隨著新技術(shù)革命的發(fā)展，要求不斷提高切削加工生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本，特別是數(shù)控機(jī)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。日前各種高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨和耐高溫的難以切削的新材料日益增多。據(jù)文獻(xiàn)估計(jì)，這類材料己占國際上加工總數(shù)的50%以上，硬質(zhì)合金刀具對其中不少新材料的加工難以勝任。另一方面，現(xiàn)在國際上硬質(zhì)合金產(chǎn)量己達(dá)20000-25000t。每年消耗大量的金屬，如W,Co，Ta和Nb等，這些金屬的礦產(chǎn)資源正日益減少，價(jià)格上漲。按日前消耗速度，用不了幾十年，有些資源將耗盡，陶瓷刀具就是在這樣的背景下發(fā)展起來的。

陶瓷刀具進(jìn)化史簡表

20世紀(jì)50年代 氧化鋁

1911~1913德國和英國率先開發(fā)出多種性能優(yōu)良的Al₂O₃基陶瓷刀具，20世紀(jì)50年代后期我國開始研究氧化鋁。

這是第一代陶瓷刀具，材料中的Al₂O₃的含量占99%以上，通過添加微量助燒劑#(如MgO、NiO、Cr₂O₃、TiO₂等)，經(jīng)壓燒結(jié)而成(俗稱白陶瓷)。純Al₂O₃陶瓷抗彎強(qiáng)度較低，抗沖擊能力差，切削刃容易微崩，但高溫性能很好，適用于小進(jìn)給量半精加工鑄鐵和鋼材。我國生產(chǎn)的這類陶瓷牌號有P1，成分為99%的Al₂O₃、1%的Al₂O₃。由于其抗彎強(qiáng)度低，使用日益減少。

20世紀(jì)60年代-70年代 氧化鋁+碳化物

1968年才出現(xiàn)第2代陶瓷刀具-復(fù)合氧化鋁刀具在Al₂O₃中添加一定的碳化物(TiC、WC、TaC、NbC、MO₂C、Cr₃C₂)可以提高陶瓷的強(qiáng)度和抗沖擊性；其中以添加TiC的Al₂O₃-TiC陶瓷應(yīng)用最多，其添加TiC的比例為30%-60%(有的為5%-10%)，通過熱壓燒結(jié)而成。目前，熱壓Al₂O₃-TiC陶瓷的平均硬度可達(dá)93.5~94.5HRA，抗彎強(qiáng)度可達(dá)0.9~1GPa。適于高速粗、精加工耐磨鑄鐵、淬硬鋼及高強(qiáng)度鋼等難加工材料。與純Al₂O₃陶瓷相比，Al₂O₃-TiC陶瓷的抗彎強(qiáng)度無論在常溫還是高溫下，都高于純Al₂O₃陶瓷，而且高溫下（1000℃以上），其下降速度較慢。低溫時(shí)Al₂O₃-TiC陶瓷的硬度略高于Al₂O₃陶瓷。我國生產(chǎn)的M16、SG3、SG4、SG5屬這類陶瓷，后兩種還加入了WC成分。

20世紀(jì)70年代氧化鋁+碳化物+金屬

這類陶瓷是在Al₂O₃中除添加碳化物外，還添加少量粘結(jié)金屬(Ni、Mo、Co、W等)，熱壓燒結(jié)而成（亦稱金屬陶瓷）。由于加了金屬，提高了Al₂O₃與碳化物的連結(jié)強(qiáng)度，改善了使用性能，適于加工淬火鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鎳基和鈷基合金以及非金屬材料（如纖維玻璃、塑料夾層材料等），是目前精加工冷硬鑄鐵軋輥的最佳材料。由于其抗振性能的改善，可用于間斷切削及使用切削液的場合。我國生產(chǎn)的M4、M5、M6、M8-1、LT35、LT55、AG2和AT6等，都屬于這類陶瓷。

20世紀(jì)70后-80初  氧化鋁+氮化物+硼化物  

20世紀(jì)70年代末80年代初國際出現(xiàn)了第3代陶瓷刀具-氮化硅陶瓷刀具。在Al₂O₃中添加氮化物的Al₂O₃-氮化物組合陶瓷刀具，具有較好的抗熱震性，其基本性能和加工范圍與Al₂O₃-碳化物-金屬陶瓷刀具相當(dāng)，更適于間斷切削，但其抗彎強(qiáng)度和硬度比Al₂O₃-TiC金屬陶瓷刀具低，有待進(jìn)一步研究改善。在Al₂O₃中添加TiB₂作為粘結(jié)劑制成的陶瓷刀具，由于其組織成分為細(xì)晶粒的Al₂O₃及連續(xù)的TiB₂粘結(jié)相，保持了硼化物的“三維連續(xù)性”，因此具有極好的耐沖擊性和耐磨性。

