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1、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45元公斤，而氧化铝基刀具价达20003000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
2、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-Al2O3
3、）材料。 纯Al2O3在低温下存在十多种晶型，但主要的有三种：即- Al2O3、- Al2O3、- Al2O3，所有的晶型在温度超过1600以上，都会转变成高温稳定的- 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- 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。 -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3.964.01g/cm3，硬度（HV）3000kgmm2，杨氏模量42kgmm2，热导率0.07卡（厘米秒），热膨胀系数8.5106。 氧化铝的化学稳定性是很强的，与很多材料的反应
4、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（WCCo、WCTiCCo）。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
5、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45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，尤其适合切削冷硬铸铁或淬硬钢，对这些
6、材料采用精车代磨可取得明显的技术经济效益。在高温下氧化铝保持高硬度，其切削速度可达1300米/分。 目前氧化铝刀具主要用于半精加工和精切削，精切削其精度和光洁度适合硬材料的以车代磨，而提高加工效率数倍，加工成本可降低一半以上，所以氧化铝刀具是很受人欢迎的。在德国汽车上很多部件都是氧化铝陶瓷刀具以车代磨精加工完成的。 切削加工时，陶瓷刀具可承受2000的高温，而硬质合金在800时则变软。硬质合金在太高的切削速度时，产生过热的温度，月牙磨损严重导致刀具损坏。陶瓷刀片耐高温，对高温切削更有利，因为金属工件在高温时趋于软化和塑性化，易切削且能量低。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
7、随切屑带走。众多研究者认为：氧化铝陶瓷刀片能够，且必须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片的优点。 三、氧化铝陶瓷刀具的生产 在切削刀具的发展中，虽然早已出现有氧化铝陶瓷刀具，但由于生产工艺落后使制品性能较差，限制了其发展。随着近代科技的发展，采用高效球磨、搅拌球磨新技术能使Al2O3的粒度粉碎到0.2m以下。新的热压和热等静压烧结工艺，可以使氧化铝刀具制品的孔隙度为00.3，晶粒最细可达0.6m以下。氧化铝陶瓷刀具的机械强度差和韧性低，但ZrO2增韧的氧化铝陶瓷和氧化铝复合陶瓷已能满足工具要求。这些新技术使老的氧化铝陶瓷进入了现代陶瓷行列。 氧化铝在烧结（1600）
8、中转变为刚玉晶型，所以切削陶瓷的烧结温度皆在1600以上。氧化铝刀具的烧结新工艺有： 、热压烧结（HP）加或不加烧结助剂，热压温度较低，温度一般在16501700之间，压力约20MPa。料装入石墨模具中，同时加压和加热进行烧结成型，制品性能高。 、热等静压（HIP）冷压成形后外加包皮或冷压烧结到制品无连通孔后在高温和高压氩（氮）气中进行烧结，温度一般在16501700之间，压力约200MPa。但成本较高。 、冷压烧结（CP）料必须加入烧结助剂，室温下模压成坯，压坯在真空下或常压气氛下进行烧结，温度一般须在1800以上。制品孔隙较高、晶粒粗、以及烧结助剂的不利影响，使刀具的性能降低。 、放电等离
9、子烧结（SPS）是利用脉冲加热使粉末体内部自身发热而进行的，使粉末脉冲放电活化烧结。放电等离子烧结，是基于热压的最先进工艺，最新报导可以生产纳米级（0.3m以下）的氧化铝陶瓷刀具。 各种烧结工艺的制品综合性能（高低）：SPSHIPHPCP烧结。HP由于制品性能优异，且成本不太高，是氧化铝新刀具的首选工艺。所以国际所有氧化铝基陶瓷刀具大部份都是热压烧结（HP）生产的。 陶瓷材料一般是很脆的，ZrO2相变增韧的应用，使陶瓷材料的性能出现革命性的变化。纯Al2O3中加入ZrO2增韧的热压陶瓷材料，是保持纯氧化铝特性及性能最好陶瓷。ZrO2增韧纯Al2O3陶瓷已是工业应用最有效的典范。 ZrO2的增韧
