陶瓷材料在切削加工领域的蓬勃发展

陶瓷材料具有很高的硬度、耐磨性和红硬性，与钢的亲和力小，化学稳定性好，当切削温度高于800℃时，传统刀具刀刃的强度和硬度大幅下降，磨损加剧。陶瓷材料1200℃仍能正常切削，因此在高速高温干切削上占有很大优势，广泛应用于高锰钢、高铬、镍、钼合金钢、冷硬铸铁、各类淬硬钢（HRC50以上）、各类铸铁等，并已在汽车齿轮、飞轮、轴、轴承等、轧辊、模具、缸套等零部件加工中广泛使用，解决了各行各业中高硬度难加工材料的切削加工，提高工作效率。

图1 陶瓷刀具via网络

1.陶瓷刀具的优势

陶瓷材料在机械加工中的优越性有：可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料；不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3~10倍。

2.陶瓷刀具的发展历程

早在20世纪30年代，工业强国德国和英国就着手研究陶瓷刀具，用以取代碳素工具钢，但由于脆性较大，应用受到限制。近几十年通过复合及增韧手段，使其性能满足使用要求，陶瓷刀具才被人们广泛使用。

表1 陶瓷刀具成分的发展

硬度高的材料韧性往往低，因此高强度、高韧性的陶瓷材料成为了陶瓷刀具的研发热点。超细晶材料具有双高特征，因而超细晶、纳米复合、纳米改性陶瓷是未来陶瓷刀具的发展方向。通过材料组分设计、制备工艺的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性和红硬性的同时，提高陶瓷材料的韧性、抗弯强度和抗冲击性。新型刀具的出现，有力促进了机床及高速切削技术的发展，它又反过来推动新型刀具材料的使用。

3.国内外陶瓷刀具技术发展水平

上世纪 90 年代，国外就有陶瓷专利出现，并开始有陶瓷刀具产品。随着材料科学与制造技术的进步，通过添加助烧剂、采用热压烧结或热等静压等烧结方式、添加晶须或其他增韧方式，使陶瓷刀具断裂韧性、抗弯强度大幅提升。氮化硅陶瓷和sialon陶瓷的出现丰富了陶瓷刀具种类，极大地扩大了陶瓷刀具的应用领域。

国外切削刀具的知名厂家都有自己的陶瓷牌号，如美国Kennametal、瑞典Sandvik、日本Kyocera等。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，日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～10%。美国在氧化物、碳化物、氮化物陶瓷刀具研制开发与应用方面一直占世界领先地位。

中国陶瓷刀具开发应用也取得许多重大成果。多年来中国材料研究工作者，在先进结构陶瓷方面做了大量工作，在基础理论研究、应用研究以及新材料、新产品开发等多方面都取得显著的成果。开发出耐磨耐腐蚀零部件用陶瓷、陶瓷热交换器、电光源透明陶瓷、陶瓷切削刀具、蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、多孔陶瓷等多种陶瓷产品。在陶瓷刀具方面，不少单位都开展了新型陶瓷刀具的研究，取得显著的效果。中国科学院院士、北京科技大学葛昌纯教授认为，第三次工具革命即将兴起，而在此次革命中，陶瓷材料的应用和开发将是重点。在先进陶瓷研究中，葛院士提出复合氮化物作为氮化硅的新型烧结助剂，提高了材料的高温性能，并以此研制成功高性能的陶瓷刀具。