新型陶瓷刀具材料有無可比擬的優勢
New ceramic tool material has unparalleled advantages
觀點：佚名
資料來源:中國金屬加工網 雙月刊 2010 9-10月
刀具的性能是影響切削加工效率、精度、表面質量等的決定性因素之ㄧ。隨著現代科學技術和生產的發展，越來越多的採用超硬難加工材料，以提高機器設備的使用壽命和工作性能。而陶瓷刀具則以其優異的耐熱性、耐磨性和化學穩定性，在高速切削領域和難加工材料方面顯示了傳統刀具無法比擬的優勢。新型陶瓷刀具更由於有很高的硬度(HRA93-95)，從而可加工硬度高達HRC65的各類難加工材料，免除退火加工所消耗的電力和時間；可提高工件硬度，延長機器設備的使用壽命。因此新型陶瓷刀具的應用前景十分廣闊。
1. 氮化硅基陶瓷刀具
1.1 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。其硬度為91~93HRA，耐磨性介於一般陶瓷和立方氮化硼之間，抗灣強度為0.7~0.85GPa，介於一般陶瓷和YT30之間，沖擊韌度相當於Y130，耐熱性可達1300-1400°C，具有良好的抗氧化性。能加工出良好的表面質量，特別適合於車削易形成積屑瘤的工件材料，如鑄造硅鋁合金等。
1.2 複台Si3N4陶瓷刀具
Si3N4刀具特別適合於鑄鐵、高溫合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬質合金刀具高幾倍至十幾倍。在汽車發動機鑄鐵缸體等加工中應用越來越普遍。與單S3N4陶瓷刀具相比，複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，且易於製造和燒結。是今後陶瓷刀具的重點發展方向。
1.3 Simon陶瓷刀具
與Si3N4相似，SiMon陶瓷也具有2種晶體結構，a-SiMon為等軸晶具有較高的硬度和耐磨性能，B-SiMon為柱狀晶斷裂韌性和熱傳導能力相對較好，(a+B)-SiMon複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，切削性能更優異，重載條件下其耐磨性能優於單向陶瓷刀具目前有兩種制備自增韌d-SiMon陶瓷的方法：(1)通過控制成核過程的熱力學特點，在燒結體內原位生長柱狀-Sialon晶粒以得到白增韌Sialon陶瓷；(2)採用燃燒合成工藝，制備單相柱狀-Sialon粉體，將此粉體按照適當比例添加到原料中制備白增韌-Sialon陶瓷。為降低燒結溫度，一般要加入各種燒結助劑。比較常用的燒結助劑有:Y203等氧化物和多種稀土元素，一般同時採用2種或2種以上的燒結助劑。
Sialon陶瓷刀具適用於高速切削，強力切削、斷續切割；不僅適合於乾切削，也適合於濕式切削。
1.4 Si3N4 晶須增韌陶瓷刀具
晶須增韌陶瓷是在Si34基體中加入一定量的碳化物晶須而成，從而可以提高陶瓷刀具的斷裂韌性。SW21刀片是在Si3N4中加入了一定量的SiC晶須，固有較好的使用性能。國外一些切削專家認為，用SiN4基陶瓷切削鋼材效果不如A12O3基複合陶瓷，故不推薦用其加工鋼材。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬鋼(6068HRC)、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼十具有較好的效果。
2. 金屬陶瓷刀具
2.1 Ti(C.N)基金屬陶瓷刀具
日本對金屬陶瓷特別青睞，如今，在日本的金屬切削領域中。金屬陶瓷刀片已佔可轉位刀片總數的30%，迄今仍在擴大應用範圍。而美國卻只佔5%，但有人預示美國製造業中已經能看到大量應用金屬陶瓷的前景。
金屬陶瓷硬度高，強度低，韌性低，因此不宜在有強烈衝擊和振動的情況下使用。金屬陶瓷的導熱性、耐熱性、抗黏結性和化學穩定性比高速鋼好得多，因此，在刀具材料中獲得了廣泛應用。
