陶瓷刀具的種類及發(fā)展趨勢

史暢 劉泉桐 趙旋 李明冉

摘 要： 本文主要研究陶瓷刀具的種類，應用以及發(fā)展前景，并簡單介紹了陶瓷刀具的發(fā)展背景。隨著新技術(shù)革命的發(fā)展，要求不斷的提高切削加工的生產(chǎn)率并且降低生產(chǎn)成本，特別是數(shù)控機床的發(fā)展，要求開發(fā)比硬質(zhì)合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。其次，現(xiàn)在國際上硬質(zhì)合金產(chǎn)量已經(jīng)達到了20000—25000t。每年所消耗的大量金屬，比如W、Co、Ta以及Nb等等。這些金屬的礦產(chǎn)資源正在減少，價格也在上漲，按照目前的消耗速度來看，不到幾十年，有些資源便會被耗盡。陶瓷刀具便是在這樣的背景下發(fā)展起來的。

關(guān)鍵詞：材料學;陶瓷刀具;綜述;種類;發(fā)展趨勢

1 引 言

陶瓷刀具材料是一種比較先進的切削材料[1]，除了應用于食器、裝飾上以外，陶瓷刀具在工業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展中也有著十分重要的作用。目前各種難以切削的新材料在日益增長，各種高強度、高硬度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫的陶瓷刀具不斷涌現(xiàn)[2]。

2陶瓷刀具的種類與應用

2.1 Al2O3基陶瓷

2.1.1白陶瓷

當Al2O3基陶瓷中的雜質(zhì)含量不足0.1%時，稱為白陶瓷，它的純度比較高，其中雜質(zhì)的成分多為氧化鎂或者是氧化鈦等，它的耐磨性非常好，主要應用于高速切削灰鑄鐵等材料，然而，它的強度很低，韌性以及抗熱性能都比較差。

2.1.2 黑陶瓷

當Al2O3基陶瓷中的其他物質(zhì)的含量達到20%—30%時，這樣的陶瓷稱為黑陶瓷，其他物質(zhì)的成分多數(shù)為碳化鈦，一般和Al2O3經(jīng)過加熱壓制而成，形成復合陶瓷。這種復合陶瓷的硬度要比白陶瓷的硬度大，它的強度、耐磨性以及熱硬性都比白陶瓷要好，主要應用于切削高強度鋼等。

2.1.3 金屬陶瓷

在黑陶瓷中加入微量的鎳或是鉬等金屬，經(jīng)過加熱壓制處理而形成的陶瓷叫做金屬陶瓷。金屬陶瓷的抗彎性以及剛度都比較強，主要應用于切削調(diào)制合金鋼，它的切削速度以及刀具的使用壽命都比一般的刀具要強，并且因為金屬陶瓷中含有少量的金屬成分，從而可以獲得較細的表面質(zhì)量。

2.1.4 晶須增強陶瓷

晶須增強陶瓷是最近發(fā)展起來的一類陶瓷材料，這類材料中大多含有線狀的碳化硅纖維，在陶瓷中添加了碳化硅纖維以后，陶瓷的耐磨性以及強度都Al2O3.有所提高，并且它的斷裂韌性是以前的陶瓷斷裂韌性的二倍，晶須增強陶瓷主要應用于切削淬火鋼以及工具鋼等[4]。

2.2Si3N4基陶瓷

2.2.1 Si3N4陶瓷

Si3N4陶瓷是一種非氧化的工程陶瓷，它的強度非常高，僅次于金剛石。適合應用于粗銑、斷續(xù)車削以及濕式加工等。Si3N4陶瓷的強度、硬度、韌性以及抗彎性都比Al2O3基陶瓷要好，而且Si3N4陶瓷還能承受住比較大的沖擊力。

2.2.2 復合Si3N4陶瓷

復合Si3N4陶瓷的沖擊力是Al2O3基陶瓷的1-2倍，切削壽命也是硬質(zhì)合金刀具的十倍甚至是一百倍[5]，它主要是應用于切削玻璃鋼、高錳鋼以及淬火鋼等，不適合用于切削普通鋼材。

