陶瓷刀具的发展与应用
李超 1110012128
（南通大学机械工程学院江苏南通）
摘要: 综述了氧化铝系和氮化硅系两类陶瓷刀具的发展现状, 阐述了这两类陶瓷刀具的力学性能与切削性能, 讨论了它们的特点、加工范围以及适合的切削加工用量, 提出了刀具选择及使用要点。
关键词: 陶瓷刀具,氮化硅 , 氧化铝
Development and Application of Ceramic Cutting Tools Abstract:The current development situation of Al2O3 and Si3N4 matrix ceramic cutting tools is summarized. The mechanical property and cutting performance of the two kinds of cutting tools are represented. The characteristics, cutting ranges and suitable machining values of Al2O3 and Si3N4 matrix ceramic cutting tools are discussed emphatically. Some gists of selecting and using ceramic cutting tools are also presented. Keywords: ceramic cutting tools,Si3N4 , Al2O3
0 前言
随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展, 目前切削加工已进入了一个
以高速、高效和高精度为标志的高速加工发展新阶段, 高速切削已成为当前切削技术的重要发展趋向。然而, 由于切削速度的提高相应地产生了更多的切削热和更大的切削力, 这些都会使刀具的切削性能大大降低。因此, 影响高速切削刀具材料切削性能好坏的关键在于其高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。基于这一要求, 近几十年来, 世界各工业发达国家相继开发了一批适于高速切削的新型刀具材料。其中, 陶瓷材料由于其优异的物理力学性能和切削性能在高速切削领域占据了举足轻重的
地位。
1 陶瓷刀具材料的基本特点
陶瓷刀具与硬质合金刀具相比, 其硬度高、耐磨性好, 切削寿命可比硬质合
金高几倍以至十几倍。陶瓷刀具在1 200 e 以上的高温下仍能进行切削,所具备的高温性能使其能够以比硬质合金刀具高3~ 10 倍的切削速度进行加工。陶瓷刀具与钢铁金属的亲和力小、摩擦因数低、抗粘结和抗扩散能力强, 故加工件的表面质量好。此外, 陶瓷刀具的化学稳定性好, 其切削刃即使处于赤热状态也能长时间连续使用, 这对金属高速切削有着重要的意义[ 4] 。近年来, 随着材料科学与制造技术的进步, 可通过添加碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善陶瓷的性能, 还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和增韧机理协同作用提高其断裂韧性和抗弯强度, 故其应用范围日益扩大。当前, 陶瓷刀具材料的研究进展主要集中在提高传统刀具陶瓷材料的性能、细化晶粒、组分复合化及采用涂层、改进烧结工艺和开发新产品等方面, 以期获得更好的耐高温性能、耐磨损性能和抗崩刃性能, 满足高速精密切削加工的要求[ 5, 6] 。
2 陶瓷刀具的性能
陶瓷刀具多为高硬度的细微晶粒经高温烧结而成, 具有高硬度和高耐磨性, 其高温性能和化学稳定性也大大高于其它刀具。因此, 总体上讲, 陶瓷刀具具有良好的切削性能。
2.1 陶瓷刀具的力学性能
陶瓷刀具材料的力学特性是其优良的切削性能的根本所在。
2. 2 陶瓷刀具的切削性能
2.2.1氮化硅陶瓷刀具的性能优点
Si3N4硬度高，一般为HRA93-94.因此耐磨性好.可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁。因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，处长机器设备的使用寿命。
2.2.2 氧化铝陶瓷刀具的性能优点
Al2O3 陶瓷刀具的切削性能Al2O3 系陶瓷刀具的硬度达91~ 95HRA, 在高温下有较好的化学稳定性、耐磨性和耐热性, 高温硬度高, 在1200 e 高温下仍能进行切削( 此时硬度为80HRA) , 如果加入一定的稳定剂并采用热压成形技术, 可使刀具在1800 e 高温下仍能保持硬度和耐磨性, 且高温时刀具与工件间不产生化学反应, 月牙洼磨损率较低, 表面粗糙度小。
3 氮化硅基陶瓷刀具的发展概况
氮化硅基陶瓷是20 世纪70 年代出现的新刀具材料, 它以高纯度的Si3N4 粉末为原料, 添加Y2O3、MgO、ZrO2 和HfO2 等烧结剂或耐磨相Al2O3 或强化相SiCw等烧结而成。具有高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性良好的耐热冲击性能, 是一种有发展前途的刀具材料。国外的Si3N4 陶瓷材料发展较快, 其中以日本和美国最快。国内在20 世纪80 年代就研制成功了这类刀具材料, 但后来的发展并不快, 主要的研究单位有山东工业陶瓷研究院、上海硅酸盐研究所和清华大学。产品种类很少, 有ST4、SC3、FT80 等。主要力学性能为: 平均晶粒尺寸2- 3Lm, 密度3. 18- 3. 41gPcm3 , 硬度HRA91- 94, 抗弯强度900- 1000MPa, 断裂韧性4. 7- 7. 2MPa#m1P2。同国外相比性能差不多。
3. 1 氮化硅基陶瓷的性能特点
( 1) 抗弯强度和断裂韧性
Si3N4 陶瓷的抗弯强度一般已达900- 1000MPa, 据资料报道, 其强度有的已
高达1500MPa, 虽然近几年Al2O3 陶瓷的抗弯强度有了较大提高, 有的甚至达到1000 ) 1200MPa, 但总的来讲, Si3N4 基陶瓷的强度要高于Al2O3 陶瓷。Si3N4 陶瓷不仅抗弯强度高, 而且强度的可靠性也大, 有明显的R 阻力曲线。另外,
Si3N4 陶瓷的疲劳强度比以往的陶瓷刀具高, 可以获得相当稳定的使用寿命。
Si3N4 陶瓷有良好的断裂韧性, 切削时不易产生裂纹, 故在一般陶瓷不能胜任
的氧化皮切削、断续切削、湿式切削和端铣等场合, Si3N4 陶瓷刀具都有稳定的切削性能。在对一般陶瓷刀具不适合的可锻铸铁、耐热合金等材料的氧化皮断续切削加工时,Si3N4 陶瓷刀具可发挥巨大的威力, 端铣时的抗崩刃性能特别好112。
( 2) 硬度
热压烧结Si3N4 陶瓷刀具的硬度一般在HRA91-93, 而Al2O3 陶瓷刀具的硬
度一般都在HRA93 以上, 有的甚至大于HRA97( 如成都工具研究所研制的M16) 。因而Si3N4 基陶瓷刀具的耐磨性能较Al2O3 陶瓷刀具差。切削铸铁时刀具后刀面磨损大于Al2O3 陶瓷刀具; 切削钢料时Si3N4 陶瓷刀具的月牙洼磨损较大。耐磨性较Al2O3 陶瓷刀具差的原因与Si3N4 陶瓷刀具的化学稳定性较Al2O3 陶瓷刀
具低有关。
( 3) 耐热性
Si3N4 陶瓷刀具的耐热性可达1300 ) 1400 e , 高于硬质合金刀具及Al2O3 基陶瓷刀具, 因而能承受较高的切削速度。切削灰铸铁时, 切削速度可800mPmin 以上, 有时甚至可达1000mPmin; 切削镍基合金时速度可达300mPmin 以上Si3N4 陶瓷刀具的高温性能特别好, 在1000 e , 强度几乎不下降, 在高达1300 ) 1400 e时尚有一定的强度。温度升至800 e 以上时抗弯强度才开始下降, 这一临界温度比一般的硬质合金刀具高100 e 以上。
( 4) 抗热震性