現在，金屬陶瓷的發展方向是超細晶粒化和對其進行表面塗層。超細晶粒金屬陶瓷可以提高切削速度也可用來製造小尺寸刀具。以奈米TiN佔2%~15wt%改性的TiC或Ti(CN)基金屬陶瓷刀具，硬度高、耐磨性好，其熱穩定性、導熱性、耐蝕性、抗氧化性及高溫硬度、高溫強度等都有明顯優勢。與硬質合金刀具相比，該刀具的耐用度和使用壽命提高1~50倍，切削速度提高1.5~3倍，成本與其相當或略高，而金屬切削加工費用下降20%-40%與普通Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具相比，該刀具可靠性更高。
2.2 塗層金屬陶瓷刀具
塗層金屬陶瓷目前發展速度非常迅速。塗層分為硬塗層和軟塗層，前者主要是金屬碳氮化物，包括TiN、TiC、Ti(CN)、TiAlN、CrC、CrN等。其中TiN的工藝最成熟。應用最廣泛硬塗層主要是提高其硬度和耐磨性。一般可進行多層複合塗層。後者主要是Mos基塗層，可以降低摩擦係數。另外，軟硬塗層可以複合使用。
2.3 奈米TiN改性的TiC基金屬陶瓷刀具
最近由兩個美國學者開發的奈米塗層刀具是利用奈米技術的一種新刀具。這種塗層方法採用多種材料的不同組合(如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合、固體潤滑劑/金屬組合等)，以滿足不同的功能和性能要求。其中TiC/TiN複合塗層是典型塗層材料，它相對于在TiC基加入TiN硬質合金而言，其抗彎強度得到進一步的提高，刀具的硬度和韌性顯著增加。又因其具有優異的抗摩擦磨損及自潤滑性能，十分適合於切削。但奈米塗層的塗覆必須採用先進的工藝，如封閉場不平衡磁濺射法(CFUMS)它要求精確的參數控制和先進的設備等，必然造成刀具成本的大幅提高。同時受工藝和切削條件的影響，塗層的黏結強度可能不足，切削時塗層容易脫落，切削性能迅速降低或失敗。
奈米金屬陶瓷刀具成分為：53TiC-10TiN(砌)-18Mo-18Ni-1C，TiN奈米粉粒度為3O-50nm。實驗表明，各力學性能的峰值分別對應一定的奈米TiN的添加量。據合肥工業大學試驗，當添加量體積數6%~8%時。可獲得較優的綜合物理力學性能。
3. 陶瓷刀具材料的研究思路和展望
根據Hall-petch關係，晶粒尺寸越小陶瓷材料的硬度和強度越高。當經歷尺寸小到100mm左右時，強度和硬度會有很大突破。但是奈米粉的活性很大，介面反應激活能較低，在燒結過程極易長大，儘管加入抑制劑，效果仍不理想，因此目前還沒有奈米級陶瓷刀具材料研製成功的報導。奈米改性、奈米複合成功解決了晶粒的異常長大問題，奈米級粒子釘扎或進入位錯驅使基體晶粒內形成業晶界，導致基體晶粒細化。奈米改性，奈米複合及超細晶粒陶瓷刀具材料的研究與開發將是今後刀具材料發展的主要方向。
陶瓷刀具材料是一種最有前途的高速切削刀具材料，在生產中有廣泛的應用前景。目前，它已引起世界各國的重視。在德國約70%加工鑄件的工序是用陶瓷刀具玩成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已佔刀具總量的8%~10%。我國陶瓷刀具的發展也十分迅速，研究與開發水平與國際相當。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬質合金有更好的化學穩定性，可在高速條件下切削加工並持續較長時間，比用硬質合金刀具平均提高效率3~10倍。它實現以車代磨、已銑代拋的高效”硬加工技術”及”乾切削技術”，提高零件加工表面質量。實現乾式切削，對控制環境汙染和降低製造成本有廣闊的應用前景。
4. 結語
新型陶瓷刀具材料具有其他刀具材料無法比擬的優勢，其發展空間非常大。通過對陶瓷刀具材料組分、制備工藝與材料設計的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性和紅硬性的基礎上，極大的提高刀具材料的任性和抗衝擊性能，制備符合現代切削技術使用要求的適宜材料。可以預料，隨著各種新型陶瓷刀具的使用。必將促進高效機床及高速切削技術的推展與應用，又進一步推動新型陶瓷刀具材料的使用。
溢晁億有限公司 Expata Business Company
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Fax:886-4-7557599
