陶瓷刀具的应用前景和局限性

陶瓷（ceramic）刀具简介

　　与硬质合金刀具相比，陶瓷刀具硬度高，耐磨性好，刀具寿命长。同时，陶瓷刀具与钢铁等金属的亲和力小，摩擦系数低，并且在1200℃时仍能保持HRA80左右的高硬度，抗热冲击性能好，适合在高温下进行高速切削。此外，其独具的原材料价格低廉优势，也是陶瓷刀具备受关注一个重要原因。

　　从表1可以看出，陶瓷刀具密度低，硬度高。在韧性方面，抗弯强度、断裂韧性、弹性模量等则不如硬质合金。这正是陶瓷刀具在某些场合不能取代硬质合金的重要原因。陶瓷刀具耐热性能好，在1300℃高温时还能保持很高硬度，其高温切削性能高于硬质合金，在超硬材料加工中优势明显。

陶瓷刀具的分类

　　目前陶瓷刀具主要有氧化铝（Al2O3）基，氮化硅（Si3N4）基和赛阿龙（Sialon）等三大类。

1.氧化铝基陶瓷

　　氧化铝基陶瓷硬度高、耐磨性好，但韧性较氮化硅等差很多，多用于车削。主要有以下三种：

（1）氧化铝基添加氧化物。这类陶瓷强度低，抗热振性及断裂韧性较差，切削时易崩刃，目前已被其它Al2O3复合陶瓷取代。

（2）氧化铝复合陶瓷。使用最广的是添加TiC的复合物，比如Sandvik可乐满公司的CC650牌号，适于切削淬硬钢和冷硬铸铁，广泛用于钢厂轧辊和传动轴等工件的车削。

（3）Al2O3-SiC晶须增韧陶瓷。在Al2O3陶瓷基体中添加SiCw晶须而成。SiCw晶须作用类似钢筋混凝土中的钢筋，能成为阻挡或改变裂纹发展的障碍，使其韧性大幅提高，可有效地用于断续切削及粗车、铣削和扩孔等工序，适于加工镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料。

2.氮化硅基陶瓷

　　Si3N4陶瓷是一种非氧化物陶瓷，硬度可达1800~2000HV，热硬性好，能承受1300~1400℃的高温，与碳和金属元素化学反应小，摩擦系数较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于大进给量或断续切削。

　　最新的Si3N4陶瓷不仅可用于粗加工，而且可用于断续切削和有冷却液的切削，例如Sandvik可乐满公司的690，6090，1690等牌号。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率为2%~3%，与硬质合金相当，可以大量应用于生产线。该类陶瓷刀具的缺点是磨加工性不如普通陶瓷。Si3N4-TiC-Co复合陶瓷、Si3N4晶须增韧陶瓷、Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷等是目前研究最为广泛的几种氮化硅基陶瓷。

　　氮化硅陶瓷是用于铣削的最佳刀具材料之一，其高韧性、高耐磨性等特点使其成为灰铸铁铣削的一个全新解决方案。以下试举例说明：某公司变速箱体铣削加工。工件材料HT250，半精加工，余量3mm左右。机床为4轴加工中心。干式切削。

（1）对比方案 （硬质合金刀片）：

　　刀体：山特维克可乐满R365-080Q27-S15M，6刃65度刀盘。刀片为R365-1505ZNE-KM K20D。切削参数：切宽50mm，切深3mm，线速度350m/min，进给2.1mm/rev。单件加工时间1.5分钟，寿命40件/刃。金属去除率：428cm3/min。（此刀具为业内使用硬质合金刀片的刀体中效率最高刀具之一。）

（2）推荐方案（陶瓷刀片）：

　　刀体：山特维克可乐满R245-080Q27-12M，直径80mm，6切削刃的45度铣刀盘。刀片：R245-12T3E 6090。切削参数：切宽50mm，切深3mm，线速度1000m/min，进给1.2mm/rev。单件加工时间1分钟，寿命50件/刃。金属去除率：667cm3/min。（比前面的解决方案效率提高56%）