Si3N4 陶瓷刀具具有高的导热系数, 约为Al2O3 基陶瓷刀具的2. 5- 3 倍, 而其热膨胀系数还不到Al2O3陶瓷刀具的一半, 弹性模量也较低, 这就必然导致耐热冲击性能的提高。
( 5) 化学稳定性
Si3N4 基陶瓷刀具的化学稳定性虽比硬质合金刀具高但较Al2O3 陶瓷刀具低。Si3N4 在高温下易分解,高于1550 e 时发生分解: Si3N4 ( s) - 3Si ( g) + 2N2 ( g) ,分解出来的Si 与金属的亲和力较大。这也是Si3N4 陶瓷刀具耐磨性差的一个原因。由于Si3N4 陶瓷刀具的上述特性, 使其适用于粗铣、断续车削、荒车及湿式加工; 具有广泛的适应性, 一般陶瓷刀具不能进行的加工, 它都可
以完成, 如切削氧化皮、断续切削、螺纹加工及钻孔等。特别是由于其高的抗热震性及优良的高温性能, 使其更适合高速切削及继续切削。另外, Si3N4 陶瓷刀具还可以切削可锻铸铁、耐热合金等难加工材料。
3. 2 新型氧化硅基陶瓷刀具的研制概况
( 1) Sialon 陶瓷刀具
Sialon 是Silicon ( 硅) ) Aluminium ( 铝) ) Oxygen( 氧) ) Nitrogen( 氮) 的缩写, 是英国LucasAyalon 公司研制成功的一种新型陶瓷刀具。Sialon 陶瓷刀具是Al2O3在Si3N4 中的固溶体, 是氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物在1800 e 进行热压烧结而成的一种单相陶瓷材料, 氮化硅的结晶晶格稍微扩大, 在其
中Y2O3 可使组织致密化。Sialon 陶瓷刀具具有很高的强度, 抗弯强度达1050- 1450MPa( 硬度为94HRA) , 比纯Al2O3 及Al2O3- TiC 陶瓷刀具都高, 其断裂韧
性也是几种陶瓷刀具中最高的, 其冲击强度远胜于一般陶瓷刀具( 3- 4倍) 而接近于涂层硬质合金刀具。适用于高速切削、强力切削、断续切削。Sialon 陶瓷具具有良好的抗热冲击性能, 是Al2O3 陶瓷刀具的三倍, 不仅适合于干切削, 也适合于湿式切削。与Si3N4 陶瓷刀具相比, Sialon 陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能都提高了,并易于制造和烧结。Sialon 陶瓷刀具的耐热温度较高, 达1300 e 以上, 而Al2O3- TiC 陶瓷刀具的耐热温度为1100 e , 因此, Sialon 陶瓷刀具有较好的抗塑性变形能力。Sialon 陶瓷可成功地用于铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的加工, 是高速加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料。如用Sialon 陶瓷刀具加工铸铁时, 切削速度可900mPmin, 可对铸铁进行间断切削。刀具耐用度比涂层硬质合金刀具或Al2O3 陶瓷刀具提高10- 15 倍。Sialon 陶瓷刀具不适合加工钢( 因其溶解磨损速率很高) 。Sialon 陶瓷刀具虽有很多优点, 但与热压氮化硅陶瓷刀具一样, 其抗磨损性能比一般陶瓷刀具差。
( 2) Si3N4- TiC 陶瓷刀具
FT80 陶瓷刀具由清华大学研制, 在Si3N4 陶瓷刀具中加入TiC 及C0 , 提高了陶瓷刀具的力学性能和切削性能。TiC 的作用是通过弥散硬化和减少陶瓷刀具与铁之间的粘结, 提高了陶瓷刀具的耐磨性122。Co 的作用是提高陶瓷刀具的冲击韧性和承受切削力冲击的能力。F85 是清华大学研制的另一种Si3N4 陶瓷刀具,其硬度为HRA93. 5- 94, 抗弯强度为650- 800MPa, 断裂韧性高于纯Al2O3 及
Al2O3- TiC 陶瓷刀具而接近于Sialon 陶瓷刀具; 其导致系数为30- 36WP( m# e ) , 高于Sialon 陶瓷刀具; 热膨胀系数为1. 7 @ 10- 6Pe , 小于Sialon 陶瓷刀具。故这种陶瓷刀具有较好的耐热冲击性能, 性能优于硬质合金及一些陶瓷刀具, 能切削冷硬铸铁、合金冷硬铸铁及淬硬钢等材料。
4 氧化铝(A12O3)基陶瓷
( 1) 纯氧化铝陶瓷。该陶瓷中A l2 O3 的成分大于99. 9% , 多呈白色, 俗称白陶瓷。我国成都工具研究所生产的Pl 牌号属于此类, 其耐磨性好, 用于切削灰铸铁有较好效果, 也可切削普通碳钢。但因其强度低, 抗热振性及断裂韧性较差, 切削时易崩刃, 故目前已被其他Al2O3 复合陶瓷取代。
( 2) 氧化铝-碳化物系复合陶瓷。它是在Al2 O3基体中加入TiC、WC、Mo2 C、TaC、NbC、Cr3C2等成分经热压烧结而成, 其中使用最多的是Al2 O3- TiC复合陶瓷。随着TiC 含量( 30% ~ 50% ) 的不同, 其切削性能也有差异, 主要用于切削淬硬钢和各种耐磨铸铁。我国生产的牌号有M16、SG3、SG4 和AG2 等, 后两种牌号中还含有WC 的成分。
( 3) 氧化铝-碳化钛-金属系复合陶瓷。该陶瓷因在Al2O3- TiC 陶瓷中加入了少量的粘结金属如Ni 和Mo 等, 从而提高了A12O3与TiC 的连结强度和使用性能, 故可用于粗加工。这类陶瓷又称金属陶瓷。我国生产的牌号有AT 6、LT35、LT55、M4、M5、M6、LD- 1 等, 用其切削调质合金钢时的切削速度可达一般硬质合金刀具的1~ 3 倍, 刀具寿命为硬质合金刀具的6~ 10 倍, 由于其含有金属成分, 所以能用电加工切割成任意形状, 同时, 用金刚石砂轮刃磨时, 能获得较好的表面质量。其中LD ) 1 是在Al2 O3-TiC 系陶瓷的基础上, 通过添加少量的特殊微粉, 利用多种增韧机制的协同作用而使断裂韧性有较大提高, 可达6. 0~ 6. 6 MPa # m1/ 2 , 而普通热压Al2 O3-T iC 陶瓷断裂韧性为4 MPa # m1/ 2 , 用其端铣淬硬钢时的刀片抗破损性能要比同类LT 55 牌号高出30%~ 110% 。
( 4) Al2O3-SiC 晶须增韧陶瓷。它是在Al2O3陶瓷基体中添加20% ~ 30%的SiC 晶须( 一种直径小于0. 6 Lm, 长度为10~ 80 Lm 的单晶, 具有一定的纤维结构, 其抗拉强度为7 GPa , 弹性模量超过700GPa) 而成。SiC 晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋, 它能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物, 使陶瓷的韧性大幅度提高( 可达9 MPa # m1/ 2 ) , 适用于断续切削及粗车、铣削和钻孔等加工及镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料的加工。我国生产的JX ) 1、AW9、SG5 及美国WG300、Kyon250 和瑞典Sandvi公司CC670 等牌号均属于这一类。
5 陶瓷刀具材料的发展趋势及前景
目前, 尚无纳米级陶瓷刀具材料研制成功的报道。纳米改性、纳米复合已成功解决了晶粒的异常长大问题, 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。纳米改性、纳米复合及超细晶粒陶瓷刀具材料的研究与开发将是今后刀具材料发展的主要方向。为了改善陶瓷刀具材料的脆性, 多年来各国相继提出多种增韧补强方法和先进的工艺技术, 通过在陶瓷材料中添加增强相如T iC、TiN、TiB2、SiCp、SiCw、( W, T i) C、WC、Mo2C、ZrO2、Y2 O3 等成分, 利用第二相、第三相材料进行颗粒弥散强化、纤维补强、晶须增韧、相变增韧或协同增韧补强, 可使主相陶瓷材料的性能大幅度提高。优化组分、进行多层次多相复合、多种增韧机制同时作用, 也是提高陶瓷材料韧性的有效途径。
