一、陶瓷刀具材料的發展概況

二、陶瓷刀具材料的種類和性能

1. 氧化鋁系陶瓷刀具材料
   1. 氧化鋁陶瓷刀具：刀具材料中采用純Al₂O₃陶瓷及以Al₂O₃為主且添加少量其它元素的陶瓷材料，如MgO、NiO、SiO₂、TiO₂和Cr₂O₃等。這些添加物有利于加強Al₂O₃抗彎強度，但高溫性能有所降低。Al₂O₃陶瓷的室溫硬度與高溫硬度都高于硬質合金材料。Al₂O₃陶瓷在室溫與高溫時抗壓強度都很好，尤其可以克服一般高速鋼刀具及硬質合金切削刀刃易形成的變形及塌陷缺點。此外，Al₂O₃陶瓷的抗氧化、抗粘結性及化學惰性都很好。氧化鋁陶瓷刀具最適于高速切削硬而脆的金屬材料，如冷硬鑄鐵或淬硬鋼；用于大件機械零部件切削及用于高精度零件的切削加工。氧化鋁陶瓷刀具在短、小零件、鋼件的斷續切削及Mg、Al、Ti及Be等單質材料及其合金材料切削加工時效果較差，容易使刀具出現擴散磨損或發生剝落與崩刃等缺陷。
   2. 氧化鋁—金屬系復合陶瓷刀具：為提高Al₂O₃陶瓷刀具韌性，材料中引入10%以下的Cr、Co、Mo、W、Ti、Fe等金屬元素，由此形成Al₂O₃金屬陶瓷。這樣材料密度、抗彎強度及硬度均有提高，但由于氧化鋁—金屬陶瓷刀具抗蠕變強度低、抗氧性差，到目前為止，其推廣使用情況不佳。
   3. 氧化鋁—碳化物系復合陶瓷刀具：系將一定比例的碳化物，如Mo₂C、WC、TiC、TaC、NbC和Cr₃C₂等加入到Al₂O₃陶瓷中，采用Mo、Ni(或Co、W)等金屬作為粘結相熱壓而成的陶瓷刀具材料。當TiC含量為30%時，陶瓷刀具的耐用度獲得顯著提高，而熱裂紋深度也較小。目前國際上生產的熱壓Al₂O₃-TiC陶瓷刀具均采用此配方，如山東大學的SG4陶瓷刀具、肯納刀具公司的KY1615等。Al₂O₃-TiC陶瓷的抗彎強度，耐熱沖擊性等均優于純Al₂O₃陶瓷刀具。在Al₂O₃-TiC陶瓷材料中，由于金屬粘結Al₂O₃晶粒和碳化物晶粒二者相互穿插的骨架組成，具有較高的聯接強度，因此形成較好的切削性能。這類陶瓷刀具最適用于加工淬硬鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鑄鋼，鎳基或鎳鉻合金，鎳基和鈷基金合等，另外還可用于非金屬材料如纖維玻璃，塑料夾層及陶瓷材料的切削加工。由于氧化鋁一碳化物金屬陶瓷抗熱震性能良好，故可適用于銑削，刨削，反復短暫切削或其它斷續切削等，亦可采用切削液進行濕式切削等。
   4. 氧化鋁—氮化物、硼化物金屬復合陶瓷刀具：此種陶瓷刀具材料基本性能與加工范圍與Al₂O₃一碳化物金屬陶瓷材料相當，不過由于以氮化物、硼化物取代TiC，如Al₂O₃-TiN, Al₂O₃-Ti(C,N)，Al₂O₃-TiB₂，因此它具有更好的抗熱震性能與更適用于間斷切削。但是其抗彎強度與硬度都比添加TiC的金屬陶瓷低一些，對它的研究與開發仍在繼續中。
   5. SiC晶須增韌Al₂O₃陶瓷刀具：SiC晶須的加入使Al₂O₃基陶瓷的斷裂韌性提高兩倍多，同時保留了很高的硬度，目前這種陶瓷刀具可用于淬硬鋼、工具鋼、冷硬鑄鐵和鎳基合金的加工。如肯納刀具公司的KY4300為SiC晶須增韌Al₂O₃陶瓷刀具，具有良好的韌性，可用于加工高溫合金和高硬度鑄造材料。
   6. AlON基陶瓷：在氮氧化鋁(AlON)基體中添加碳化硅晶須，可使氮氧化鋁陶瓷基體得到加強。對于傳統的高溫合金精加工而言，這種刀具材料具有強韌性、抗磨損性和抗熱沖擊性三者的完美結合。與碳化硅晶須增強氧化鋁基陶瓷相比，經碳化硅晶須增強的氮氧化鋁陶瓷已被證明可以提高其抗破損能力。
2. 氮化硅系陶瓷刀具材料
   1. 單一Si₃N₄陶瓷刀具：此類陶瓷刀具主要是以MgO為添加劑的熱壓陶瓷。由于Si₃N₄陶瓷以共價鍵結合，晶粒是長柱狀的，因此有較高的硬度、強度和斷裂韌性，其硬度為91～93HRA，抗彎強度為0.7～0.85GPa，耐熱性可達1300～1400℃，具有良好的抗氧化性。同時它有較小的熱膨脹系數(=3×10^-6/℃)，所以有較好的抗機械沖擊性和抗熱沖擊性。Si₃N₄刀具適合于鑄鐵、高溫合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削壽命比硬質合金刀具高幾倍至十幾倍。此外，Si₃N₄陶瓷有自潤滑性能，摩擦系數較小，抗粘接能力強，不易產生積屑瘤，且切削刃可磨得鋒利。能加工出良好的表面質量，特別適合于車削易形成積屑瘤的工件材料，如鑄造硅鋁合金等，在汽車發動機鑄鐵缸體等加工中應用越來越普遍。
   2. 復合Si₃N₄陶瓷刀具：單一Si₃N₄陶瓷的硬度并不是特別高(HRA92.5)，在加工硬度較高的工件時，如冷硬鑄鐵(HS65～80)、高鉻鑄鐵(HS80～90)等，單一Si₃N₄陶瓷刀具的耐用度是較低的，為改善其耐磨性，加人TiCN、TiCN-TiN作為硬質彌散相，以提高刀具材料的硬度，同時保留較高的強度和斷裂韌性，稱為復合氮化硅陶瓷刀具。與單一Si₃N₄陶瓷刀具相比，復合氮化硅陶瓷刀具的抗氧化能力、化學穩定性、抗蠕變能力和耐磨性都有了很大提高，且易于制造和燒結。
   3. 賽隆Sialon陶瓷刀具：賽隆陶瓷以Si₃N₄為硬質相，Al₂O₃為耐磨相，并添加少量助燒劑Y203，經熱壓燒結而成，有很高的強度和韌性，Sialon陶瓷刀具具有良好的抗熱沖擊性能。與Si₃N₄相比，Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化學穩定性、抗蠕變能力與耐磨性能更高，耐熱溫度較高達1300℃以上，具有較好的抗塑性變形能力，其沖擊強度接近于涂層硬質合金刀具。賽隆(Sialon)陶瓷材料有2種晶體結構，a-Sialon為等軸晶，具有較高的硬度和耐磨性能，b-Sialon為柱狀晶，斷裂韌性和熱傳導能力相對較好，a+b-Sialon復相陶瓷刀具綜合了兩相優點，切削性能更優異，重載條件下其耐磨性能優于單相陶瓷刀具。Sialon陶瓷刀具適用于高速切削、強力切削、斷續切削，不僅適合于干切削，也適合于濕式切削。如肯納刀具公司開發的Sialon陶瓷刀具KY1540可用于鑄鐵、鎳基合金、鈦基合金和硅鋁合金的高速切削加工。由于它和鋼的化學親和性大，Sialon陶瓷刀具不適合加工鋼。
      

