陶瓷刀具在汽车、航空航天领域的应用

[导读] 陶瓷刀具因其优越的力学性能，被越来越多地应用在高速切削加工行业中。 

在现代化加工过程中，提高加工效率的最有效的方法是采用高速切削加工技术。随着人们对航空航天、汽车及武器装备制造技术的不断需求，对强度和精度要求的不断提高，陶瓷刀具因其优越的力学性能，被越来越多地应用在高速切削加工行业中。 

陶瓷刀具的发展史 

1905年，Degussa公司率先在德国推出商品化的陶瓷刀具。其他早期的陶瓷刀具专利分别于1912年和1942年出现在英国和美国。前苏联于1943年在莫斯科化工技术研究所生产出了陶瓷刀具。1954年，陶瓷刀具在美国获得工业化应用，福特汽车公司率先将这种刀具应用于大批量生产。 

然而，与传统的硬质合金刀具相比，这些早期的陶瓷刀具在性能上并未显示出明显的优势。这些刀具未获得成功的主要原因是：强度不足、切削性能一致性差；使用的机床达不到所需的刚性、功率和主轴转速；此外，当时的技术经济理念（如加工成本中不包括加工时间，缺乏提高切削速度的紧迫性等）亦不利于陶瓷刀具的发展。 

在材质上，最初的陶瓷刀具是高温烧结的纯氧化铝，这种刀具仅适用于精车灰铸铁和某些软钢，虽然它具有较高的硬度和较好的耐磨性，但断裂韧性和抗热震性不足。之后，研究人员在纯氧化铝陶瓷中添加了氧化镁、氧化锆，使这种常压烧结氧化铝陶瓷刀具的切削性能有所改进。 

氮化硅陶瓷刀具，图片来源：京瓷 

20世纪80年代，氮化硅陶瓷开始出现，其抗弯强度可达到70~85Mpa，至此陶瓷刀具的应用有了较大的发展。 

陶瓷刀具主要原料为硅、铝，其在地球上资源丰富，相较于硬质合金刀具会用到大量的稀有金属来说更加环保。 

陶瓷刀具主要有这几种 

陶瓷刀具材料分为3大类：氧化铝系陶瓷、氮化硅系陶瓷及复合氮化硅—氧化铝系陶瓷。 

氧化铝系陶瓷刀具 

以Al2O3为主体的陶瓷材料，其中包括纯氧化铝陶瓷、氧化铝中添加各种碳化物、氧化物、氮化物与硼化物等组合陶瓷以及在氧化铝中同时添加化合物与粘结金属的组合陶瓷等。 

氧化铝基陶瓷刀具适用于加工高速切削硬而脆的金属材料，如冷硬铸铁或淬硬钢，也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料，加工钢材优于氮化硅基陶瓷。 

氮化硅系陶瓷刀具 

包括氮化硅（Si3N4）陶瓷和以氮化硅为基体的添加其他碳化物制成的组合氮化硅陶瓷，此类陶瓷刀具主要是以MgO为添加剂的热压陶瓷。氮化硅陶瓷刀具主要原料是氮和硅，用它代替硬质合金，可节约大量W、Co、Ta、Nb等重要的金属。 

Si3N4刀具适合于铸铁、高温合金粗精加工及高速切削重切削，其切削寿命比硬质合金刀具高几倍至十几倍。此外，Si3N4陶瓷有自润滑性能，摩擦系数较小，抗粘接能力强，不易产生积屑瘤，且切削刃可磨得锋利，可加工出良好表面质量，特别适合于车削容易形成积屑瘤的工件材料，如铸造硅铝合金等，在汽车发动机铸铁缸体等加工中应用越来越普遍。 

复合氮化硅—氧化铝系陶瓷刀具 

赛隆（Sialon）陶瓷刀具是用氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物在高温下进行热压烧结而得到的材料，在其中添加Y2O3可使组织致密化。 

赛隆陶瓷刀具具有很高的强度和韧性，是高速粗加工铸铁和镍基合金的较好刀具材料，例如灰口铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁以及高合金耐磨铸铁等，但不宜用来加工钢材。 

陶瓷刀具在汽车中的应用 

随着能源危机的出现，电动汽车应运而生并得到快速发展。由于传统的发动机被替代了，电动汽车上机械部件数量大大减少，针对发动机缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴和连杆等零部件的专用加工刀具的市场需求量逐年递减。 

与此同时，电动汽车的出现又衍生了新的金属切削项目，比如对电机轴、电机壳体、电池托架以及新增加的各类模具的金属切削加工，其大部分零部件在满足较高的生产效率下，对加工精度和质量要求也更为苛刻。陶瓷刀具在这些零部件的生产中常用选择。 

根据汽车功能不同划分为八部分：底盘部分、动力部分、车体部分、制动部分、悬挂部分、传动部分、电器设备、车载内饰及座椅。以下为陶瓷刀具在汽车各部位的应用。 

发动机零部件材质与刀具材质选取对应 

底盘零部件材质对应刀具选取 

陶瓷刀具在航空发动机零部件上的应用 

在航空发动机领域，高温合金材料的使用非常广泛，涵盖高压压气机、燃烧室、涡轮、涡轮后机匣及加力燃烧室等高温部件。高温合金材料硬度大、加工刀具磨损量大，零件的冷加工对刀具的依赖程度高。实现高质量、高效率且低成本加工高温合金零部件，是现代航空制造业不断追求的目标。 

硬质合金刀具在航空制造中是主导刀具，而陶瓷刀具主要用于硬质合金刀具难以切削的工件粗加工。与硬质合金相比，陶瓷材料具有高硬度、热硬性和耐磨性的特点。陶瓷刀具的化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金，非常适合干式连续高速切削高温合金、淬硬钢、轴承钢、高强度钢等难加工材料。对于航空发动机中高温合金的应用以及盘轴类零件使用较多的情况，陶瓷刀具可充分发挥其优势。 

参考来源：

[1]张世君.汽车零部件加工刀具应用技术浅谈 

[2]梁永朝.陶瓷刀具在航空零部件上的应用 

[3]袁帅等.陶瓷刀具的应用及其发展 

[4]相变增韧陶瓷刀具材料.工具技术