陶瓷刀具材料具有其他刀具材料所无法比拟的优势, 其发展空间非常大。通过对陶瓷刀具材料组分、制备工艺与材料设计的研究, 可在保持高硬度、高耐磨性和红硬性的基础上, 极大提高刀具材料的韧性和抗冲击性能, 制备符合现代切削技术使用要求的适宜材料。
陶瓷刀具材料是一种极有前途的高速切削刀具材料, 在工业生产中有着广
泛的应用前景。随着各种新型陶瓷刀具材料的使用, 必将促进高效机床及高速切削技术的发展, 而高效机床及高速切削技术的推广与应用, 又将进一步推动新型陶瓷刀具材料的使用。
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普通陶器:即指土陶盆、罐、缸、瓮，以及耐火砖等具有多孔性着色坯体的制品，原料颗粒比较粗。 瓷：用高岭土等烧制成的材料，质硬且脆，比陶质细致，也称瓷器 瓷石：主要含石英和绢云母。由于它是石质,一般是用机器粉碎。瓷石是天然配好的制瓷原料，在1200-1250℃的温度下可以单独烧成瓷器，这就是所谓的“一元配方”。 高岭土：元代，景德镇发现了高岭土，并将其掺入瓷石中，即所谓的“二元配方”，它提高了原料中铝的含量，使瓷胎可以耐受1280-1300℃的高温，这是提高瓷胎坚固性的必要条件。 陶瓷：以无机非金属物质为原料，在制造或使用过程中经高温（540℃以上）煅烧而成的制品和材料。狭义：无机非金属材料中的一种类型（水泥、玻璃、陶瓷等）。广义：一切无机非金属材料及制品统称陶瓷。 特点：1、原料丰富（Clarke value，占地壳总量的70-80%）2、性能优越：(抗压)强度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化等3、与金属、高分子、复合材料呈四足鼎立之势 传统陶瓷:由粘土等硅酸盐天然原料为主的坯料制成的日用餐具、耐火材料、水泥、瓶玻璃、卫生洁具等。 近代陶瓷:以Al2O3、ZrO2、TiO2、SiC、Si3N4等人工原料或合成原料为坯料制成的陶瓷。 特种陶瓷:采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成、严格控制成型及烧结工艺所合成的，达到设计的微观结构和精确的尺寸精度，并具有优异特性的陶瓷。日本称技术陶瓷 结构陶瓷：用于机械结构零件的陶瓷。 功能陶瓷：具有特殊的电、磁、声、光、热、化学及生物功能的陶瓷。 陶瓷材料的结构与性能 1、材料的成分、显微组织结构与性能（一体化，正交化试验方法） 2、材料的结构受到组成及加工工艺的制约 3、显微结构的研究指导材料工艺的制订与优化 特种陶瓷的主要研究领域1、优化结构，获得优异性能2、材料的性能评价与可靠性 单相多晶体：陶瓷的相组成主要由单一相的多个晶体组成 多相多晶体：除了晶相（可能多相）外，还有气孔和玻璃相 晶相的结构：晶粒大小(晶粒度)、分布、形态，结晶特性、取向、晶界及表面形态 晶相：决定陶瓷基本性能的主导物相。单相多晶、多相多晶 晶形：晶体在形成、生长过程中，习惯性地、自发地按一定的规律生长和发育成一定的几何形态。（自形晶：完整（完全发育）晶体；半自形晶和他形晶：生长受到抑制，部分完整或很不完整。） 主晶相：决定材料基本性能。次生相：对陶瓷性能起重要调节性能。（析出相） 玻璃相：配料中引入的各种杂质组分经高温烧结的物理、化学反应，形成液相，冷却时转变为玻璃相（常分布于晶界部位）。 结构与作用—烧结体中起粘结作用，粘结晶相，连续分布—填充气孔、烧结体致密化—降低烧结温度，促进烧结—抑制晶体长大、防止晶形转变（低温烧结）—有利于杂质、添加物的重新分布—液相量依陶瓷的用途而定（液相量↑易变形，耐火度↓强度↓介电性↓）—热处理，促进玻璃相晶化—
特种陶瓷材料的制备工艺 10材料1班 王俊红，学号：1000501134 摘 要：介绍粉末陶瓷原料的制备技术、特种陶瓷成形工艺、烧结方法。 目前，特种陶瓷中的粉末冶金陶瓷工艺已取得了很大进展，但仍有一些急需解决的问题。 当前阻碍陶瓷材料进一步发展的关键之一是成形技术尚未完全突破。 压力成形不能满足形状复杂性和密度均匀性的要求。 多种胶体原位成形工艺，固体无模成形工艺以及气相成形工艺有望促使陶瓷成形工艺获得关键性突破。 关键词：特种陶瓷；成形；烧结；陶瓷材料 前言：陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类， 特种陶瓷是以人工化合物为原料（如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物及氟化物等）制成的陶瓷。 它主要用于高温环境、机械、电子、宇航、医学工程等方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。 特种陶瓷作为一种重要的结构材料，具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点，无论在传统工业领域，还是在新兴的高技术领域都有着广泛的应用。 因此研究特种陶瓷制备技术至关重要。 正文：特种陶瓷的生产步骤大致可以分为三步：第一步是陶瓷粉体的制备、第二步是成形，第三步是烧结。 特种陶瓷制备工艺流程图 一、 陶瓷粉体的制备 粉料的制备工艺(是机械研磨方法，还是化学方法)、粉料的性质(粒度大小、形态、尺寸分布、相结构)和成形工艺对烧结时微观结构的形成和发展有着巨大的影响，即粉末制备 坯料制备 成型 干燥 烧结 后处理 热压或热等静压烧结 成品
陶瓷的最终微观组织结构不仅与烧结工艺有关，而且还受粉料性质的影响。由于陶瓷的材料零件制造工艺一体化的特点，使得显微组织结构的优劣不单单影响材料本身的性能，而且还直接影响着制品的性能。陶瓷材料本身具有硬、脆、难变形等特点。因此，陶瓷材料的制备工艺显得更加重要。由于陶瓷材料是采用粉末烧结的方法制造的，而烧结过程主要是沿粉料表面或晶界的固相扩散物质的迁移过程。因此界面和表面的大小起着至关重要的作用。就是说，粉末的粒径是描述粉末品质的最重要的参数。因为粉末粒径越小，表面积越大，单位质量粉末的表面积(比表面积)越大，烧结时进行固相扩散物质迁移的界面就越多，即越容易致密化。制备现代陶瓷材料所用粉末都是亚微米(＜lμm)级超细粉末，且现在已发展到纳米级超细粉。粉末颗粒形状、尺寸分布及相结构对陶瓷的性能也有着显著使组分之间发生固相反应，得到所需的物相。同时，机械球磨混合无法使组分分的影响。粉末制备方法很多，但大体上可以归结为机械研磨法和化学法两个方面。 传统陶瓷粉料的合成方法是固相反应加机械粉碎(球磨)。其过程一般为：将所需要的组分或它们的先驱物用机械球磨方法（干磨、湿磨）进行粉碎并混合。然后在一定的温度下煅烧。由于达不到微观均匀，而且粉末的细度有限（通常很难小于 l μm 而达到亚微米级），因此人们普遍采用化学法得到各种粉末原料。根据起始组分的形态和反应的不同，化学法可分为以下三种类型： 1.固相法： 化合反应法：化合反应一般具有以下的反应结构式： A(s)+B(s)→C(s)+D(g) 两种或两种以上的固态粉末，经混合后在一定的热力学条件和气氛下反应而成为复合物粉末，有时也伴随一些气体逸出。 钛酸钡粉末的合成就是典型的固相化合反应。等摩尔比的钡盐BaCO3和二氧化钛混合物粉末在一定条件下发生如下反应： BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2↑ 该固相化学反应在空气中加热进行。生成用于PTC制作的钛酸钡盐，放出二氧化碳。但是，该固相化合反应的温度控制必须得当，否则得不到理想的、粉末状钛酸钡。 热分解反应法：
