Le blog de willy

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钻石工具及氮化硼(CBN)砂轮市场
粉末与钻石工具及氮化硼(CBN)砂轮之关系
钻石工具及氮化硼(CBN)砂轮具有传统磨料(氧化铝及碳化矽砂
轮)，在硬度、抗耐磨耗性、抗压强度及具铜5 倍以上的热传导性等所不
及的特性，所以称之为超级磨料。同时因其有如上述的优越特性，所以
也渐渐取代传统砂轮，在要求精密度0.5μm以下的加工件，钻石工具取
代碳化矽砂轮，氮化硼(CBN)砂轮则取代氧化铝砂轮。
钻石工具及氮化硼(CBN)砂轮主要的制造方法有4 种，分别是
(1)金属法(2)树脂法(3)电铸法(4)瓷质法。在国内以金属法制成品
占最大量，金属法是粉末冶金的一种，金属粉末在金属法内系当作结合
剂使用。
钻石工具最适合切削非铁系金属或非金属类之难切削材料(例如复
合材料、陶瓷材料、玻璃等)，同时其加工精度高、效率好。就做为切削
工具而言，因具优越耐磨性，可维持锐利形状，应用在高品质的精密加
工，例如镜面切削的超精密加工。钻石工具使用的钻石，共计有天然的
金钢石、天然的金钢砂、合成钻石粉，钻石颗粒等多种。
硬度次于钻石的氮化硼工具，虽非钻石，但与钻石工具同样呈急剧
成长，用途扩大，在工具之中占同样的重要地位。因其本身乃属高耐热
材，不与铁系金属反应，适用于如工具钢、构造用合金钢之类铁系难切
肆、国内金属粉末应用市场
57
削材料上的加工。
钻石工具及氮化硼(CBN)砂轮的产品的包括钻石钻头、钻石锯片、钻
石眼模、钻石车刀、钻石研磨用工具、钻石修刀、钻石弯磨器、钻石精
磨锭等。
在钻石工具及氮化硼(CBN)砂轮众多产品之中，产量以钻石锯片
(石材锯切用)为最大量，金属粉末(钴粉)的用量也最多，其次为钻石
砂轮，金属粉末(钴、铜、锡粉)在其中占13%的成本比例。

歡迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對客戶高品質的刀具需求，我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、複合式再研磨機、PCD地板專用企口鑽石組合刀具、粉末造粒成型機、主機版專用頂級電桿、PCD V-Cut刀、捨棄式圓鋸片組、粉末成型機、航空機械鉸刀、主機版專用頂級電感、’汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具、銑刀與切斷複合再研磨機、銑刀與鑽頭複合再研磨機、銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool.com / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS  DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace cutting tool、hss drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Compound Sharpener’Milling cutter、INDUCTORS FOR PCD’CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool. INDUCTORS FOR PCD . POWDER FORMING MACHINE ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’POWDER FORMING MACHINE’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、Staple Cutter’PCD diamond cutter specialized in grooving floors’V-Cut PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert’ PCD Diamond Tool’ Saw Blade with Indexable Insert’NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills’end mill grinder’drill grinder’sharpener、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

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ようこそＢｅｗｉｓｅ　Ｉｎｃ.の世界へお越し下さいませ、先ず御目出度たいのは新たな

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弊社は専門なエンド・ミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ、

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（６）ダイヤモンド・エンド・ミル

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弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。

Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт  www.tool-tool.com  для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web  www.tool-tool.com  for more info.

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氮化硅陶瓷刀具(Si3N4)

　　一、前言

　 　随着新技术革命的发展.要求不断提高切削加工生产率和降低生产成本.特别是数控机床的发展.要求开发比硬质合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。日前各 种高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨和耐高温的难以切削的新材料日益增多。据文献估计.这类材料己占国际上加工总数的50%以上.硬质合金刀具对其中不少新材 料的加工难以胜任。另一方面.现在国际上硬质合金产量己达20 000一 25 000 t.每年消耗大量的金属.如W ,Co ,Ta和Nb等。这些金属的矿产资源正日益减少.价格上涨.按日前消耗速度.用不了几十年.有些资源将耗尽。陶瓷刀具就是在这样的背景下发展起来的。

