陶瓷刀具材料的新进展与应用

1、陶瓷刀具材料的新进展与应用切削加工生产率刀具寿命高低、 加工成本多少、 加工精度加工表面质量优劣等， 很大程度上 取决于刀具材料合理选择。目前应用刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷、TiC（N）基硬质合金 （金属陶瓷 ）、硬质合金、高速钢及各种涂层刀具。它们各有各自特点，适应不同工 件材料不同切削速度范围。 工程技术界努力研制与推广陶瓷刀具主要原因于：（一 ）陶瓷刀具材料具有很高硬度、耐磨性能良好高温性能，与金属亲力小，不易与金属产生黏结， 并且 化学稳定好。近年来，通过控制原料纯度晶粒尺寸，添加碳化物、氮化物、硼化物、氧化物 晶须等， 采用多种增韧机制进行增韧补强， 使得陶瓷刀具材料抗弯

2、强度、 断裂韧性抗冲击性 能等有大幅度提高，应用范围日益广泛，可以用于高速切削、干切削、硬切削，切削效率大 大提高。 （二）构成高速钢与硬质合金主要成分钨资源全球范围内日趋枯竭，20 世纪 80 年代初估计，全世界已探明钨资源仅够使用 50 年时间，钨已成为世界上最稀缺资源之一，但其 切削刀具材料消耗却很大， 从而导致钨矿价格不断攀升， 几十年间已上涨好多倍， 而陶瓷刀 具材料使用主要原料氧化铝、 氧化硅等地壳最丰富， 这一定程度上也促进了陶瓷刀具研制与 推广，陶瓷刀具材料研制开发与应用取得了许多令人瞩目成果。 本文主要介绍陶瓷刀具材料 发展概况、 国内外刀具生产商主要陶瓷刀具产品及其合理选用

3、， 以推动陶瓷刀具得到更加广 泛应用。一、 陶瓷刀具材料发展概况早 20 世纪初，德国与英国已开始采用陶瓷刀具取代传统碳素工具钢刀具，但由于当时 陶瓷脆性较大， 所以其应用受到局限。如何克服陶瓷刀具材料脆性，提高其韧性， 成为近百 年来陶瓷刀具材料研究主要课题。 20 世纪 50 年代以前以纯 Al2O3 陶瓷为主， 60 年代至 70 年代以 Al2O3/TiC 复合陶瓷为主， 70 年代后期至 80 年代初期发展了氮化硅基陶瓷刀具材料 及 ZrO2 相变增韧陶瓷刀具材料， 80 年代后期到 90 年代，发展了晶须增韧陶瓷刀具材料。 进入 21 世纪，各种纳米增韧陶瓷刀具材料及陶瓷涂层刀具成

4、为研究开发核心。事实上，硬 度高材料往往强度韧性低， 要想提高韧性往往以硬度下降为代价。 陶瓷刀具材料这种硬度与 韧性之间矛盾使得研究具有高硬度同时又具有高强度、 高韧性陶瓷成为陶瓷刀具材料研究热 点。超细晶粒技术发展纳米复合材料研究为陶瓷发展增添了新活力。根据 Hall-petch 关系， 晶粒尺寸越小陶瓷材料硬度强度越高，当晶粒尺寸小到 100nm 左右时，强度硬度会有很大 提高。 纳米改性、 纳米复合成功解决了晶粒异常长大问题， 纳米级粒子钉扎或进入位错区使 基体晶粒内形成亚晶界， 导致基体晶粒细化。 但纳米粉活性很大， 界面反应激活能较低，烧 结过程极易长大，尽管加入抑制剂，效果仍不理