陶瓷刀具的种类和性能 陶瓷作为非金属刀具材料，因其能实现高硬度材料的切削和高速切削，所以作为工业的牙齿在金属切削领域中广泛应用，本文根据陶瓷刀具（含立方氮化硼刀具）的种类和性能，浅谈它们的使用区别及其适合加工材质。 一，陶瓷刀具的种类及发展脉络 陶瓷刀具的种类及发展：陶瓷刀具最明显的发展线条是刀片的韧性依次增强：氧化铝陶瓷刀具—-复合氧化铝陶瓷刀具--氮化硅陶瓷刀具--立方氮化硼刀具。 在金属切削领域，氧化铝陶瓷刀具和氮化硅陶瓷刀具合称为陶瓷刀具；在无机非金属材料学中，立方氮化硼材料归于陶瓷材料大类，立方氮化硼材料刀具的问世，是陶瓷刀具的革命。我国河南超硬材料研究所作为国内最早研究聚晶立方氮化硼材料刀具的研究所之一，最近推出纯氮化硼烧结体陶瓷刀具，其韧性和耐磨性能显着增加。 二，陶瓷刀具的性能及其在金属切削中的应用 陶瓷刀具比硬质合金刀片相比，可承受2000℃的高温，而硬质合金在800℃时则变软；所以陶瓷刀具更具有高温化学稳定性，可高速切削，但其缺 点是氧化铝陶瓷刀具的强度和韧性很低，容易破碎。因陶瓷刀具耐高温，对高温高速切削更有利，由于陶瓷热导率低，高温只在刀尖，高速切削所产生的热量都随切屑带走，所以大部分研究者认为：氧化铝陶瓷刀具能够，且最好高于硬质合 金切削的10倍线速度下进行切削，才能真正体现陶瓷刀具的优点。 为了减低陶瓷刀具对破碎的敏感性，在企图改善其韧性、提高耐冲击性能时，加入了氧化锆或加入碳化钛与氮化钛的混合物。尽管加入了这些添加剂，但是陶瓷刀具的韧性比硬质合金刀片还是低得多。 另一个提高氧化铝陶瓷刀具韧性的方法是在材料中加入结晶纹理或碳化硅晶须，通过这些特殊的平均起来仅有1纳米直径，20微米长很结实的晶须，相 当程度地增加了陶瓷的韧性、强度和抗热冲击性能。单受其抗冲击韧性限制，一直精车加工领域中使用。 和氧化铝陶瓷刀具一样，氮化硅陶瓷刀具比硬质合金刀片有更高的热硬性。它耐高温与机械冲击的性能也比较好，与氧化铝陶瓷刀具相比它的缺点是在加工
陶瓷刀具在机械加工中的应用 导读：陶瓷作为继高速钢，硬质合金，涂层硬质合金刀具之后的一种高硬度刀具材料；陶瓷刀具的材料已有氧化铝—金属系陶瓷、氧化铝—碳化物陶瓷、氧化铝—碳化物金属陶瓷、氧化铝—氮化物金属陶瓷及最新研究成功的氮化硼陶瓷（即CBN刀具）。正如，华菱超硬材料工程师所言，从材料学角度讲，陶瓷刀片包含超硬刀具中的立方氮化硼刀片，从金属切削角度，立方氮化硼刀片性能又比传统陶瓷刀片性能高出一个数量级，和金刚石刀具统称为超硬刀具。毋庸置疑，随着数控机床加工及自动化生产线的普及，陶瓷刀片和涂层硬质合金刀片，超硬刀具（立方氮化硼和金刚石刀具）将成为以后刀具市场的主流。 国内外陶瓷刀具的发展 1，从陶瓷刀具的研发技术角度来讲：日本陶瓷刀片在产品种类、产量及质量上均具国际先进水平。美国在氧化物—碳化物—氮化物陶瓷刀具研制开发方面一直占世界领先地位。我国陶瓷刀具开发应用也取得了许多重大成果。我国从1953年开始研制和使用陶瓷刀具，南京电瓷厂与中科院冶金陶瓷研究所、一机部工具研究所、山东工业大学、上海硅酸盐研究所、清华大学等单位，先后研制出氧化铝陶瓷，氧化铝＋碳化物陶瓷和氮化硅基陶瓷，使陶瓷刀片的性能和质量均大大提高。 2，从陶瓷刀具的应用技术来讲：日本年产陶瓷刀片350万片，占可转位刀具刀片的9％，欧洲工业发达的国家，陶瓷刀片的生产量以每年20％的速度增长，尤其在汽车制造业中使用的比例最大，如联邦德国科隆福特汽车厂，在27万刀片中陶瓷刀片为9万多片，占34％。用于数控机床的刀具中，陶瓷刀片占40％左右。美国福特汽车公司陶瓷刀具使用量占到40％；苏联年产陶瓷刀片达50―60万片；在我国，陶瓷刀具目前主要应用于硬质合金刀具很难加工的领域，如石家庄水泵厂加工耐磨铸铁和硬镍铸铁，在车加工工序60％是陶瓷刀具，年消耗量1万片以上；成都量具刃具厂每年用陶瓷刀具来加100万支钻头毛坯外圆。据统计，全国每年生产陶瓷刀片几十万片以上。但是只有很少部分用于汽车和航天航空领域的高速切削中，这与我国机械制造领域的现状和工业母机现代化的普及率有关，不过，目前来看，氧化铝基刀具牌早已有20多个，氮化硅基已有10多个牌号，立方氮化硼刀具，以我国华菱超硬材料公司为例，立方氮化硼刀具有将近12个牌号，这些已经涵盖了普通钢、铸铁、淬硬钢、高锰钢、镍基高温合金、粉末冶金烧结件、玻璃钢和各种工程塑料等难加工材料。 陶瓷刀具的性能优势 硬质合金刀片的硬度在89~94HRA，相当于71~76HRC，对于HRC40以上的淬火钢加工时硬质合金刀片容易烧刀造成磨损块且加工效率低，陶瓷刀片由于脆性太大、容易崩刀，PCBN刀具的硬度一般为HV3000~5000，精HV硬度换算HRC相当于HRC95-100，对于HRC50以上高硬度淬火工件高速加工降低成本来讲最为经济划算。目前，PCBN刀具经黑色金属加工领域，是耐磨性最高的刀具材料，经过论证，立方氮化硼刀片的寿命一般是硬质合金刀片和陶瓷刀片的几倍到几十倍，而且随着研究的进步，PCBN刀具适应各种高硬度复杂材料的加工，华菱HLCBN新研制的PCBN刀具牌号BN-K10，可以加工HRC70以上硬度的碳化钨，在国内尚属首例；但同时，PCBN刀具相对于硬质合金材料刀片，其脆性大是不争的事实，针对立方氮化硼刀片硬而脆的弱点，华菱超硬HLCBN曾推出的适合断续切削和重载粗加工立方氮化硼刀片牌号，以华菱超硬BN-S20牌号数控刀片为例，它不仅可以断续切削淬硬钢，也可以大余量切除工件的淬硬层，但前提是并没有牺牲刀具的耐磨性，这是与市场上的PCBN刀具最大的不同。 随着各种新型的难加工材料在产品中大量应用，传统的硬质合金刀具已难以满足生产需要，而陶瓷刀具则以其优异的耐热性、耐磨性、良好的化学稳定性和高性价比而受到了人们的青睐。尤其是在高速切削领域和难加工材料方面，显示出了传统刀具无法比拟的优势。因此，“随着现代陶瓷刀具材料性能的不断改进，今后它将与涂层硬质合金刀具、金刚石和
机加工中刀具材料的应用及发展趋势 金属切削加工是现代机械制造工业中一种最基本的加工方法,在其过程中，刀具直接完成切削余量和形成已加工表面的任务，而刀具材料又是决定刀具切削性能的根本因素,它对加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度的影响极大。就拿切削速度来说,在最初使用碳素工具钢作为刀具材料时,切削速度只有每分钟10米左右；19世纪末20世纪初出现了高速钢刀具材料,切削速度提高到每分钟几十米;30年代出现了硬质合金,切削速度提高到每分钟100~５００米;20世纪中叶以后又出现了复合陶瓷、金刚石、CBN超硬刀具材料等,高速钢和硬质合金则发展了许多新品种。迄今，已使切削速度提高到每分钟一千米以上。历史事实表明，在切削加工的发展过程中,刀具材料始终是最积极的因素。同时,被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。因此,我们应当重视刀具材料的正确选择和合理使用,关注新型刀具材料的研制和发展趋势。1刀具材料应具备的性能性能优良的刀具材料,是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作,应具备如下的基本要求:一是高硬度和高耐磨性;二是足够的强度与冲击韧性;三是高耐热性、导热性和小的膨胀系数；四是良好的工艺性和经济性。2常用刀具材料常用刀具材料有工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、超硬刀具材料和陶瓷。碳素工具钢和合金工具钢因其耐热性很差，仅用于手工工具。陶瓷和超硬刀具材料则由于性质脆、工艺性差及价格昂贵等原因,目前尚在有限的范围内使用。当今,用得最多