3陶瓷刀具的應用

不同的陶瓷刀具材料有著不同的用途，所以它們的應用范圍也不同。

陶瓷刀具的耐用度比傳統(tǒng)的刀具高了幾倍甚至是幾十倍，大大減少了在加工的過程中的換刀次數(shù)，保證了被加工工件的小錐度以及高精度。

3.1Al2O3基陶瓷刀具的應用

Al2O3基陶瓷刀具適用于高速切削硬度大并且脆性強的金屬材料，比如冷鑄鐵或煙熏鑄鐵。也可以應用于加工銅合金、石墨、工程塑料以及復合材料等[6-8]。

3.2Si3N4基陶瓷刀具的應用

Si3N4基陶瓷刀具廣泛應用于粗銑削以及粗車削等濕處理。它還可以完成許多普通刀具所不能完成的加工流程，例如斷續(xù)切削、氧化皮切削等等。并且，Si3N4基陶瓷刀具的摩擦系數(shù)較小，抗粘能力較強，因此，在進行車削工件時不容易產(chǎn)生堵塞，非常適用于車削時容易形成積屑瘤的工件材料[9]。

4陶瓷刀具的現(xiàn)狀

隨著時代的進步以及現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的刀具已經(jīng)不能滿足各種高強度、高硬度工程材料的需要。目前，新型的陶瓷刀具正在不斷的涌現(xiàn)。預計未來幾年，陶瓷刀具在世界上的比重將達到15%～20%[10]。它的研發(fā)甚至可能引發(fā)切削技術(shù)的第三次革命。

4.1Al2O3基陶瓷材料的現(xiàn)狀

目前，在市場上應用最廣泛的陶瓷工具是Al2O3基陶瓷刀具。其表面粗糙度小，在高溫下不會與工件發(fā)生化學反應[11]。然而，它也有低韌性和高脆性的缺點[12]。我們常用WC、TiC以及碳化硅晶須等進行強化Al2O3基陶瓷刀具的韌性。

4.2Si3N4基陶瓷材料的現(xiàn)狀

Si3N4陶瓷刀具具有相對穩(wěn)定的切削性能，是上世紀80年代發(fā)展起來的新型陶瓷材料，其在切削性能以及硬度強度等各項性能上都優(yōu)于Al2O3基陶瓷材料，目前Si3N4基陶瓷材料有單一Si3N4陶瓷以及Si3N4復合陶瓷等應用的較為廣泛。并且Si3N4陶瓷刀具在耐熱合金等材料的加工制造過程中也顯示出了一定的穩(wěn)定性與優(yōu)越性[13]。

5陶瓷刀具的發(fā)展趨勢

陶瓷材料在刀具中的應用已經(jīng)有很長時間的歷史了。早在二十世紀五十年代后期，以Al2O3陶瓷刀具為主，在二十世紀六十到七十年代期間，以Al2O3陶瓷加入碳化鈦等復合Al2O3陶瓷為主，等到了二十世紀八十年代時，Si3N4基陶瓷則得到了人們十分廣泛的研究與應用[14-15]。

陶瓷刀具材料的開發(fā)以及研究在一定程度上來說，已經(jīng)處于瓶頸期，如何研究性能更加優(yōu)良的陶瓷復合材料，滿足現(xiàn)代社會對制造業(yè)發(fā)展的需要至關(guān)重要。所以，陶瓷材料還有非常大的發(fā)展空間，并且有其它刀具材料無法比擬的優(yōu)勢[16]。隨著這種材料的不斷發(fā)展和深入，一定可以更好的應用在高速機床以及高速切削技術(shù)中，進一步的推動制造業(yè)的向前發(fā)展。并且陶瓷刀具可以實現(xiàn)以車削代替磨削的有效加工技術(shù)，以及干切削加工技術(shù)，來提高零件生產(chǎn)加工的表面質(zhì)量[17-18]。

6結(jié)論

本文介紹了陶瓷刀具的種類、用途，以及陶瓷刀具材料的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。針對不同的工件以及加工條件，使刀具材料系列化、標準化，是陶瓷刀具材料廣泛使用的有效手段。

隨著陶瓷材料不斷深入的研究與開發(fā)，陶瓷刀具在金屬切削加工業(yè)中的應用也在不斷地擴展，陶瓷刀具材料一定會在未來的許多應用與發(fā)展中做出更大的貢獻。

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