5、想，目前纳米级陶瓷刀具材料仍研制过程， 开发出陶瓷刀具产品相对较少。 纳米改性、 纳米复合及超细晶粒陶瓷刀具材料研究与开发将 今后陶瓷刀具材料发展主要方向。二、陶瓷刀具材料种类性能陶瓷刀具材料可分为四大类： CA氧化铝基氧化物陶瓷 （白陶瓷 ）；CM 氧化铝基金属碳化 物复合陶瓷 （黑陶瓷 ）；CN 氮化硅基氮化物陶瓷 （非氧化物陶瓷 ）；CC陶瓷涂层刀具。 目前氧化 铝基氮化硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。氧化铝系陶瓷刀具材料a. 氧化铝陶瓷刀具： 刀具材料采用纯 Al2O3 陶瓷及以 Al2O3 为主且添加少量其它元素陶瓷材 料，如 MgO、NiO、SiO2、TiO2Cr2O3 等。这些添加

6、物有利于加强 Al2O3 抗弯强度，但高温 性能有所降低。 Al2O3 陶瓷室温硬度与高温硬度都高于硬质合金材料。 Al2O3 陶瓷室温与高 温时抗压强度都很好， 尤其可以克服一般高速钢刀具及硬质合金切削刀刃易形成变形及塌陷 缺点。此外， Al2O3 陶瓷抗氧化、抗粘结性及化学惰性都很好。氧化铝陶瓷刀具最适于高速 切削硬而脆金属材料， 如冷硬铸铁或淬硬钢； 用于大件机械零部件切削及用于高精度零件切削加工。氧化铝陶瓷刀具短、小零件、钢件断续切削及Mg、Al、 Ti及 Be等单质材料及其合金材料切削加工时效果较差，容易使刀具出现扩散磨损或发生剥落与崩刃等缺陷。 ?氧化铝金属系复合陶瓷刀具：为提高A

7、l2O3 陶瓷刀具韧性，材料引入 10%以下 Cr、 Co、Mo 、 W、Ti、Fe 等金属元素，由此形成 Al2O3 金属陶瓷。这样材料密度、抗弯强度及硬度 均有提高， 但由于氧化铝金属陶瓷刀具抗蠕变强度低、 抗氧性差，到目前为止， 其推广使 用情况不佳。?氧化铝碳化物系复合陶瓷刀具： 系将一定比例碳化物， 如 Mo2C、WC、TiC、TaC、NbCCr3C2 等加入到 Al2O3 陶瓷，采用 Mo、Ni(或 Co、 W)等金属作为粘结相热压而成陶瓷刀具材料。 当 TiC 含量为 30%时，陶瓷刀具耐用度获得显著提高，而热裂纹深度也较小。目前国际上生 产热压 Al2O3-TiC陶瓷刀具均采用

8、此配方， 如山东大学 SG4陶瓷刀具、 肯纳刀具公司 KY1615 等。Al2O3-TiC陶瓷抗弯强度， 耐热冲击性等均优于纯 Al2O3 陶瓷刀具。 Al2O3-TiC陶瓷材料， 由于金属粘结 Al2O3 晶粒碳化物晶粒二者相互穿插骨架组成， 具有较高联接强度， 因此形成 较好切削性能。这类陶瓷刀具最适用于加工淬硬钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、铸钢，镍基 或镍铬合金， 镍基钴基金合等， 另外还可用于非金属材料如纤维玻璃， 塑料夹层及陶瓷材料 切削加工。 由于氧化铝一碳化物金属陶瓷抗热震性能良好，故可适用于铣削，刨削，反复短 暂切削或其它断续切削等，亦可采用切削液进行湿式切削等。?氧化铝氮化物、

9、硼化物金属复合陶瓷刀具：此种陶瓷刀具材料基本性能与加工范围与 Al2O3 一碳化物金属陶瓷材料相当，不过由于以氮化物、硼化物取代TiC，如 Al2O3-TiN,Al2O3-Ti(C,N)，Al2O3-TiB2，因此它具有更好抗热震性能与更适用于间断切削。但其抗弯强 度与硬度都比添加 TiC金属陶瓷低一些，对它研究与开发仍继续。?SiC 晶须增韧 Al2O3 陶瓷刀具： SiC晶须加入使 Al2O3 基陶瓷断裂韧性提高两倍多，同时保 留了很高硬度， 目前这种陶瓷刀具可用于淬硬钢、 工具钢、冷硬铸铁镍基合金加工。如肯纳 刀具公司 KY4300为 SiC晶须增韧 Al2O3 陶瓷刀具，具有良好韧性，