10、，无论是纯Al2O3陶瓷或Al2O3碳（氮）化物复合陶瓷。都能有效地提高其力学性能。如抗弯强度（MPa102）：无ZrO2时为6.0，含ZrO20.3（体积）时为9.0。断裂韧性（MPam12）：无ZrO2时为5.0，含ZrO20.42（体积）时为8.0。 ZrO2的相变增韧是基于ZrO2有三种晶型：低温为单斜晶系，密度5.65gcm3。高温为四方晶系，密度6.10gcm3。更高温度（2371）下转变为立方晶系，密度6.27gcm3，ZrO2的所有晶型转变都是自动可逆的。室温到1170稳定的单斜晶型（m-ZrO2），加热到11701900转变成稳定的四方晶型（t-ZrO2）。m-ZrO2晶型与
11、 t-ZrO2晶型的转变，伴随着79 %的体积变化。在烧结冷却时，陶瓷基体中弥散的粒子t-ZrO2向m-ZrO2转变的趋势对材料起增韧作用，其增韧机制有： 、应力诱发相变增韧。当周围基体对t-ZrO2向m-ZrO2转变的体积膨胀和形状改变的弹性约束作用有很大的力度时，四方晶型可以在室温下以亚稳态保存下来，不发生相变。当受外力作用时，部分解除了基体的约束力，转变才可以进行。这时的转变称为应力诱发相变。相变所做的功及吸收的能量，提高了断裂能以达到增强、韧化陶瓷材料的目的。 、微裂纹增韧。t-ZrO2向m-ZrO2转变时的体积变化，在转变粒子周围形成许多小于临界尺寸的微裂纹。这些微裂纹在负载作用下是
12、非扩展性的，因此并不降低材料强度。当大的裂纹在负载作用下扩展遇到这些裂纹时，将诱发新的相变，并使扩展裂纹转向而吸收能量，起到提高值的作用。这种韧化叫微裂纹增韧机制。 、表面强化、韧化。由于表面不存在基体的约束，则t-ZrO2向m-ZrO2转变容易进行。而内部的四方晶由于受到基体的约束而保持亚稳状态。表面由于晶型转变产生的体积膨胀，而使表面形成压应力，因而使表面强化。（王零森特种陶瓷中南大学出版社） 近代纤维技求已达一定水平，纤维增强（即陶瓷复合材料）也是韧化陶瓷极为有效的方法。如采用SiC晶须增韧Al2O3刀具，是刀具强度提高的又一种新方法。 利用电子显微镜观察刀具材料内部结构，使近代陶瓷的成
13、份组合达到科学的理想水平。 以上这些都造就了近代氧化铝高性能陶瓷的形成。 四、氧化铝与其相辅材料的性能 复合氧化铝陶瓷要优于纯氧化铝陶瓷的性能。与氧化铝陶瓷刀具相配合的一些陶瓷材料的性能见表1 五、氧化铝刀具的类型 从成分和结构上，刀具用陶瓷可以分为以下类别： 纯氧化铝陶瓷加入助烧剂无压烧结。氧化铝是很难烧结的，为了改善烧结性，降低烧结温度和提高制品密度，加入添加剂。添加剂有二类：一类与Al2O3形成固溶体的添加剂，如Cr2O3、TiO2、MgO2等。另一类生成液相的添加剂，如高岭土、SiO2、CaO、MgO等，无压烧结陶瓷由于切削时崩刃，故这种工艺已很少应用。 氧化铝碳化物（TiC、TiN
14、、WC、Mo2C，Cr3C2等）复合陶瓷。如氧化铝与碳（氮）化物的陶瓷，是在Al2O3 中加入1230wt的TiC或含少量的其他物，或加入30wt%（TiN、TiC）、或（TiC、N），这类陶瓷比纯Al2O3陶瓷具有更高的硬度和强度。为了致密和细晶粒，这类Al2O3基刀具都采用热压工艺。 氧化铝碳化物金属系陶瓷。如Al2O330TiC1Co，金属提高了材质的强度。 Al2O3SiC晶须增韧陶瓷。它是在Al2O3陶瓷中添加2030的SiC晶须（直径小于0.5m，长度为1080m的单晶，其抗拉强度为7GPa，弹性模量超过700GPa），使Al2O3陶瓷韧性大幅度提高，断裂韧性可达9.0MPam1/
15、2。适用断续切削及粗车、铣削和钻孔等方式加工淬硬钢、高硬铸铁、镍基合金等。美国、瑞典等均有上市牌号。 氧化铝陶瓷切削刀具与其他刀具的性能比较见表2 各种陶瓷刀具性能的比较见表3。 从表3可知：氧化铝、复合氧化铝、氮化硅三种陶瓷中，氮化硅基陶瓷有很高的耐热冲击性，是其良好的导热性和低的膨胀系数所引起的，这两个因素可降低刀片较热和较冷部分之间产生的应力，因此氮化硅基陶瓷具有很好的刃口强度。但氮化硅基陶瓷工具的热稳定性和耐磨性则略低于氧化铝陶瓷。在获得的陶瓷中，氮化硅基陶瓷是韧性最高的一种，其高断裂韧性使其能粗加工而不易产生严重损坏，使其可能比氧化铝陶瓷能达到更高的短时加工速度。但复合氧化铝陶瓷比氮化硅陶瓷具有较高的强度和杨氏模量，且室温硬度高，