3.赛阿龙陶瓷

　　SiAlON实际上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置换所形成的一大类固熔体的总称，主要有β-sialon、α-sialon、O-sialon三种，尤以前两种最为常见。山特维克可乐满CC6060和CC6065均属于这两类赛阿龙陶瓷。相比晶须增韧陶瓷，赛阿龙陶瓷更适合高硬度优质耐热合金切削，它的硬度高，在切削优质耐热合金时，抗沟槽磨损能力突出。在耐热合金加工过程中，晶须增韧陶瓷适于粗加工，而赛阿龙陶瓷则擅长半精加工和精加工。

　　　　　　　　　图：CC6060

　　以加工Inconel718为例，CC6065/CC6060分别用于半精到精加工，线速度250m/min，进给量0.2mm/rev，切深2mm。相比较传统硬质合金刀片的50m/min左右的推荐线速度，效率提高到原来的5倍。

规避使用误区，实现高效率和低成本

　　在产品生产成本中，刀具成本仅占总成本的3%。而占生产成本最大部分的是机床、人工和其他固定成本。对于陶瓷等先进刀具，能够大幅度提高生产效率，缩短加工节拍，大幅度降低机床费用，带来的成本收益则远大于刀具的消耗。

　　陶瓷刀具能以200~1000m/min的切削速度高速加工钢、铸铁及其合金等材料，并可直接以车、铣代替磨削。对淬硬零件加工，可用单一工序代替多道工序，大大缩短工艺流程。

　　与金刚石、CBN（立方氮化硼）等超硬刀具相比，陶瓷刀具因原材料价格低廉，价格相对较低，但在某些加工应用范围内的性能却不容小视。尤其是在硬度HRC50以下硬工件加工上，陶瓷刀具性价比突出。相对于高端涂层硬质合金刀具而言，陶瓷刀具价格稍高，但是其高耐磨性和高效率使其在某些应用场合能够替代硬质合金刀具。

　　应该承认，新刀具材料的出现并不能完全取代旧材料的应用，很多旧的刀具材料仍然在不断向前发展，如当前性价比颇高的高端涂层硬质合金刀具。因此，我们必须根据实际的加工材料、加工工况、机床条件等来选用刀具。事实上在很多应用场合，陶瓷刀具并不能代替其它刀具。 比如在加工硬度超过HRC55度的材料时，对刀具材料的抗冲击性，韧性和耐磨性等参数有严格要求，这时CBN或许是更好的选择。

　　值得注意的是，部分企业在使用陶瓷刀具时，认为采用较低的切削速度可延长刀具的使用寿命。以灰铁250车削为例，山特维克可乐满CC6090的最佳使用范围为600-700m/min线速度，而常见的硬质合金刀具一般在300m/min左右，如果降低线速度，会影响生产效率，当速度低到一定程度后更会严重影响刀具寿命。

局限性及应用前景

　　与其它刀具材料相比，陶瓷刀具最突出的缺点就是断裂韧性不足，而断裂韧性是评价其抗破损能力的重要指标之一。在进行铣、刨、镗削及其他断续加工时，刀片材料的断裂韧性更为重要。为此，陶瓷刀具有必要通过适当手段提高其硬度、抗弯强度及断裂韧性，目前采用的主要途径是通过向陶瓷材料中添加ZrO2、TiC、SiC晶须及某些金属等手段增韧，以提高刀片的抗冲击能力。

　　目前巿场上的陶瓷刀具比较少，但在轧辊、矿山机械、轴承、汽车等领域已得到广泛应用。国内很多生产厂家因其价格较高而拒绝使用；另有不少厂家因其不稳定而谨慎选择。随着陶瓷刀具技术的进一步发展，相信其应用范围会越来越广。

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