10、可用于加工高温合金高 硬度铸造材料。?AlON 基陶瓷：氮氧化铝 (AlON)基体添加碳化硅晶须，可使氮氧化铝陶瓷基体得到加强。对 于传统高温合金精加工而言， 这种刀具材料具有强韧性、 抗磨损性抗热冲击性三者完美结合。 与碳化硅晶须增强氧化铝基陶瓷相比， 经碳化硅晶须增强氮氧化铝陶瓷已被证明可以提高其 抗破损能力。?氮化硅系陶瓷刀具材料a.单一 Si3N4陶瓷刀具： 此类陶瓷刀具主要以 MgO为添加剂热压陶瓷。 由于 Si3N4陶瓷 以共价键结合，晶粒长柱状，因此有较高硬度、强度断裂韧性，其硬度为91 93HRA，抗弯强度为 0.70.85GPa，耐热性可达 1300 1400，具有良好抗氧化

11、性。同时它有较小热膨 胀系数 (=310-6/)，所以有较好抗机械冲击性抗热冲击性。Si3N4 刀具适合于铸铁、高温合金粗精加工、 高速切削重切削， 其切削寿命比硬质合金刀具高几倍至十几倍。 此外， Si3N4 陶瓷有自润滑性能， 摩擦系数较小， 抗粘接能力强， 不易产生积屑瘤， 且切削刃可磨得锋利。 能加工出良好表面质量， 特别适合于车削易形成积屑瘤工件材料， 如铸造硅铝合金等， 汽车 发动机铸铁缸体等加工应用越来越普遍。b. 复合 Si3N4 陶瓷刀具：单一 Si3N4陶瓷硬度并不特别高 (HRA92.5)，加工硬度较高工件 时，如冷硬铸铁 (HS6580)、高铬铸铁 (HS80 90)等

12、，单一 Si3N4 陶瓷刀具耐用度较低，为 改善其耐磨性，加人 TiCN、TiCN-TiN 作为硬质弥散相，以提高刀具材料硬度，同时保留较高 强度断裂韧性，称为复合氮化硅陶瓷刀具。与单一Si3N4 陶瓷刀具相比，复合氮化硅陶瓷刀具抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力耐磨性都有了很大提高，且易于制造烧结。c. 赛隆 Sialon 陶瓷刀具：赛隆陶瓷以 Si3N4为硬质相， Al2O3 为耐磨相，并添加少量助 烧剂 Y203，经热压烧结而成，有很高强度韧性， Sialon 陶瓷刀具具有良好抗热冲击性能。与Si3N4 相比， Sialon 陶瓷刀具抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能更高，耐热

13、 温度较高达 1300 以上，具有较好抗塑性变形能力， 其冲击强度接近于涂层硬质合金刀具。赛隆 （Sialon）陶瓷材料有 2 种晶体结构， a-Sialon 为等轴晶，具有较高硬度耐磨性能， b-Sialon 为柱状晶，断裂韧性热传导能力相对较好， a+b-Sialon复相陶瓷刀具综合了两相优点， 切削性能更优异，重载条件下其耐磨性能优于单相陶瓷刀具。Sialon 陶瓷刀具适用于高速切削、强力切削、断续切削，不仅适合于干切削，也适合于湿式切削。如肯纳刀具公司开发 Sialon 陶瓷刀具 KY1540 可用于铸铁、镍基合金、钛基合金硅铝合金高速切削加工。由于它 钢化学亲性大， Sialon 陶

14、瓷刀具不适合加工钢。?Si3N4 晶须增韧陶瓷刀具： 该类陶瓷 Si3N4 基体加入一定量碳化物晶须而成， 从而可提高陶 瓷刀具断裂韧性。北京方大高技术陶瓷有限公司生产 FD03 刀片及湖南长沙工程陶瓷公司生 产 SW21牌号均属这一类。 FD03 刀片 Si3N4陶瓷基体加入了硬质弥散颗粒TiC，SW21 刀片Si3N4 加入了一定量 SiC晶须，故有较好使用性能。?陶瓷涂层刀具 涂层技术可提高刀具耐磨性而不降低其韧性， 较好解决了刀具材料存强度韧性之间矛盾， 切削刀具发展一次革命。常用涂层方法PVDCVD，陶瓷涂层以 CVD 法为主，最近 WALTER刀具公司世界上首次开发出了硬质合金基体