20世紀(jì)80—90年代  增韌氧化鋁：

增韌的陶瓷Al₂O₃是指在Al₂O₃基體中添加增韌或增強(qiáng)材料。增韌方法請猛戳《》。非常適合加工鎳基耐熱合金和低速加工鑄鐵及非金屬脆性材料。這類陶瓷刀具使用較多的國產(chǎn)牌號有：湖南冷水江陶瓷工具廠的AW9、山東工業(yè)大學(xué)的JX-1等。到了21世紀(jì)，隨著納米材料及其他各類新材料的出現(xiàn)，各種增韌陶瓷刀片競相出現(xiàn)，如納米氧化鋯增韌氧化鋁基陶瓷刀具等。

氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷刀片

氮化硅陶瓷刀具

20世紀(jì)70年代開始科研人員在選擇刀具材料中發(fā)現(xiàn)，氮化硅(Si₃N₄)的顯微硬度(3000HV-500HV)，僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼，是一種新型的刀具材料。

20世紀(jì)80年代初此種陶瓷刀開始用于切削加工中。它的制造過程是將硅粉在1300℃～1400℃下通氮?dú)夂筮M(jìn)行球磨，加入少量助燒結(jié)劑，在1700℃～1750℃和2GPa～3GPa壓力下熱壓燒結(jié)而成。其主要特點(diǎn)是具有良好的耐熱性和抗熱沖擊性能。耐熱性高達(dá)1300℃～1400℃，高于一般陶瓷，可進(jìn)行高速切削。其熱導(dǎo)率約為Al₂O₃陶瓷的2倍～3倍，而熱膨脹系數(shù)只有Al₂O₃陶瓷1/3左右，使得抗熱沖擊性能比Al₂O₃陶瓷提高1倍～2倍，有良好的抗崩刃性。在斷續(xù)車削或銑削加工中，氮化硅陶瓷刀具的使用壽命明顯比A1₂O₃陶瓷刀具長。

因此，氮化硅陶瓷刀具不僅能進(jìn)行淬硬鋼、冷硬鑄鐵等材料的精加工和半精加工，而且可以用于鋼基硬質(zhì)合金、鎳基合金、玻璃鋼材料的精加工和部分粗加工，還可以用于一般陶瓷不能勝任的有硬皮鑄件的毛坯切削。

氮化硅陶瓷刀具分類

近年來，氮化硅陶瓷刀具的發(fā)展非常迅速。目前使用的氮化硅系陶瓷刀具包括以Si₃N₄為主體的刀具和以Sialon(Si₃N₄+A1₂O₃)為主體的刀具。

氮化硅陶瓷刀具

1、單一Si₃N₄陶瓷刀具，此類Si₃N₄陶瓷刀具主要是以MgO為添加劑的熱壓陶瓷，其硬度為91HRA～93HRA，耐磨性介于一般陶瓷和立方氮化硼之間，抗彎強(qiáng)度為0。7GPa～0。85GPa，介于一般陶瓷和YT30之間，沖擊韌度相當(dāng)于YT30，耐熱性可達(dá)1300℃～1400℃，具有良好的抗氧化性。此外，Si₃N₄陶瓷有自潤滑性能，摩擦系數(shù)較小，抗粘接能力強(qiáng)，不易產(chǎn)生積屑瘤，且切削刃可以磨得鋒利。可以加工出良好的表面質(zhì)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。

2、Si₃N₄復(fù)合陶瓷刀具，此類陶瓷刀具是在Si₃N₄基體中添加適量金屬碳化物及金屬等復(fù)合強(qiáng)化劑，利用復(fù)合強(qiáng)化效應(yīng)制成的Si₃N₄復(fù)合陶瓷，其性能比熱壓Si₃N₄陶瓷優(yōu)越許多。目前使用較多的是Sialon陶瓷刀具，它是以Si₃N₄為硬度相，以A1₂O₃為耐磨相，在1800℃進(jìn)行熱壓燒結(jié)而成且呈單相組織，是Al₂O₃在Si₃N₄中的固溶體。稱之為Si-Al-O-N(Sialon)陶瓷，有人把它譽(yù)為第三代陶瓷刀具，因其兼有Al₂O₃和Si₃N₄的特性，其熱硬性高于硬度合金和Al₂O₃陶瓷，在刀尖溫度高于1000℃時(shí)仍可高速切削。與單一Si₃N₄陶瓷刀具相比，Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力和耐磨性都有了很大提高，并且易于制造和燒結(jié)。是今后陶瓷刀具重點(diǎn)的發(fā)展方向。Sialon陶瓷刀具適于軟、硬鐵基合金、鎳基合金、鈦合金、硅鋁合金等材料的加工。

氮化硅陶瓷刀具是近年來才在生產(chǎn)中推廣使用的一種新型刀具。因此，不論在刀具的幾何參數(shù)、切削用量以及使用技術(shù)方面，均還沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)。

粉體圈 作者：小黑楊

參考文獻(xiàn)：

[1]周彬.氧化鋁陶瓷刀具的發(fā)展和應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā),2004,(03):37-38+40.

[2]周彬.氮化硅陶瓷刀具的發(fā)展和應(yīng)用[J].山西科技,2004,(02):67-68.