的为高速钢和硬质合金, 几乎各占一半。2．１高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、铬、钒、钼等合金元素的高合金工具钢,有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单,容易刃磨成锋利的切削刃,锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中,仍占有主要地位。２.2硬质合金硬质合金是高强度难溶的金属化合物(主要是WＣ、TｉＣ等,又称高温碳化物）微米级的粉末,用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其中高温碳化物的含量超过高速钢,绝大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀、钻孔绞刀等均已采用其制造,切削速度可达到100~２00m/miｎ以上,是最主要的刀具材料之一。但因其工艺性较差,用于复杂刀具尚受到很大限制。3新型刀具材料3.1涂层刀具涂层刀具材料是近20年出现的一种新型刀具材料。它是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上,涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的，是刀具材料发展中的一项重要突破。涂层技术可提高刀具的耐磨性而不降低其韧性，较好的解决了刀具材料存在的强度和韧性之间的矛盾,是切削刀具发展的一次革命。从上世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛（TiC)后,到19８1年就把普通硬质合金刀具的切削速度从80m ／ｍin提高到３00ｍ/ｍin。在高速钢基体上刀具涂层多为TiN,常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆,相当于一般硬质合金的硬度,耐用度可提高2～5倍，切削速度可提高２０%~40％;在韧性较好的硬质合金基体上,涂层多为高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学
特种陶瓷的制备工艺综述及其发展前景 摘要：本文主要介绍了粉末陶瓷原料的制备技术、特种陶瓷成形工艺、烧结方法以及未来的发展趋势。目前，特种陶瓷中的粉末冶金陶瓷工艺已取得了很大进展，但仍有一些面临急需解决的问题。当前阻碍陶瓷材料进一步发展的关键之一是成形技术尚未完全突破。压力成形不能满足形状复杂性和密度均匀性的要求。多种胶体原位成形工艺，固体无模成形工艺以及气相成形工艺有望促使陶瓷成形工艺获得关键性突破。 关键词：特种陶瓷；成形；烧结；粉末冶金；陶瓷材料 引言 陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类，特种陶瓷是以人工化合物为原料（如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物及氟化物等）制成的陶瓷。它主要用于高温环境、机械、电子、宇航、医学工程等方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。特种陶瓷作为一种重要的结构材料，具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点，无论在传统工业领域，还是在新兴的高技术领域都有着广泛的应用。因此研究特种陶瓷制备技术至关重要。 1 陶瓷原料的制备方法 粉料的制备工艺(是机械研磨方法，还是化学方法)、粉料的性质(粒度大小、形态、尺寸分布、相结构)和成形工艺对烧结时微观结构的形成和发展有着巨大的影响，即陶瓷的最终微观组织结构不仅与烧结工艺有关，而且还受粉料性质的影响。由于陶瓷的材料零件制造工艺一体化的特点，使得显微组织结构的优劣不单单影响材料本身的性能，而且还直接影响着制品的性能。陶瓷材料本身具有硬、脆、难变形等特点。因此，陶瓷材料的制备工艺显得更加重要。 由于陶瓷材料是采用粉末烧结的方法制造的，而烧结过程主要是沿粉料表面或晶界的固相扩散物质的迁移过程。因此界面和表面的大小起着至关重要的作用。就是说，粉末的粒径是描述粉末品质的最重要的参数。因为粉末粒径越小，表面积越大，单位质量粉末的表面积(比表面积)越大，烧结时进行固相扩散物质迁移的界面就越多，即越容易致密化。制备现代陶瓷材料所用粉末都是亚微米(＜lμm)级超细粉末，且现在已发展到纳米级超细粉。粉末颗粒形状、尺寸分布及相结构对陶瓷的性能也有着显著
刀具材料的研究现状及展望 2012034110 李贺 【摘要】随着难加工材料的日益增多以及对加工效率的要求的提高，刀具的发展对提高生产效率和加工质量具有直接影响。本文以刀具材料为主线，介绍了高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料等刀具材料的性能以及现状。根据刀具材料的优缺点提出其适合的加工切削条件，同时在理论层面提出对未来发展的思考。 【关键词】高速钢；硬质合金；陶瓷；超硬材料；研究现状；展望 1 刀具失效形式和性能要求 刀具磨损是刀具的主要失效形式，常见的失效形式有：磨粒磨损、氧化磨损、粘结磨损、扩散磨损等正常磨损；卷刀、崩刃、崩碎、打刀等非正常磨损[1]。由此，刀具材料应具有良好的力学性能，另外还应具有良好的工艺性能以及可最大限度降低刀具成本的经济性[2]。 2 高速钢刀具材料 高速钢刀具材料可分为传统熔融高速钢、粉末冶金高速钢和少无莱氏体高速钢。但随着加工材料的发展，虽然其能满足通用工程材料切削加工的要求，但其性能已不够先进。 2.1 传统熔融高速钢 熔融高速钢刀具材料分为：普通高速钢；高性能高速钢。普通高速钢具有较好的塑性，常温硬度63～66HRC，而在高温下，硬度很差。高性能高速钢的硬度普遍比普通高速钢提高2～4 个HRC，高温硬度也较好，但是其抗弯强度、韧性较低[3]。 2.2 粉末冶金高速钢、少无莱氏体高速钢 粉末冶金高速钢及少无莱氏体高速钢解决了熔炼高速钢在冷凝过程中产生的粗大碳化物偏析及碳化物粗大问题。 少无莱氏体钢在热处理时需要进行渗碳处理提高表层的含碳量，以增加硬度，表层经淬火及回火后硬度可达66～67HRC 以上，成为超硬高速钢。少无莱氏体高速钢刀具有芯韧表硬的特点，具有好的综合性能[4]。 3 硬质合金刀具材料 硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物（称硬质相）和金属（称粘结相）。近年来随着材料技术的发展，将其分为P、M、K、H、S、N 六个系列[5]。P 类，主要用于切削钢材；K 类，主要用于切削铸铁；M 类，为普通型硬质 合金；H 类，主要用于切削高硬材料，如淬硬钢，冷硬铸铁等；S 类，用于切削耐热材料、高温合金等；N 类，用于切削有色金属[6]。 3.1 传统硬质合金刀具材料 分类：碳化钨基硬质合金、碳（氮）化钛基硬质合金。 性能：硬度为89.5～94HRA，具有较好的红硬性、耐磨性等综合性能，其适于加工未淬火的钢材。
氧化铝陶瓷切削刀具的介绍 2010/8/4/9:1来源：《磨料磨具》杂志 氧化铝（刚玉）在磨料和磨具上的应用已有很长的历史，国际每年使用数量也是很大的，如2008年据海关统计中国出口刚玉磨料和磨具82.0512万吨（约50440.4万美元），进口6.5555万吨（约5623.5万美元）。而氧化铝（刚玉）陶瓷刀具是其发展的精尖制品，是近代氧化铝陶瓷的典范，其附加值很高。Al2O3（刚玉）粉料4～5元／公斤，而氧化铝基刀具价达2000～3000元／公斤。2007年西方国家陶瓷刀具的销售额估计达45亿美元以上，而氧化铝基陶瓷刀具约占一半。其中以日本产量最大，其次为美国、德国、英国等，而俄罗斯也有一定规模的产量。但国内对这种原料资源广、价廉，能生产高附加值的工具却发展不大，可能与中国钨资源丰富而偏重钨基硬质合金刀具有关。 氧化铝原料对碳化钨和氮化物原料而言是最廉价的，而氧化铝刀具价高。氧化铝刀具的比重约为硬质合金（碳化钨基）的三分之一，以体积价格计算，氧化铝刀具比硬质合金刀具要便宜、这也是促使国际氧化铝刀具发展的因素之一。 一、氧化铝的性能 现代新陶瓷材料包含氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物，以及它们之间的复合化合物。从用途分有工程结构陶瓷、功能陶瓷、刀具陶瓷等。刀具陶瓷是用来车削或铣削加工金属及合金的工具。除碳化物以外作刀具陶瓷的即是氧化物、氮化物。