15、上 PVD 氧化铝陶瓷涂层刀具。 PVD 氧化铝陶瓷涂 层刀具既具有较好韧性， 又具有良好抗磨损性能， 适用于难加工材料、 不锈钢普通钢高效切 削加工。 涂层方式有单涂层， 、多涂层、纳米涂层等。陶瓷单涂层刀具如 Ingersoll 公司 IN6510（K15-K20 硬质合金基体 ）、IN6515（K15-K35，P20-P30 硬质合金基体 ）、IN6530（P25-P45， M25-M40 ，K20-K50 硬质合金基体 ）。厚膜氧化铝涂层对于提高加工效率很有帮助，但通常涂层技术膜厚增厚同时会降低涂层与基体结合力， 肯纳刀具公司通过技术改进， 不降低结合力 前提下，已将 KC9110 氧

16、化铝涂层厚度从 12m先增加到 182m，后又提高到 242m，使该 刀具切削性能大大提高。 多层陶瓷涂层可阻挡裂纹扩展， 提高刀具寿命， 近年来发展较快。 如山高刀具公司钻削用 T2000D（涂层材料 Ti（C, N）-Al2O3-TiN），T3000D刀具 （涂层材料 Ti（C,N）- Al2O3）；铣削用 T150 M（涂层材料 Ti （C, N）- Al2O3），T350 M（涂层材料 Ti （C, N）- Al2O3/TiN） ， T200 M（涂层材料 Ti （C, N）- Al2O3-TiN），T250M（ 涂层材料 Ti （C, N）- Al2O3/TiN）；车削用 TP100

17、0 、 TP2000（涂层材料 Ti （C, N）- Al2O3-Ti （C,N）-TiN），TP3000、TP200、TP400、TK1000、TK 2000（涂 层材料 Ti （C, N）-Al2O3-TiN），山高刀具公司还开发了 a- Al2O3与 k- Al2O3相互交替涂层刀具。 WALTER刀具公司开发生产了氧化铝多层涂层刀具：WAP系列 （涂层材料 TiCN- Al2O3-TiN），WAK系列（涂层材料 TiCN- Al2O3/TiN），WAM 系列（涂层材料 TiCN- Al2O3-HfN）。 纳米涂层材料每一个颗粒尺寸都非常小， 因此晶粒边界非常长， 从而具有很高高温硬度、

18、 强 度断裂韧性，已开发出 400 层 TiAlN-TiAlN/Al2O3 纳米涂层刀具。 氮化硅基陶瓷韧性优于氧 化铝基陶瓷， 但其耐磨性稍差。 切削铸铁时， 氮化硅基陶瓷刀具后刀面磨损大于氧化铝基陶 瓷刀具，切削钢料时，氮化硅基陶瓷刀具月牙洼磨损较大。为此， 国外氮化硅基陶瓷表面上 施以 Al2O3 涂层，经 Al2O3 涂层后氮化硅刀具其磨损量为未涂层1/3。如 Sandvik公司 GC1690山高 （日本）刀具公司氮化硅基涂层陶瓷刀具， 肯纳刀具公司最近开发氮化硅基 CVD氧化铝涂 层陶瓷刀具 KY3400 可用于球墨铸铁高速加工，也可用于灰口铸铁、延展铸铁或球墨铸铁通 用加工。 肯纳

