中國粉體網(wǎng)訊  陶瓷刀具的品種和牌號有很多，按其主要成分大致分為氧化鋁基和氮化硅基兩大類。大約在1911年～1913年，德國和英國最早采用Al₂O₃基陶瓷作為切削刀具，幾經(jīng)改進(jìn)和提高，現(xiàn)已開發(fā)出多種性能優(yōu)良的Al₂O₃基陶瓷刀具。目前世界上生產(chǎn)的陶瓷刀具大多屬于氧化鋁基陶瓷刀具。

Al₂O₃陶瓷以其高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨、抗氧化及抗熱震等優(yōu)異性能，在機(jī)械、電子、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。純Al₂O₃陶瓷的高溫性能好，但韌性不足，抗沖擊能力差，切削時(shí)易發(fā)生輕微崩刃，通過在Al₂O₃基體中添加增韌材料，可明顯改善這一現(xiàn)象。

氧化鋁陶瓷刀具的發(fā)展概覽

（1）純Al₂O₃陶瓷刀具

這是第一代陶瓷刀具，材料中的Al₂O₃的含量占99%以上，通過添加微量助燒劑（如MgO、NiO、Cr₂O₃、TiO₂等)，經(jīng)壓燒結(jié)而成。純Al₂O₃陶瓷抗彎強(qiáng)度較低，抗沖擊能力差，切削刃容易微崩，但高溫性能很好，適用于小進(jìn)給量半精加工鑄鐵和鋼材。由于其抗彎強(qiáng)度低，目前使用已較少。

（2）Al₂O₃-碳化物陶瓷刀具

在Al₂O₃中添加一定的碳化物可以提高陶瓷的強(qiáng)度和抗沖擊性；其中以添加TiC的Al₂O₃陶瓷應(yīng)用最多，其添加TiC的比例為30%-60%(有的為5%-10%)，通過熱壓燒結(jié)而成。適于高速粗、精加工耐磨鑄鐵、淬硬鋼及高強(qiáng)度鋼等難加工材料。與純Al₂O₃陶瓷相比，Al₂O₃-TiC陶瓷的抗彎強(qiáng)度無論在常溫還是高溫下，都高于純Al₂O₃陶瓷。

（3）Al₂O₃-碳化物-金屬陶瓷刀具

這類陶瓷是在Al₂O₃中除添加碳化物外，還添加少量粘結(jié)金屬（Ni、Mo、Co、W等），熱壓燒結(jié)而成（亦稱金屬陶瓷）。由于加了金屬，提高了Al₂O₃與碳化物的連結(jié)強(qiáng)度，改善了使用性能，適于加工淬火鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鎳基和鈷基合金以及非金屬材料。

（4）添加氮化物的Al₂O₃陶瓷刀具

在Al₂O₃中添加氮化物的Al₂O₃-氮化物組合陶瓷刀具，具有較好的抗熱震性，其基本性能和加工范圍與Al2O3-碳化物-金屬陶瓷刀具相當(dāng)，更適于間斷切削，但其抗彎強(qiáng)度和硬度比Al₂O₃-TiC-金屬陶瓷刀具低，有待進(jìn)一步研究改善。

（5）添加硼化物的Al₂O₃陶瓷刀具

在Al₂O₃中添加TiB₂作為粘結(jié)劑制成的陶瓷刀具，由于其組織成分為細(xì)晶粒的Al₂O₃及連續(xù)的TiB₂粘結(jié)相，保持了硼化物的“三維連續(xù)性”，因此具有極好的耐沖擊性和耐磨性。

（6）增韌的Al₂O₃陶瓷刀具

增韌的Al₂O₃陶瓷是指在Al₂O₃基體中添加增韌或增強(qiáng)材料。目前常用的增韌方法主要有：ZrO₂相變增韌、晶須增韌及第二相顆粒彌散增韌等。ZrO₂相變時(shí)會伴隨體積變化，通過相變增韌機(jī)制提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性，是一種有效的強(qiáng)韌化方法。晶須增韌是利用晶須的加強(qiáng)棒作用，常用的晶須有TiC晶須和Si₃N₄晶須。第二相顆粒彌散增韌是利用彌散第二相顆粒來阻礙位錯(cuò)的滑移和攀移，阻止裂紋擴(kuò)展，達(dá)到增韌目的。

（7）石墨烯增韌氧化鋁基陶瓷刀具

有研究者認(rèn)為以上各種材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)的幅度有限，需要考慮新的途徑和方法。在表1中列出了國內(nèi)外典型的氧化鋁基陶瓷刀具材料的成分及性能。從中可以看出，盡管添加了不同的增韌顆粒，但材料的斷裂韌性仍然較低，亟待提高，抗彎強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于硬質(zhì)合金刀具材料（2000-3500MPa）。

表1典型的氧化鋁基陶瓷刀具及其性能
來源：李作麗.《石墨烯強(qiáng)韌化氧化鋁基陶瓷刀具研制與切削性能研究》

相對于傳統(tǒng)的強(qiáng)韌化相（微米級顆粒、晶須）和其它新型強(qiáng)韌化相（納米顆粒、碳納米管），石墨烯具有單原子層二維結(jié)構(gòu)、很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、超大的比表面積以及極高的力學(xué)、熱學(xué)性能，將其加入到陶瓷刀具材料中，可引入裂紋分叉、裂紋偏轉(zhuǎn)、石墨烯拔出、橋接等多種機(jī)制，有利于陶瓷刀具材料的增強(qiáng)補(bǔ)韌。

來源：網(wǎng)絡(luò)

由于石墨烯擁有超大的比表面積，較少的添加量即可獲得很好的強(qiáng)韌化效果。近年來，由于制備方法及工藝的革新，石墨烯能夠較大批量生產(chǎn)，使得生產(chǎn)成本降低，有利于石墨烯的工程化應(yīng)用，從而為石墨烯強(qiáng)韌化陶瓷刀具材料的開發(fā)提供了便利。

氧化鋁陶瓷刀具的應(yīng)用范圍

Al₂O₃陶瓷刀具主要用于加工各種鑄鐵（灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、冷硬鑄鐵、高合金耐磨鑄鐵等）和種種鋼料（碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、淬硬鋼等）；也可加工銅合金、石墨、工程塑料和復(fù)合材料。

來源：網(wǎng)絡(luò)

由于鋁元素的化學(xué)親合作用，Al₂O₃陶瓷刀具不適合加工鋁合金和鈦合金。Al₂O₃陶瓷制造的滾刀、鉸刀、成形車刀等刀具，不僅可用于普通車床加工，而且由于其穩(wěn)定可靠的切削性能，特別適用于數(shù)控機(jī)床、加工中心和自動線加工，尤其對高精度、高硬度及大型工件的切削具有良好效果。

參考資料：

吳利翔等.氧化鋯增韌氧化鋁基陶瓷刀具的制備及其切削性能

周彬等.氧化鋁陶瓷刀具的發(fā)展和應(yīng)用

李作麗.石墨烯強(qiáng)韌化氧化鋁基陶瓷刀具研制與切削性能研究