在氧化物中最适合的就是氧化铝（刚玉－α-Al2O3）材料。 纯Al2O3在低温下存在十多种晶型，但主要的有三种：即α- Al2O3、β- Al2O3、γ- Al2O3，所有的晶型在温度超过1600℃以上，都会转变成高温稳定的α- Al2O3（刚玉），这个转变是不可逆的。一般Al2O3硬度是很低的，只有刚玉型α- Al2O3的硬度（莫氏硬度为9）才是很高的，刚玉才能作切削工具和耐磨件。 α-Al2O3属六方晶系，刚玉（单位晶胞是尖的菱面体）结构，a=4.76?，c=12.99?。密度3.96~4.01g/cm3，硬度（HV）3000kg／mm2，杨氏模量42kg／mm2，热导率0.07卡／（厘米·秒·℃），热膨胀系数8.5×10ˉ6℃。 氧化铝的化学稳定性是很强的，与很多材料的反应都很弱。 二、氧化铝陶瓷刀具 目前切削钢材、铸铁、合金钢材及不锈钢材等普遍采用碳化物基的硬质合金（WC －Co、WC－TiC－Co）。对于某些特殊材料也采用硬度最高的金刚石及立方氮化硼（CBN），但它们的强度比硬质合金较低，且金刚石工具不利于切削钢铁材料，因为碳质元素的金刚石易与铁元素反应生成碳化铁，而使金刚石损耗，但金刚石刀具对加工铝硅合金有独特的优点。而CBN对铁基等很多材料都不起反应，对加工冷硬铸铁、司太立合金、耐热镍基合金等具有较好的性能。 氧化铝与其他刀具材料不同的特性是：氧化铝化学性能稳定，抗氧化性特别好，它的切削刃即使处于红热状态下也能长时间切削，则氧化铝陶瓷刀具特别适于高速切削和加热切削。由于氧化铝对大部份金属的润湿性差，所以很难与金属粘结（如与钢的粘结温度：氧化铝为1528℃以上、碳化钨为1316℃），在切削时表现为摩擦系数低、切削力小、不易产生积屑瘤和粘结磨损，因此加工件容易得到很高的光洁面。氧化铝是所有刀具材料中最不活泼的，则在切削时可减少刀具的扩散磨损，Al2O3在铁中的溶解率，比WC要低4～5倍，因而氧化铝陶瓷刀具切削钢材时的磨损率，比WC基硬质合金刀具可小一个数量级至几十倍。利用氧化铝陶瓷刀具高耐磨性和适于高速切削的特点可加工大件，如加工长度7320mm，炮口直径155mm，尾端直径310mm的钢炮管。氧化铝适合加工大多数金属材料，尤其适合切
高速加工技术论文 氧化铝陶瓷刀具的研究与应用 院系：燕山大学机械工程学院 班级：11硕研机制系 组长：明 组员： 指导老师： 时间：2011年12月01日
氧化铝陶瓷刀具的研究与应用 摘要:作为先进制造技术,高速切削技术能大幅度地提高加工品质和加工效率,并能降低加工成本。高速切削已经成为切削加工的主要发展方向。为真正实现切削加工的高速化，不仅要研究开发与高速切削相适应的材料，还要不断改进刀具结构，并对刀具的动平衡和可靠性进行分析。目前，国际上现已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基(Al2O3) 和氮化硅基( Si3N4) 两大系列。陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温性能，与金属的亲合力小，并且化学稳定性好。因此，陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现以车代磨。 关键词：高速加工、氧化铝陶瓷刀具、高硬度、高耐磨性、抗高温 1、陶瓷刀具的材料及选择 陶瓷材料比硬质合金更适合于高速切削，陶瓷材料与金属亲合力小，热扩散磨损就很小。另外，陶瓷的高温硬度优于硬质合金，在1200 ℃~1400℃时仍能达到HRA80，相当于硬质合金400℃以下的硬度。 氧化铝陶瓷硬度高、耐磨性好，但韧性不足，抗热振能力差，易于发生刃口早期破损。通过加入ZrO2形成的相变增韧复合陶瓷Al2O3一ZrO2，和由具有高横向断裂强度的SiC晶须组成的晶须强化陶瓷Al2O3一SiC以及Al2O3一SiC+金属等Al2O3基陶瓷断裂韧性和强度有较大的提高，强了耐冲击和断续切削的能力，如Al2O3一ZrO2，能以1000m/mi的切削速度铣削硬度小于HRC38的钢件和HB300的铸铁件。 氮化硅(Si3N4)陶瓷具有较高的强度、韧性和抗热振能力，刀具耐用度显著提高，尤其提高了断续切削的可靠性。通过在Si3N4基体添加YO、Al2O3和TiC(N)等形成的氮化硅系陶瓷，具有良好的烧结工艺性并能保持优良的切削性能。近期开发的XE10是一种高强韧性的纤维状的高纯度高密度Si3N4陶瓷, 断裂韧性达7.0MPa2M1\2，热传导率比其它陶瓷高,2倍，抗热冲击性强，在铸铁的有冷却液高速断续切削中获得较高的刀具寿命。 2、陶瓷刀具的结构设计 2.1、合理的刀具几何参数 刀具合理的几何参数是指粗加工或半精加工时能保证刀具具有较高的生产率和刀具耐用度，精加工时在具有较高的刀具耐用度的基础上保证加工出符合预定尺寸精度和表面质量的工件的刀具几何参数。目前陶瓷刀具的一些新品种在强度和韧性方面有了较大的提高，但毕竟是脆性材料，抗弯强度较低而抗压强度高。为了充分发挥它的长处，应尽力使陶瓷刀具切削时工作在压应力区，并尽量减少振动，利于提高工艺系统的刚性，从实验得知：当前角 取- 6°~ - 8°，后角α0取5°~ l2°，主偏角K r取45°，刃倾角λs取0 ~ - l0°，圆角半径γε取0. 6 ~ 0. 9mm，b r取0. 4 ~ 0. 6mm时，陶瓷刀具的切削性能较为理想。 2.2、合理的切削用量
第18卷 第3期2011年6月 金属功能材料M etallic Functional M aterials Vol .18, No .3 June , 2011 硬质合金刀具材料发展现状与趋势 陶国林 1,2 ,蒋显全2,黄 靖 3 (1.重庆工商大学,重庆400067;2.重庆市科学技术研究院 新材料研究中心,重庆400020; 3.重庆机械电子技师学院,重庆400030) 摘 要:回顾了各种硬质合金刀具材料的基本性能和发展现状,并对各种刀具材料技术的研究成果及发展趋势进行了探讨,同时提出了今后的发展方向。关键词:硬质合金;刀具材料;涂层 中图分类号:T G135.5 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2011)03-0079-05 Research Status and Developing Trend of Cemented Carbide Tool TA O G uo -lin 1,2,JIA NG Xian -quan 2,H U A NG Jing 3 (1.Chongqing Technolo gy and Business U niv ersity ,Chongqing 400067,China ;2.Cho ng qing A cademy o f Science and T echno lo gy ,Chongqing 400020,China ;3.Chongqing M echanical Elec trical A rtificer Co llege ,Cho ng qing 400030,China ) Abstract :Co nventio na l pe rfor mances and resea rch status o f many kinds of cemented car bide cutting too l material are rev iewed ,and the resea rch achievement o f cemented ca rbide too ls in recent year s are discussed ;M eanw hile ,develop -ment trend in the future is put fo rw ard . Key words :ceme nted ca rbide ;cutting to ol ma te rial ;coa ting 作者简介:陶国林(1975-),男,四川德阳人,硕士,助理研究员,主要从事碳化钨硬质合金方面的研究。 