      刀具牌號 涂層結構 應用 KC8050 對鋼、不銹鋼、鑄鐵，從粗加工到精加工都有良好的加工表現，適應性強。極具耐磨性，可進行高速干切削，可用于斷續切削。 KC9040 適用于所有類型的鋼、不銹鋼和大多數工件材料的重型粗加工中。刀具壽命長，適用于粗加工生產。 KC9110 它是包括鋼，鐵素體和馬氏體不銹鋼、鑄鐵等絕大多數工件材料的精至半精加的優秀刀片材質。適用于高切削速度。 KC9125 鋼、鐵素體和馬氏體不銹鋼工件的最佳通用型車削材質。從中等粗加工到半精加工的各種切削中 KC9140 用于合金鋼的重載車削。 KC9225 專門用于加工奧氏體不銹鋼，特點層是毛刺少，而且刃口的抗切深處槽磨損能力極佳。 KC9240 為中等切削速度和進給率的情況下的CVD涂層的粗車刀片。為難切削不銹鋼加工的理想刀片選擇。 KC9245 為最難加工的不銹鋼所專門設計。適合于加工奧氏體不銹鋼，也適用于大切深和大進給的粗加工。 KC9315 適合高速切削加工灰口鑄鐵、延展性鑄鐵和高強度鑄鐵，可適合于連續切削或者輕微斷續切削的加工。 KC9325 可應用于延展性鑄鐵的加工。

      a-Al2O3與k-Al2O3相互交替的涂層刀具

      刀具牌號 涂層結構 應用 KB9610 用于淬硬鋼(>HRC48)的精密加工，工件越硬效果愈好。應用于軸承鋼、熱軋或冷撥鋼材、高速鋼、模具鋼、滲碳和滲氮硬化鐵或者其他表面硬化的工件材料。不能用于軟鋼。 KB9640 用于粗到半精加工珠光體灰口鑄鐵、冷硬鑄鐵、高鉻合金鋼、粉末冶金金屬，或者重載粗加工硬化鋼(>HRC45)，也用于珠光體灰口鑄鐵和冷作鑄鐵的精加工。不能用于淬硬鋼的精加工。

