特種陶瓷刀具材料簡述(上)

新型陶瓷刀具的出現(xiàn)，是人類首次通過運用陶瓷材料改革機械切削加工的一場技術(shù)新的成果。早在20世紀(jì)初，德國與英國已經(jīng)開始尋求用陶瓷刀具取代傳統(tǒng)的碳素鋼刀具。陶瓷材料因其高硬度與耐高溫特性成為新一代的刀具材料，但陶瓷也由于其人所共知的脆性受到局限，于是如何克服陶瓷刀具材料的脆性，提高它的韌性，成為近百年來陶瓷刀具研究的主要課題。陶瓷的應(yīng)用范圍亦日益擴(kuò)大。

　　工程技術(shù)界努力研制與推廣陶瓷刀具的主要原因，(一)是可以大大提高生產(chǎn)效率；(二)是由于構(gòu)成高速鋼與硬質(zhì)合金的主要成分鎢資源在全球范圍內(nèi)的枯竭所決定。20世紀(jì)90年代初估計，全世界已探明的鎢資源僅夠使用50年時間。鎢是世界上最稀缺的資源，但其在切削刀具材料中的消耗卻很大，從而導(dǎo)致鎢礦價格不斷攀升，幾十年中上漲好多倍，這在一定程度上也促進(jìn)了陶瓷刀具研制與推廣，陶瓷刀具材料的研制開發(fā)取得了令人矚目的成果。

　　到目前為止，用作陶瓷刀具的材料已形成氧化鋁陶瓷，氧化鋁—金屬系陶瓷、氧化鋁—碳化物陶瓷、氧化鋁—碳化物金屬陶瓷、氧化鋁—氮化物金屬陶瓷及最新研究成功的氮化硼陶瓷，及氮化硅陶瓷刀具等材料。就世界范圍講，德國陶瓷刀具已不僅用于普通機床，且已將其作為一種高效、穩(wěn)定可靠的刀具用于數(shù)控制機床加工及自動化生產(chǎn)線；日本陶瓷刀片在產(chǎn)品種類，產(chǎn)量及質(zhì)量上均具國際先進(jìn)水平；美國在氧化物—碳化物—氮化物陶瓷刀具研制開發(fā)方面一直占世界領(lǐng)先地位。中國陶瓷刀具開發(fā)應(yīng)用也取得許多重大成果。

　　1、氧化鋁陶瓷刀具：材料中采用純Al2O3等，添加物有利于加強Al2O3抗彎強度，但高溫性能有所降低，因此還是以純氧化鋁陶瓷材料為佳。

　　Al2O3陶瓷的室溫硬度與高溫硬度都高于硬質(zhì)合金材料。Al2O3陶瓷室溫條件下的抗彎強度雖然較低，但隨著使用中溫度的上升，其抗彎強度卻較少降低。依據(jù)該項特性用于高速切削卻頗為合適。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(zhì)合金切刀刃易形成的變形及塌陷缺點。此外，Al2O3陶瓷在物理熱性質(zhì)及抗氧化，抗粘結(jié)性及化學(xué)惰性方面都可以大顯身手。不過氧化鋁陶瓷刀具在切削鐵合金及鋼件時，較易產(chǎn)生粘結(jié)磨損及缺口磨損。作為使用歷史最長的刀具材料，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(xù)切削及Mg、Al、Ti及Be等單質(zhì)材料及其合金材料切削加工時效果較差，容易使刀具出現(xiàn)擴(kuò)散磨損或發(fā)生剝落與崩刃等缺陷，是其美中不足。

　　2、氧化鋁—金屬系陶瓷：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，抗彎強度強及硬度均有提高。但由于氧化鋁——金屬陶瓷刀具抗蠕變強度低，抗氧性差，后來推廣使用情況不佳。

　　3、氧化鋁—碳化物系陶瓷：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，以改善Al2O3陶瓷刀具的性能。當(dāng)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(chǎn)熱壓Al2O3—TiC陶瓷刀具均采用此配方。Al2O3—TiC陶瓷的抗彎強度，而熱沖擊性等均優(yōu)于Al2O3陶瓷刀具。