随着加工业的发展,难加工材料的使用日益增多,对加工效率的要求也不断提高。刀具的发展对 提高生产效率和加工质量具有直接影响。材料成分和结构以及几何形状是决定刀具性能的3要素,其中刀具材料的性能起着关键性作用。目前虽然可供使用的品种很多,新型的刀具材料也不断出现,但硬质合金是最受欢迎的一种刀具材料[1]。 硬质合金是由高硬度、难熔的金属碳化物(WC 、TiC 等)微米级粉末采用Co 、Mo 、Ni 等作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品,。其高温碳化物含量超过高速钢,允许的切削温度高达800～1000℃,常温硬度达89～93H RA ;在540℃时为82～87H RA ,与高速钢常温时硬度(83～86H RA )相同;760℃时硬度达77～85H RA ,并具有化学稳定性好、耐热性高等优点。硬质合金刀具切削速度可达 100～300m /min ,远远超过高速钢,寿命是高速钢的几倍到几十倍[2] 。发达国家90%以上的车刀和 55%以上的铣刀都采用硬质合金材料制造,目前使用比重仍在增加[3]。另外,硬质合金也用来制造钻头、铣刀、齿轮刀具、铰刀等复杂刀具,硬质合金以其优良的性能正在更多的场合替代其他的刀具材料,现在已成为主要的刀具材料之一。 目前世界上硬质合金刀具已占刀具主导地位,占比达70%;金刚石、立方氮化硼等超硬刀具占比约为3%左右;而高速钢刀具正以每年1%～2%速度缩减,目前所占比例已降至30%以下。我国目前年产硬质合金1.6万t ,占全球总产量40%左右。但硬质合金制品附加值最高的切削刀片产量只有 3000余t ,只占20%[4,5] 。 从经济效益方面比较,我国刀具年销售额为
特种陶瓷概述 10机电一体化3班xxx 指导老师xxx 摘要：本文回顾了陶瓷材料的发展历史，着重评述了特种陶瓷如工程结构陶瓷、生物陶瓷、功能陶瓷等的发展现状，并展望了特种陶瓷的未来发展。 关键词：特种陶瓷、分类、应用、发展及其新动向 1 前言 信息技术、能源和材料是现代文明的三大支柱，材料是人类生产活动和生活必须的物资基础。从现代科学技术发展史可以看到，每一项重大的新技术发现，往往都有赖于新材料的发展。随着能源开发、空间技术、激光技术、传感技术等新技术的出现，现有的一般用途的材料已难以满足要求，开发和有效利用高性能材料和功能材料开始引人瞩目。陶瓷材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨等特点，因而成为新材料的发展中心。 2 特种陶瓷的定义及分类 特种陶瓷(special ceramics)又叫精细陶瓷(fine ceramics)、先进陶瓷(advanced ceramics)、高技术陶瓷(high-technology ceramics)、或高性能陶瓷(high-performance ceramics)。一般认为，特种陶瓷是“采用高精度的原材料，具有精确控制的化学组成、按照便于控制的制作技术加工的、便于进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷”。它的出现与现代工业忽然高技术密切相关。近20年来，由于冶金、汽车、能源、生物、航天、通信等领域的发展对新材料的需要陶瓷材料在国内外已经逐步形成了一个新兴的产业。而特种陶瓷在许多方面都突破了传统陶瓷的概念和范畴，是陶瓷发展史上的一次革命性的变化。 特种陶瓷按照显微结构和基本性能，可分为结构陶瓷、功能陶瓷、智能陶瓷、纳米陶瓷和陶瓷基复合材料。 结构陶瓷：用于高压高温、抗辐射、抗冲击、耐腐蚀、耐磨等环境下的陶瓷材料，可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷等。 功能陶瓷：具有接受特殊敏感功能的陶瓷制品，可分为电功能陶瓷、磁功能陶瓷、光功能陶瓷、生物功能陶瓷。 智能陶瓷：能够接受外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型陶瓷材料，主要有压电陶瓷、形状记忆陶瓷和电流陶瓷。 纳米陶瓷：晶粒或颗粒处于纳米范围(1-100nm)的陶瓷，包括纳米陶瓷粉体、纳米陶瓷纤维、纳米陶瓷薄膜、纳米陶瓷块体。 陶瓷基复合材料：由陶瓷基体和增强体所组成的复合材料，其性能比单一材料的性能优越。初具有陶瓷的高强度、高硬度，良好的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等特点外，还使陶瓷的韧性大大提高，强度和模量也有一定提高。主要有纤维增强、晶须增强、颗粒增强陶瓷基复合材料。 根据陶瓷的性能，吧它们分为高强度陶瓷、高温陶瓷、高韧性陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、电解质陶瓷、半导体陶瓷、电介质陶瓷、光学陶瓷（既透明陶瓷）、磁性瓷、耐酸陶瓷和死亡陶瓷。 按照化学组成划分有： 1、氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化铍、氧化锌、氧化钇、二氧化钛、
陶瓷刀具的种类 氧化铝（Al2O3）基陶瓷纯氧化铝陶瓷 其中Al2O3的成份占99.9%以上，多呈白色，俗称白陶瓷。中国成都工具研究所生产的P1牌号属于这一类。它的耐磨性好，用于切削灰铸铁有较好效果，也可切削普通碳钢。但因其强度低，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。 氧化铝—碳化物系复合陶瓷 它是在Al2O3基体中加入TiC、WC、MO2C、TaC、NbC、Cr3C2等成份经热压烧结而成，使用最多的是Al2O3-TiC复合陶瓷。随着TiC含量(30%~50%)的不同，其切削性能也有差异。这类陶瓷主要用于切削淬硬钢和各种耐磨铸铁。中国生产的牌号有M16、SG3、SG4和AG2等，后两种牌号还含有WC的成份。 氧化铝—碳化钛—金属系复合陶瓷 在Al2O3-TiC陶瓷中加入少量的粘结金属，如Ni和Mo等，可提高Al2O3 与TiC的连结强度，提高其使用性能，故可用于粗加工。这类陶瓷又称金属陶瓷。中国生产的牌号有AT6、LT35、LT55、M4、M5、M6、LD-1等。用其切削调质合金钢时切削速度可达一般硬质合金刀具的1~3倍，刀具寿命为硬质合金刀具的6~10倍。由于含有金属成份，所以能用电加工切割成任何形状。同时，用金刚石砂轮刃磨时，能获得较好的表面质量。LD-1是在Al2O3-TiC系陶瓷的基础上，通过添加少量的特殊微粉，利用多种增韧机制的协同作用而使断裂韧度有较大提高(可达6.0~6.6 MPa·m1/2，普通热压Al2O3-TiC陶瓷断裂韧度为4 MPa·m1/2)，用其端铣淬硬钢时刀片抗破损性能比同类LT55牌号高出30%~110%。 Al2O3-SiC晶须增韧陶瓷 在Al2O3陶瓷基体中添加20%~30%的SiCw晶须(是直径小于0.6μm，长度为10~80μm的单晶，具有一定的纤维结构，抗拉强度为7GPa，抗拉弹性模量超过700GP)而成。SiCw晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物，使其韧性大幅度提高，断裂韧度可达9MPa·m1/2，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。中国生产的JX-1、AW9、SG5及美国WG300、Kyon250与瑞典Sandvik公司CC670等牌号均属于这一类。 Al2O3/(W,Ti)C梯度功能陶瓷 通过控制陶瓷材料的组成分布以形成合理的梯度，从而使刀具内部产生有利的残余应力分布来抵消切削的外载应力，具有表层热导率高、有利切削热的传出、
《陶瓷工艺学》教学大纲