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觀點：佚名
資料來源:中國金屬加工網 雙月刊 2010 9-10月
刀具的性能是影響切削加工效率、精度、表面質量等的決定性因素之ㄧ。隨著現代科學技術和生產的發展，越來越多的採用超硬難加工材料，以提高機器設備的使用壽命和工作性能。而陶瓷刀具則以其優異的耐熱性、耐磨性和化學穩定性，在高速切削領域和難加工材料方面顯示了傳統刀具無法比擬的優勢。新型陶瓷刀具更由於有很高的硬度(HRA93-95)，從而可加工硬度高達HRC65的各類難加工材料，免除退火加工所消耗的電力和時間；可提高工件硬度，延長機器設備的使用壽命。因此新型陶瓷刀具的應用前景十分廣闊。
1. 氮化硅基陶瓷刀具
1.1 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。其硬度為91~93HRA，耐磨性介於一般陶瓷和立方氮化硼之間，抗灣強度為0.7~0.85GPa，介於一般陶瓷和YT30之間，沖擊韌度相當於Y130，耐熱性可達1300-1400°C，具有良好的抗氧化性。能加工出良好的表面質量，特別適合於車削易形成積屑瘤的工件材料，如鑄造硅鋁合金等。
1.2 複台Si3N4陶瓷刀具
Si3N4刀具特別適合於鑄鐵、高溫合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬質合金刀具高幾倍至十幾倍。在汽車發動機鑄鐵缸體等加工中應用越來越普遍。與單S3N4陶瓷刀具相比，複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，且易於製造和燒結。是今後陶瓷刀具的重點發展方向。
1.3 Simon陶瓷刀具
與Si3N4相似，SiMon陶瓷也具有2種晶體結構，a-SiMon為等軸晶具有較高的硬度和耐磨性能，B-SiMon為柱狀晶斷裂韌性和熱傳導能力相對較好，(a+B)-SiMon複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，切削性能更優異，重載條件下其耐磨性能優於單向陶瓷刀具目前有兩種制備自增韌d-SiMon陶瓷的方法：(1)通過控制成核過程的熱力學特點，在燒結體內原位生長柱狀-Sialon晶粒以得到白增韌Sialon陶瓷；(2)採用燃燒合成工藝，制備單相柱狀-Sialon粉體，將此粉體按照適當比例添加到原料中制備白增韌-Sialon陶瓷。為降低燒結溫度，一般要加入各種燒結助劑。比較常用的燒結助劑有:Y203等氧化物和多種稀土元素，一般同時採用2種或2種以上的燒結助劑。
Sialon陶瓷刀具適用於高速切削，強力切削、斷續切割；不僅適合於乾切削，也適合於濕式切削。
1.4 Si3N4 晶須增韌陶瓷刀具
晶須增韌陶瓷是在Si34基體中加入一定量的碳化物晶須而成，從而可以提高陶瓷刀具的斷裂韌性。SW21刀片是在Si3N4中加入了一定量的SiC晶須，固有較好的使用性能。國外一些切削專家認為，用SiN4基陶瓷切削鋼材效果不如A12O3基複合陶瓷，故不推薦用其加工鋼材。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬鋼(6068HRC)、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼十具有較好的效果。
2. 金屬陶瓷刀具
2.1 Ti(C.N)基金屬陶瓷刀具
日本對金屬陶瓷特別青睞，如今，在日本的金屬切削領域中。金屬陶瓷刀片已佔可轉位刀片總數的30%，迄今仍在擴大應用範圍。而美國卻只佔5%，但有人預示美國製造業中已經能看到大量應用金屬陶瓷的前景。
金屬陶瓷硬度高，強度低，韌性低，因此不宜在有強烈衝擊和振動的情況下使用。金屬陶瓷的導熱性、耐熱性、抗黏結性和化學穩定性比高速鋼好得多，因此，在刀具材料中獲得了廣泛應用。
