随着现代科学技术和生产的发展，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。

陶瓷刀具

    利用陶瓷刀具加工普通钢、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时，刀具寿命可比硬质合金刀具高几倍甚至十几倍。在生产中它不但能用于一般的车、镗和铣削加工，而且已成功地用于孔加工刀具上；除可在普通机床上使用外，也能有效地用于数控机床和加工中心等高效设备上，被国际上公认为是当代提高生产效率最有潜质的一种刀具。此外，与金刚石和立方氮化硼等超硬刀具相比，陶瓷刀具的价格相对较低（陶瓷刀具的主要原料氧化铝、氧化硅等是地壳中最丰富的成份，取之不尽，用之不竭），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、金刚石和立方氮化硼等超硬刀具一起成为高速切削、干切削和硬切削的三种主要刀具。”图1所示为用陶瓷刀具以硬车削出的而不是磨削出的渗碳淬硬传动齿轮（57HRC-59HRC）的同步圆锥部分、内孔和背面的应用实例。

    陶瓷刀具材料的性能优劣

    与硬质合金刀具相比，陶瓷刀具硬度高达92-95HRA，耐磨性好，在相同条件下加工钢料时，它的磨损仅为P10(YT15)硬质合金刀具的1/15，刀具寿命长。同时，陶瓷刀具与钢铁等金属材料的亲和力小，摩擦系数低，抗黏结和抗扩散能力强，切削时不易黏刀及产生积屑瘤，加工表面质量好。陶瓷刀具的耐热性也很好，在1,200℃时仍能保持80HRA左右的高硬度，所以适合在高温下进行高速切削和干切削，而价格又远低于切削性能与之相近的金刚石和立方氮化硼刀具。表1中列出了陶瓷与常用硬质合金两种材料性能的对比。

   陶瓷刀具的主要缺点是抗弯强度、断裂韧度和弹性模量低，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。但近十几年来，由于材料科学和制造技术的进步，通过控制原料纯度和晶粒尺寸，采用了热压和热等静压烧结工艺等方法（用热压烧结制成的陶瓷，其强度和硬度都比过去冷压法好；而用热等静压法制成的陶瓷，其组织致密，强度更高﹐抗崩刃性能好），添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善陶瓷的性能，并通过颗粒、晶修、相变、微裂纹和几种增韧机制的协同作用提高其断裂韧度和强度，不仅使陶瓷的抗弯强度提高到0.9-1.0GPa（最高可达1.3-1.5GPa，已与硬质合金相当），而且使其抗冲击性能也有很大提高，应用范围日益扩大，除可用于一般精加工与半精加工外，还可用于冲击负荷下的粗加工。

    陶瓷刀具材料的品种分类

    现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷。目前国内外广泛使用的陶瓷刀具材料以及正在开发的陶瓷刀具材料，基本上都是根据图2所示方法组合，采取不同的增韧补强机制来进行显微结构设计的，其中以氧化铝（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4）基陶瓷刀具材料的应用最广泛。

    氧化铝（Al2O3）基陶瓷刀具材料

    纯氧化铝陶瓷

    纯氧化铝陶瓷中的Al2O3成份占99.9%以上，多呈白色，俗称白陶瓷。这是早期使用的陶瓷，由于其强度低，抗热振性及断裂韧性较差，切削时易崩刃，只适用于300HBW以下的铸铁和钢的连续表面粗加工和半精加工，使用范围非常有限，故目前已被其它各种Al2O3基复合陶瓷所取代。

    氧化铝-碳化物系复合陶瓷

    它是在Al2O3基体中加入TiC或SiC等成份经热压烧结而成的陶瓷，是目前国内外使用最多的陶瓷刀具材料之一。氧化铝-碳化物系复合陶瓷适于加工各种钢材（碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、轴承钢、不锈钢、淬硬钢等）和各种铸铁（包括冷硬铸铁、高铬铸铁等），也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料；加工钢优于Si3N4基陶瓷刀具；但它不宜用来加工铝合金、钛合金和钽合金，否则容易产生化学磨损。

    纳米金属陶瓷刀具

    它是在传统的Al2O3/TiC金属陶瓷中通过加入纳米材料TiN（氮化钛）和AlN（氮化铝），经改性而成的一种新型Al2O3基陶瓷刀具，可细化晶粒和优化材料力学性能。使用表明，这是高技术含量及高附加值的新型刀具，可部分取代K20（YG8）、P10（YT15）等面广量大的硬质合金刀具，刀具寿命可提高2倍以上，生产成本则与K20（YG8）刀具相当或稍低。目前，纳米陶瓷及纳米复合陶瓷刀具已成为高技术陶瓷材料研究开发的一个前沿领域。