的物理化学变化。 本章难点：配方计算包括由化学组成计算配方，由实验公式计算配方，由矿物组成计算配方，由分子式计算配方，以及更换原料时的重配计算。可塑泥团的流变特性，陶瓷泥浆的流变特性及影响因素。矿物煅烧时的变化。 第三章釉层的工艺基础（6学时） 3.1 釉料的组成 3.1.1 釉的分类 3.1.2 确定釉料组成的依据 3.1.3 釉料配方的计算 3.2 釉层的形成 3.2.1 釉层形成过程的反应 3.2.2 釉料与坯体的作用 3.2.3 釉层的显微结构 3.3 釉层的性质 3.3.1 釉层的物理化学性质 3.3.2 坯-釉适应性 3.3.3 釉的析晶 本章重点：铅釉，石灰釉，长石釉的主要特性，釉料成分的种类，确定釉料组成的依据，釉料冷却过程的变化，釉的熔融温度范围，釉的粘度与表面张力，釉的化学稳定性，坯釉适应性，釉熔体的析晶过程，影响釉熔体析晶的因素，析晶对釉面光学性质的影响。 本章难点：釉料加热过程的变化，釉层中气泡的产生，釉料与坯体的作用，长石质透明釉，乳浊釉的显微结构，釉的热膨胀性，釉的弹性，釉的硬度，釉的介电性质。 第四章生产过程（16学时） 4.1 原料的处理 4.1.1 原料的精选 4.1.2 原料的预烧 4.1.3 原料的合成 4.2 坯料的制备 4.2.1 坯料的种类和质量要求 4.2.2 原料的细粉碎 4.2.3 泥浆的脱水 4.2.4 造粒及陈腐和真空处理 4.3 陶瓷成型方法与模具 4.4 生坯的干燥 4.4.1 干燥的工艺问题 4.4.2 干燥制度确定 4.4.3 干燥方法 4.5 施釉 4.5.1 釉浆的制备 4.5.2 施釉 4.6 烧成 4.6.1 烧成制度的制订 4.6.2 低温烧成与快速烧成 4.6.3 烧成新方法
日用陶瓷材料的应用与发展 法学092 刘婷09437105 陶瓷材料是人类应用时间最早，并且应用领域最广的材料之一。它是一种天然或人工合成的粉状合成物，经过成型或高温烧结，由金属元素和非金属的无机化合物构成的固体材料。 陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、原料丰富、成本低廉等诸多优点。现在，最受关注的三大固体材料是金属材料、高分子材料，以及陶瓷材料。按照其用途的不同，通常可将陶瓷材料分为工业、艺术和日用陶瓷三大类。其中工业陶瓷是指应用于各种工业的陶瓷制品，包括建筑陶瓷、化工陶瓷、电子陶瓷和特种陶瓷几大类；艺术陶瓷主要指花瓶、雕塑等以陈列欣赏和美化环境为主要作用的陶瓷；而日用陶瓷主要是指如餐具、茶具、洁具等日常生活中应用的陶瓷制品。本文主要研究日用陶瓷的应用形式及其发展趋势。 陶瓷材料与其他材料 相对而言，金属材料具有良好的延展性和可塑性，具有良好的热传导性，可是其耐温性和耐腐蚀性较差。高分子材料具有耐腐蚀性和可加工性，色彩丰富，但是其机械强度，耐高温性和耐磨性较差。陶瓷具有高硬度、耐磨、耐酸、耐碱、耐热、耐冷等优越的性能，肌理富于变化，色彩丰富而且不褪色，造型可塑性强，在丰富人们的物质和精神生活，美化环境，以及提升生活品质等方面可达到作用，是其他材料不可替代的。陶瓷致命的缺点在于高脆性和韧性差，这是材料结构所决定的。在室温下，陶瓷材料分子结构几乎不会产生滑移和位错运动，材料处于受力状态时无法通过塑性变形来松弛应力[2]。但是随着生产技术的发展和陶瓷新品种的开发，必然可在其原有基础上逐步改善其容易碎裂的不足，满足相应的产品设计要求。 现在，金属材料和高分子材料越来越多的应用于餐具，容器等日用产品，走
3．3 数控刀具材料及选用 先进的加工设备与高性能的数控刀具相配合，才能充分发挥其应有的效能，取得良好的经济效益。随着刀具材料迅速发展，各种新型刀具材料，其物理、力学性能和切削加工性能都有了很大的提高，应用范围也不断扩大。 3．3．1刀具材料应具备基本性能 刀具材料的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用。因此，刀具材料应具备如下一些基本性能：(1)硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。 (2)强度和韧性。刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动,防止刀具脆性断裂和崩刃。 (3)耐热性。刀具材料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。 (4)工艺性能和经济性。刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能；磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。 3．3．2刀具材料的种类、性能、特点、应用 1．金刚石刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用
金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具品种。可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具是现代数控加工中不可缺少的重要工具。 ⑴金刚石刀具的种类 ①天然金刚石刀具：天然金刚石作为切削刀具已有上百年的历史了，天然单晶金刚石刀具经过精细研磨，刃口能磨得极其锋利，刃口半径可达0.002μm，能实现超薄切削，可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度，是公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。 ②PCD金刚石刀具：天然金刚石价格昂贵，金刚石广泛应用于切削加工的还是聚晶金刚石(PCD)，自20世纪70年代初，采用高温高压合成技术制备的聚晶金刚石(Polycrystauine diamond，简称PCD刀片研制成功以后，在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石所代替。PCD原料来源丰富，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一。 PCD刀具无法磨出极其锋利的刃口，加工的工件表面质量也不如天然金刚石，现在工业中还不能方便地制造带有断屑槽的PCD刀片。因此，PCD只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。 ③CVD金刚石刀具：自从20世纪70年代末至80年代初，CVD金刚石技术在日本出现。CVD金刚石是指用化学气相沉积法(CVD)在异质基体(如硬质合金、陶瓷等)上合成金刚石膜，CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构和特性。 CVD金刚石的性能与天然金刚石相比十分接近，兼有天然单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点，在一定程度上又克服了它们的不足。 ⑵金刚石刀具的性能特点： ①极高的硬度和耐磨性：天然金刚石是自然界已经发现的最硬的物质。金刚石具有极高的耐磨性，加工高硬度材料时，金刚石刀具的寿命为硬质合金刀具的lO～100倍，甚至高达几百倍。 ②具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其他刀具都低，摩擦系数低，加工时变形小，可减小切削力。 ③切削刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具可高达0.002～0.008μm，能进行超薄切削和超精密加工。 ④具有很高的导热性能：金刚石的导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，刀具切削部分温度低。 ⑤具有较低的热膨胀系数：金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，由切削热引起的