19、刀具公司还 PCBN基体上研制了 CVD 氧化铝涂层刀具 KB9610（低含量 CBN）、 KB9640（高含量 CBN），外层金黄色 TiN 涂层主要易于识别，大大提高了PCBN 刀具前刀面抗月牙洼磨损能力， 抗热腐蚀化学腐蚀能力也大大提高。 KB9640还特别适合于灰铸铁刹车片 （盘 ） 加工，同样条件下， PCBN基体 CVD氧化铝涂层刀具寿命比未涂层 PCBN提高了近 3 倍。住 友电工公司该公司 CBN200/CBN80（立方氮化硼烧结体 ）表面涂履特殊陶瓷涂层， 使 PCBN刀具 材料耐磨性提高 30%，刀具寿命大幅度延长， 这种新型刀具主要用来高速加工汽车行业常用 高硬度淬火钢铸

20、铁。三、陶瓷刀具材料应用陶瓷刀具材料、牌号种类繁多，性能各异，而切削加工工件材料种类多种多样， 陶瓷刀具其它刀具一样， 也不万能，各有一定适用范围，工 业生产， 针对不同工件材料加工要求， 选择合适陶瓷刀具材料进行加工提高加工效率、 降低 加工成本关键所。鉴于陶瓷刀具特性，选用时必须注意以下几方面问题：(1)机床-刀具 -工件-夹具组成加工系统必须具有良好刚性、机床须具有足够功率较高转速；(2)防止工件结构、材料不均匀或毛坯加工余量不均匀对刀具冲击；(3)合理选择刀具几何参数； (4)合理选择切削用量。 通常白色、含少量 ZrO2Al2O3 基陶瓷用于加工铸铁件，而 ZrO2 含量更高 Al2

21、O3 基陶瓷用于加工钢件。通过强韧化机理， ZrO2 增强了工具断裂韧性，但它降低了工具热导 率硬度。而 TiC 含量高达 30%黑陶瓷与白陶瓷相比，其韧性硬度都更好，被应用于加工更硬 铁、钢、镍基合金。韧性抗磨损性兼备细颗粒 Al2O3-TiCN 黑陶瓷铸铁、铁合金、硬度高达 60HRC不锈钢车削钻削精加工取代了 Al2O3-TiC 陶瓷刀具。开发于 80 年代初、带有 SiC晶须 增强物 Al2O3 陶瓷因 SiC晶须分散晶胞所导致裂纹偏转而比黑、白陶瓷具有更好韧性。由于 具有更高热传导率较低热膨胀率， 这些晶须同时也提高了材料硬度抗热冲击能力。 这些刀具 材料适用于镍基合金铸铁高速 /

22、高进给加工，但因 SiC化学稳定性较差而不宜用于钢铁加工。各类刀具材料红硬性Si3N4/Sialon 陶瓷刀具材料具有类晶须晶粒构造，该类陶瓷比白色 Al2O3 陶瓷具有更强 韧性， 具有出色红硬性抗热冲击能力， 能进行高速、 高进给加工并可用于镍基合金铸铁断续 切削。但它们较低化学稳定性使其加工钢件时缺乏优势。 山特维克可乐满 (Sandvik Coromant) 公司生产 CC6090氮化硅陶瓷刀具适于高速粗、半精切削加工灰铸铁，而纯陶瓷CC620及复合陶瓷 CC650适于精加工轻载荷切削灰铸铁。该公司生产Sialon 陶瓷刀具 CC6080适于高效精、半精车耐热合金，如镍基合金。而晶须增

23、韧陶瓷刀具 CC670 可用于镍基合金粗车、精 车，也可用于粗车淬硬钢冷硬铸铁。该公司生产 GC6050 复合陶瓷刀具适于高效精、半精车 削淬硬钢冷硬铸铁轧辊。 山特维克可乐满公司车削铸铁专用牌号GC3205、GC3210、GC3215分别采用不同硬质合金基体不同厚度 TiCN-Al2O3 涂层刀具，可分别用于灰铸铁高速加工、 球墨铸铁高速加工各种铸铁低速断续切削加工。 该公司还生产用于加工奥氏体不锈钢陶瓷涂 层刀具，牌号为 GC2015，涂层结构为 TiN-TiN/ Al2O3(多层 )-TiCN， GC2015 基体采用了梯度 硬质合金，表面富钴，韧性好，内部有良好红硬性，允许应用高切削速