    Al2O3/SiCw晶须增韧陶瓷

    在Al2O3陶瓷基体中添加20%-30%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700GPa）而成的Al2O3/SiCw晶须增韧陶瓷，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。SiCw晶须作用类似钢筋混凝土中的钢筋，能成为阻挡或改变裂纹发展的障碍，使其韧性大幅度提高。

    Al2O3/（W,Ti）C梯度功能陶瓷

    它是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中的外载应力。具有表层热导率高、有利于切削热的传出、热膨胀系数小、结构完整性好、不易破损等特点。用其加工钢铁材料时的刀具寿命可比同类Al2O3/（W,Ti）C复合陶瓷SG-4高1-1.5倍，并且刀具有很好的自砺性，崩刃后仍能进行正常切削。

    Al2O3/TiB2和Al2O3/ZrO2等复合陶瓷

    在Al2O3中添加TiB2、Ti(C，N)、ZrO2等成份的陶瓷可进一步提高材料的物理机械性能和切削加工性能，其中以Al2O3/TiB2和Al2O3/ZrO2使用较多。如用Al2O3/TiB2陶瓷刀具加工40CrNiMoA钢时，刀具寿命为Al2O3/TiC刀具的3倍，加工4Cr5MoVSi钢时，刀具抗边界磨损能力为Al2O3/TiC刀具的2倍。而Al2O3/ZrO2陶瓷刀具材料的断裂韧度、强度和耐磨性高，抗崩刃性能好。如用CC620刀片粗车和半精车铸铁和球墨铸铁等材料，切削速度可达900m/min；用于加工合金钢时，粗车切削速度可达200m/min，精车切削速度可达800m/min。

    氮化硅（Si3N4）基陶瓷刀具材料

    Si3N4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，其硬度可达1,800-2,000HV，热硬性好，能承受1,300-1,400℃的高温，与碳和金属元素化学反应较小，摩擦系数也较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于大进给量或断续切削。由于纯Si3N4陶瓷刀具在切削长切屑（如软钢）时极易产生月牙洼磨损，所以新一代Si3N4陶瓷均为Si3N4复合陶瓷刀具。最新的Si3N4复合陶瓷不仅可用于粗加工，而且可用于断续切削和有冷却液的切削。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率为2%-3%，与硬质合金相当，可以大量应用于生产线。该类陶瓷刀具的缺点是加工性比普通Al2O3陶瓷差。

    Si3N4/TiC复合陶瓷

    其韧性和抗弯强度高于Al2O3基陶瓷，而硬度却不降低；热导率亦高于Al2O3基陶瓷，故在生产中应用比较广泛。

    Si3N4/SiCw晶须增韧陶瓷

    它是在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成，从而可提高陶瓷刀具的断裂韧度。中国生产的牌号有SW21（Si3N4/SiCw）与FD03（Si3N4/TiCw）等。一些国外切削专家认为，用Si3N4基陶瓷切削钢材的效果不如Al2O3基复合陶瓷，故不推荐用其加工钢材。但用FD03刀片切削淬硬钢（60-68HRC）、高锰钢、高铬钢和轴承钢时也有较好的效果。

    赛阿龙（Sialon）陶瓷

    它是以Si3N4为硬质相，Al2O3为耐磨相，并添加少量助烧结剂Y2O3，经热压烧结而成，常称赛阿龙（Sialon）。Sialon实际上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置换所形成的一大类固溶体的总称，主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon3种，尤以前两种最为常见。这种陶瓷的抗弯强度和断裂韧度较高，抗氧化能力和高温抗蠕变能力好，热导率高，热膨胀系数小，抗热振性好，适于粗车及铣削铸铁和镍基高温合金等难加工材料。除能采用较大的进给量及切削速度高速加工铸铁和高温合金外，并可在面铣刀上采用双正前角（侧前角和背前角均为正值）。

    涂层Si3N4陶瓷刀具

    Si3N4基陶瓷的韧性优于Al2O3基陶瓷，但其耐磨性稍差。切削铸铁时，Si3N4陶瓷刀具的后刀面磨损大于Al2O3陶瓷刀具；切削钢料时，Si3N4陶瓷刀具的月牙洼磨损较大。为此，国外在Si3N4基陶瓷表面上施以TiN、TiC、Ti（C﹐N）和Al2O3等涂层，可单涂层，也可用多涂层。经涂层后的Si3N4陶瓷刀具磨损量为未涂层的1/3，使加工普通铸铁的切削速度达到200?1,000m/min，并且刀具寿命更长。比如Sandvik公司的GC1690涂层氮化硅陶瓷刀具，在加工高强度灰铸铁时的进给量达0.4mm/r，切削速度为500m/min。山高（Seco）刀具公司的涂层氮化硅陶瓷刀具，切钢时抗月牙洼磨损的能力强，其切削速度可达Al2O3基陶瓷刀具的切削速度，但进给量却大于后者而接近涂层硬质合金刀具，使材料切除率大大提高。