氮化矽的2倍，性能介於硬質合金和超硬材料CBN之間，刀具壽命比硬質合金刀具長5-6倍)，雖然其生產尚未形成規模，但由於其性能優良而得到廣泛應用。
使用陶瓷刀具的機床必須具有高剛度、大功率、高速度、高精度的特點，才能充分發揮陶瓷刀具材料的性能，取得良好的經濟效益。此外，夾緊工件的夾具和夾緊裝置必須可靠，以免加工時振動，損壞刀具。必須指出的是，目前很多機床達不到陶瓷刀具的加工要求，因此其潛力沒有得到充分發揮。未來，隨著數控機床、加工中心等高效設備應用的增加，陶瓷刀具的使用將進壹步推廣。
由於陶瓷刀具材料的脆性和低強度，刀具的前角通常為0-10，前角為5-12。為了提高切削刃強度，切削刃上必須磨負倒角，倒角寬度應為b =0.1-0.8 mm，倒角前角應為-10-20；刀尖需要適當倒圓，倒圓半徑r = 0.2-1.0mm..然而，刀尖的倒圓半徑和負倒角越大，切削力越高，顫振的機會也越大。因此，當機床-夾具-刀具-工件系統剛度不足時，特別是加工細長工件時，不宜采用過大的刀尖半徑和負倒角。
由於陶瓷刀具有良好的耐熱性和耐磨性，切削參數對刀具磨損的影響小於硬質合金刀具。因此，要根據被加工工件的材料性能，在機床功率、工藝系統剛度和刀片強度的前提下，盡可能選擇較大的背切量(深度)和切削速度進行切削，以充分發揮陶瓷刀具材料高溫性能好的特點。但有些企業在使用陶瓷刀具時，認為使用較低的切削速度可以延長刀具的使用壽命。切削速度，車削普通鋼和鑄鐵，壹般VC = 200-600m/min；加工硬度小於65HRC的高硬度鋼，VC = 60-200m/min；銑削鋼和鑄鐵VC = 200-500米/分鐘；銑削耐熱合金Vc=100-250米/分鐘，進給速度0.05-0.08毫米/z..
陶瓷刀具的磨削應在帶有夾具的工具磨床上進行，以保證磨削質量。目前樹脂結合劑金剛石砂輪多用於刃磨陶瓷刀具，其刃磨質量對刀具的切削性能影響很大。對於可轉位陶瓷刀片，原則上不進行重磨，因為重磨後刀片的裝夾尺寸和定位尺寸會發生變化，所以需要在數控機床加工中重新調整進給尺寸，以保證工件尺寸的壹致性。但有些工廠為了降低消耗，物盡其用，也可以在工具磨床或工具磨床上使用金剛石砂輪進行磨削。粗磨選用F80-F120粒度，精磨選用F180。F400粒度，濃度50%-100%，硬度K-P級。磨削的切削參數為:磨削速度20-30m/s，磨削深度f =0.005-0.02 mm/雙行程(粗磨大值，精磨小值，精磨小值)，工作臺速度V =10-15 m/min。