現在，金屬陶瓷的發展方向是超細晶粒化和對其進行表面塗層。超細晶粒金屬陶瓷可以提高切削速度也可用來製造小尺寸刀具。以奈米TiN佔2%~15wt%改性的TiC或Ti(CN)基金屬陶瓷刀具，硬度高、耐磨性好，其熱穩定性、導熱性、耐蝕性、抗氧化性及高溫硬度、高溫強度等都有明顯優勢。與硬質合金刀具相比，該刀具的耐用度和使用壽命提高1~50倍，切削速度提高1.5~3倍，成本與其相當或略高，而金屬切削加工費用下降20%-40%與普通Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具相比，該刀具可靠性更高。
2.2 塗層金屬陶瓷刀具
塗層金屬陶瓷目前發展速度非常迅速。塗層分為硬塗層和軟塗層，前者主要是金屬碳氮化物，包括TiN、TiC、Ti(CN)、TiAlN、CrC、CrN等。其中TiN的工藝最成熟。應用最廣泛硬塗層主要是提高其硬度和耐磨性。一般可進行多層複合塗層。後者主要是Mos基塗層，可以降低摩擦係數。另外，軟硬塗層可以複合使用。
2.3 奈米TiN改性的TiC基金屬陶瓷刀具
最近由兩個美國學者開發的奈米塗層刀具是利用奈米技術的一種新刀具。這種塗層方法採用多種材料的不同組合(如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合、固體潤滑劑/金屬組合等)，以滿足不同的功能和性能要求。其中TiC/TiN複合塗層是典型塗層材料，它相對于在TiC基加入TiN硬質合金而言，其抗彎強度得到進一步的提高，刀具的硬度和韌性顯著增加。又因其具有優異的抗摩擦磨損及自潤滑性能，十分適合於切削。但奈米塗層的塗覆必須採用先進的工藝，如封閉場不平衡磁濺射法(CFUMS)它要求精確的參數控制和先進的設備等，必然造成刀具成本的大幅提高。同時受工藝和切削條件的影響，塗層的黏結強度可能不足，切削時塗層容易脫落，切削性能迅速降低或失敗。
奈米金屬陶瓷刀具成分為：53TiC-10TiN(砌)-18Mo-18Ni-1C，TiN奈米粉粒度為3O-50nm。實驗表明，各力學性能的峰值分別對應一定的奈米TiN的添加量。據合肥工業大學試驗，當添加量體積數6%~8%時。可獲得較優的綜合物理力學性能。
3. 陶瓷刀具材料的研究思路和展望
根據Hall-petch關係，晶粒尺寸越小陶瓷材料的硬度和強度越高。當經歷尺寸小到100mm左右時，強度和硬度會有很大突破。但是奈米粉的活性很大，介面反應激活能較低，在燒結過程極易長大，儘管加入抑制劑，效果仍不理想，因此目前還沒有奈米級陶瓷刀具材料研製成功的報導。奈米改性、奈米複合成功解決了晶粒的異常長大問題，奈米級粒子釘扎或進入位錯驅使基體晶粒內形成業晶界，導致基體晶粒細化。奈米改性，奈米複合及超細晶粒陶瓷刀具材料的研究與開發將是今後刀具材料發展的主要方向。
陶瓷刀具材料是一種最有前途的高速切削刀具材料，在生產中有廣泛的應用前景。目前，它已引起世界各國的重視。在德國約70%加工鑄件的工序是用陶瓷刀具玩成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已佔刀具總量的8%~10%。我國陶瓷刀具的發展也十分迅速，研究與開發水平與國際相當。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬質合金有更好的化學穩定性，可在高速條件下切削加工並持續較長時間，比用硬質合金刀具平均提高效率3~10倍。它實現以車代磨、已銑代拋的高效”硬加工技術”及”乾切削技術”，提高零件加工表面質量。實現乾式切削，對控制環境汙染和降低製造成本有廣闊的應用前景。
4. 結語
新型陶瓷刀具材料具有其他刀具材料無法比擬的優勢，其發展空間非常大。通過對陶瓷刀具材料組分、制備工藝與材料設計的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性和紅硬性的基礎上，極大的提高刀具材料的任性和抗衝擊性能，制備符合現代切削技術使用要求的適宜材料。可以預料，隨著各種新型陶瓷刀具的使用。必將促進高效機床及高速切削技術的推展與應用，又進一步推動新型陶瓷刀具材料的使用。
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