      PCBN基體CVD氧化鋁涂層刀具

   4. Si₃N₄晶須增韌陶瓷刀具：該類陶瓷是在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性。北京方大高技術陶瓷有限公司生產的FD03刀片及湖南長沙工程陶瓷公司生產的SW21牌號均屬這一類。FD03刀片是在Si₃N₄陶瓷基體中加入了硬質彌散顆粒TiC，SW21刀片是在Si₃N₄中加入了一定量的SiC晶須，故有較好的使用性能。
3. 陶瓷涂層刀具
   涂層技術可提高刀具的耐磨性而不降低其韌性，較好的解決了刀具材料存在的強度和韌性之間的矛盾，是切削刀具發展的一次革命。常用的涂層方法是PVD和CVD，陶瓷涂層以CVD法為主，最近WALTER刀具公司在世界上首次開發出了硬質合金基體上的PVD氧化鋁陶瓷涂層刀具。PVD氧化鋁陶瓷涂層刀具既具有較好的韌性，又具有良好的抗磨損性能，適用于難加工材料、不銹鋼和普通鋼的高效切削加工。
   涂層方式有單涂層，、多涂層、納米涂層等。陶瓷單涂層刀具如Ingersoll公司的IN6510(K15-K20硬質合金基體)、IN6515(K15-K35，P20-P30硬質合金基體)、IN6530(P25-P45，M25-M40，K20-K50硬質合金基體)。厚膜氧化鋁涂層對于提高加工效率很有幫助，但通常的涂層技術在膜厚增厚的同時會降低涂層與基體的結合力，肯納刀具公司通過技術改進，在不降低結合力的前提下，已將KC9110氧化鋁涂層的厚度從12µm先增加到182µm，后又提高到242µm，使該刀具的切削性能大大提高。
   多層陶瓷涂層可阻擋裂紋的擴展，提高刀具壽命，近年來發展較快。如山高刀具公司的鉆削用T2000D(涂層材料Ti(C, N)-Al₂O₃-TiN)，T3000D刀具(涂層材料 Ti(C,N)- Al₂O₃)；銑削用T150 M(涂層材料Ti (C, N)- Al₂O₃)，T350 M(涂層材料Ti (C, N)- Al₂O₃/TiN)，T200 M(涂層材料Ti (C, N)- Al₂O₃-TiN)，T250M(涂層材料Ti (C, N)- Al₂O₃/TiN)；車削用TP1000 、TP2000(涂層材料Ti (C, N)- Al₂O₃-Ti (C,N)-TiN)，TP3000、TP200、TP400、TK1000、TK 2000(涂層材料Ti (C, N)-Al₂O₃-TiN)，山高刀具公司還開發了a- Al₂O₃與k- Al₂O₃相互交替的涂層刀具。WALTER刀具公司開發生產了氧化鋁多層涂層刀具：WAP系列(涂層材料TiCN- Al₂O₃-TiN)，WAK系列(涂層材料TiCN- Al₂O₃/TiN)，WAM 系列(涂層材料TiCN- Al₂O₃-HfN)。肯納刀具公司開發了硬質合金基體KC系列CVD氧化鋁多層涂層刀具，如表所示。
   納米涂層材料的每一個顆粒尺寸都非常小，因此晶粒邊界非常長，從而具有很高的高溫硬度、強度和斷裂韌性，已開發出400層的TiAlN-TiAlN/Al₂O₃納米涂層刀具。
   氮化硅基陶瓷的韌性優于氧化鋁基陶瓷，但其耐磨性稍差。切削鑄鐵時，氮化硅基陶瓷刀具的后刀面磨損大于氧化鋁基陶瓷刀具，切削鋼料時，氮化硅基陶瓷刀具的月牙洼磨損較大。為此，國外在氮化硅基陶瓷表面上施以Al₂O₃涂層，經Al₂O₃涂層后的氮化硅刀具其磨損量為未涂層的1/3。如Sandvik公司的GC1690和山高(日本)刀具公司的氮化硅基涂層陶瓷刀具，肯納刀具公司最近開發的氮化硅基CVD氧化鋁涂層陶瓷刀具KY3400可用于球墨鑄鐵的高速加工，也可用于灰口鑄鐵、延展鑄鐵或球墨鑄鐵的通用加工。
   肯納刀具公司還在PCBN基體上研制了CVD氧化鋁涂層刀具KB9610(低含量CBN)、KB9640(高含量CBN)，外層的金黃色TiN涂層主要是易于識別，大大提高了PCBN刀具的前刀面抗月牙洼磨損能力，抗熱腐蝕和化學腐蝕能力也大大提高。KB9640還特別適合于灰鑄鐵剎車片(盤)的加工，同樣條件下，PCBN基體CVD氧化鋁涂層刀具壽命比未涂層PCBN提高了近3倍。住友電工公司在該公司CBN200/CBN80(立方氮化硼燒結體)表面涂履特殊的陶瓷涂層，使PCBN刀具材料的耐磨性提高30%，刀具壽命大幅度延長，這種新型刀具主要用來高速加工汽車行業常用的高硬度淬火鋼和鑄鐵。

三、陶瓷刀具材料的應用