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*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zui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。
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的几种氮化硅基陶瓷。
氮化硅陶瓷是用于铣削的*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zui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zui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耐热合金切削，它的硬度高，在切削耐热合金时，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zui大部分的是机床、人工和其他固定成本。对于陶瓷等*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*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*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zui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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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*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zui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。
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的几种氮化硅基陶瓷。
氮化硅陶瓷是用于铣削的*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zui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zui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耐热合金切削，它的硬度高，在切削耐热合金时，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zui大部分的是机床、人工和其他固定成本。对于陶瓷等*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*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*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zui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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