陶瓷刀具的发展简史

什么是陶瓷刀具？

陶瓷刀具是利用属于非金属材料的特种陶瓷原料加工而成,由于控制了原料纯度和颗粒尺寸细化，并添加了各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善其性能，同时通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和几种增韧机理的协同作用提高其断裂韧性，不仅使抗弯强度提高到0.9~1.0GPa(高的可达1.3-1.5GPa)，而且断裂韧度和抗冲击性能都有很大提高，应用范围日益扩大，从原来用于航天航空等高尖端科技领域,扩大到工业陶瓷刀具,近两年广泛用于民用陶瓷刀近两年已出现在民用陶瓷刀具，不但具有超过钢性刀具锋利，而且耐酸碱、不导电，对食品无化学反映，是典型的绿色产品，可在冰冻条件下切削肉类和其他食品，切削水果不变色，切洋葱不刺眼等特性。在工业上除可用于一般的精加工和半精加工外，也可用于冲击负荷下的粗加工，在国际上公认为是提高生产效率最有潜质的刀具。

陶瓷刀具有氧化铝(Al2O3)氧化锆(ZrO2)基和氮化硅(Si3N4)基等，具有工效高、使用寿命长和加工质量好等特点。过去由于抗弯强度低、脆性大，长期以来主要作为精加工刀具，占各类刀具材料中的比重很小。但近几年来，目前，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，刀具寿命比硬质合金高几倍、甚至几十倍。如德国Guhring公司推出的RT200系列整体陶瓷钻头和陶瓷立铣刀，精加工切削速度为1000m/min。同时，它的出现使传统的工艺概念发生变化，利用陶瓷刀具可直接以车、铣代替磨削（或抛）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。在生产中既能用于一般的车、镗和铣削加工，更成功地用于精密孔的加工。除可在普通机床使用外，也能有效地用于数控机床等高效设备。与金刚石和CBN（立方氮化硼）等超硬刀具相比，陶瓷的价格相对较低，因此有人认为：“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CBN等超硬刀具一起成为高速加工三种主要刀具。”

陶瓷刀具的出现背景

刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。切削木材用的刀具则称为木工刀具。

刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前28～前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期(公元前三世纪)，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783年，法国的勒内首先制出铣刀。1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。

那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米/分。1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年，美国的泰勒和．怀特发明高速钢。1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。

在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约8米/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构。1949～1950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其他刀具上。1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。1969年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。1972年，美国的邦沙和拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐磨性结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。

陶瓷刀具的发展历史

早在1912-1913年.英国和德国己出现了氧化铝陶瓷刀具(但陶瓷刀具的专利则由德国德古萨公司于1938年取得).在生产上的应用则始于1950年。由于其强度、韧度低.较长时期内仅限于做连续切削精加工用.且切削速度和进给量都较低。直到1968年才出现第2代陶瓷刀具-复合氧化铝刀具.在强度和韧度上较之氧化铝刀具有了明显提高.可以在较高的速度和较大的进给量下切削各种工件得到了较广泛的应用。

20世纪70年代末80年代初国际出现了第3代陶瓷刀具-氮化硅陶瓷刀具。这类陶瓷刀具有比复合氧化铝刀具更高的韧性、抗冲击性、高温强度和抗热震性。陶瓷刀片在各工业发达国家的产量增长很快。我国自20世纪60年代中开始批量生产复合氧化铝刀片.目前年生产量为14-15万片。氧化硅陶瓷刀片虽自20世纪70年代中就开始研究.由于性能欠佳.不能满足需求。近几年来.随着对高温结构陶瓷领域研究的不断深入.使氮化硅陶瓷的性能有了很大提高.从而使氮化硅陶瓷刀具在我国迅速发展起来。