24、度，底层TiCN 与基体结合强度高并有良好耐磨性， TiN/Al2O3 多层结构既耐磨又能抑制裂纹扩展，表面 TiN 有 较好化学稳定性又易于观察刀具磨损。 该公司利用 Wiper 技术开发 Wiper 陶瓷刀片适于硬车 削、铸铁切削加工及耐热合金切削加工。蓝帜 (LMT)集团 BOEHLERIT公司 Casttec LC620H刀具采用强韧基体，表面涂覆Al2O3，可减小前刀面月牙洼磨损，主要用于断续切削，能以400m/min 线速度断续切削灰铸铁。当高速切削时，刀片及刀杆 (刀柄 )刚性关键，为此肯纳 (Kennametal)刀具公司开发了带 压槽陶瓷刀具，这类刀具铸铁高速加工时能提供较高

25、刚性，该公司还开发了圆形陶瓷刀片。 KY3500 为纯氮化硅陶瓷，韧性最强，用于灰口铸铁大进给量加工，包括断续切削。 KY1310 为 Sialon 陶瓷刀片， 耐磨性极好， 通常用于灰口铸铁高速连续车削加工， 也可以车削硬化工 件表皮。 KY2100也为 Sialon 陶瓷刀片，耐磨性好，而且具有良好抗机械冲击能力，可用于 高温合金通用加工。 KY1525 为晶须增韧氧化铝陶瓷刀片，用于高温耐热合金精加工或通用 加工，刀片耐磨性好。刃口抗热冲击能力强，抗 notch wear 能力强。 KY4400陶瓷刀片 1m 晶粒度 Al2O3 基体混入了 TiCN 而开发成，适合于精车半精车硬度达40

26、-67 HRC淬硬钢或铸铁。 IN11， IN22IN23 伊斯卡 (ISCAR公) 司开发陶瓷刀片。 IN11 刀片主要成分为 Al2O3 ZrO2， 颜色白色， 可用于钢 (切削速度 400 m/min)铸铁(切削速度 600 m/min) 精加工； IN22刀片主要 成分为 Al2O3 TiCN，颜色黑色，可用于淬硬钢、难加工材料、冷硬铸铁车削，也可用于高速 钢工具钢切削加工， 加工硬度 50 HRC淬硬钢切削速度可达 150 m/min ，进给量达 0.2 mm/rev ；IN23 刀片主要成分为 Al2O3 TiC，颜色黑色，应用范围与氮化硅陶瓷刀具相似，可用于灰铸 铁球墨铸铁半精、

27、 精加工， 也可用于精铣或轻断续切削加工， 加工灰铸铁刀具寿命比未涂层 氮化硅陶瓷刀具寿命长。该公司开发氮化硅刀具IS8 主要成分包括 Si3N4，Al2O3Y2O3. 特别适合于粗、 半精加工铸铁， 也可用于车削或铣削灰铸铁球墨铸铁。 该公司开发陶瓷刀具具有 各种形状，有带孔，也有不带孔。三菱综合材料公司车削铸铁牌号 UC5105、UC5115 均涂覆微粒 Al2O3 微粒且纤维状 TiCN 厚膜， 前者采用高硬度基体，用于灰铸铁球墨铸铁高速连续切削；后者采用强韧基体， 用于球墨铸铁不稳定条件加工。该公司 UE系列 CVD 硬质合金刀片表层细晶 Al2O3，可用于加工 钢材。 京瓷(Kyocera)公司 Al2O3 基陶瓷刀具 KA30 适合于高速切削铸铁； ZrO2增韧陶瓷刀 具 SN60 适合于精车铸铁； Al2O3-TiC 复合陶瓷 A65 适于半精、精加工钢、铸铁高硬材料； A66N 为 TiN 涂层 Al2O3-TiC 复合陶瓷，其韧性与耐磨性好于普通Si3N4 陶瓷； KS500KS6000都 Si3N4 基陶瓷，前者适合于断续、高进给切削铸铁，也可用于湿切削；后者用于粗车高温 合金。