　　二、氮化硅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.但其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。

　　三、氮化硅陶瓷刀具的优点

　　1、 硬度高，一般为HRA93-94.因此耐磨性好.可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁。因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，处长机器设备的使用寿命；

　　2、 不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；

　　3 陶瓷刀片切削时与金属摩擦力小.切削不易粘接在刀片上.不易产生积屑瘤.加上可以进行高速切削.所以在条件相同时.工件表而粗糙度比较低。

　　4、 刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；

　　5、 耐高温.红硬性好.可在1 200℃下连续切削.所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬质合金高很多。可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍，达到节约工时、电力、机床数30-70%或更高的效果；

　　6、氮化硅陶瓷刀具主要原料是自然界很丰富的氮和硅.用它代替硬质合金.可节约大量W ,Co ,Ta和Nb等重要的金属。

　　四、陶瓷材料具有更优异的性能

　　传统的陶瓷材料一般取自自然界.如景德镇的土.经过混料、成形和焙烧等工序制成各种日用品。而现代高技术陶瓷.也称特种陶瓷.它的材料是人工合成的.如氮化硅粉.纯度高。利用现代粉末冶金工艺制造.制成的产品具有硬度高和耐高温等性能。

　 　材料可分为金属材料和非金属材料.非金属材料又分为无机材料和有机材料。不论何种材料.其性质.如熔点、硬度和导电性等主要取决于内部微观结构.即取决 于内部质点的结合方式和结合力。有机材料靠较弱的分子结合力.所以熔点低、硬度小。金属材料靠金属键结合.它的结合力较分子键强.但较共价键和离子键弱. 因此熔点和硬度仍不算高。硬质合金采用金属将WC等硬质相联系起来.其性能介于金属和陶瓷之间。陶瓷材料主要是离子键和共价键结合.其结合力是比较强的正 负离子间的静电引力或共用电子对.所以熔点高、硬度高、具有好的绝缘性、化学稳定性和抗氧化性。这就是陶瓷材料能成为切削刀具的原因。

　　五、陶瓷刀具的合理使用

　　陶瓷刀具虽然有很多优点.但性能脆。近年来.人们从陶瓷刀具的制造、使用和刃磨等方而采取了许多措施.使其脆性得到抑制.从而使陶瓷刀具进入了实用阶段。

　　(1)在原料上尽可能使用超细粉.在生产工艺上采取各种措施抑制晶粒长大.从而得到尽可能高的强度和韧性。

　　(2)刀片形状尽量简单如不开断屑槽.这样有利于生产使用和提高刀具寿命。降低刀片表而粗糙度可抑制微裂纹生长。采用负倒棱可增大刀刃强度。选择刀具角度可参考表1。

　　(3)在使用上对不同材料的工件.合理地使用不同的切削参数.可提高刀具的耐用度。选择切削用量见表2

　　(4)选择转数高、功率大、工件-机床-刀具系统刚性好的机床进行加工.以减小振动.采用高速切削充分发挥陶瓷刀具的性能。

　　六．氮化硅陶瓷刀具的实际应用

　 　虽然我国陶瓷刀具的研究水平不比国外差，但实际应用发展较慢。据有关资料报导，目前国内陶瓷刀具占总刀具使用量的比例不超过1%。氮化硅陶瓷刀具是近年 来才在生产中推广使用的一种新型刀具。因此，不论在刀具的几何参数、切削用量以及使用技术方面，均缺乏成熟的经验。陶瓷刀具的实际应用是一项需要综合各方 面技术的系统工程，决不是只要买了陶瓷刀具换上就可以解决问题。加之陶瓷刀具本身所具有的物化特性、加工时的切削性能与普通刀具有着相当大的差别，因此在 应用时，必须考虑以下几个方面的问题。

　　3.1 对机床的要求 陶瓷刀具材料对冲击和振动载荷比较敏感，这是陶瓷刀具材料在耐冲击和抗振性方面的最大弱点。机床—工件—刀具工艺系统刚性弱是促使陶瓷刀具寿命降低或崩刃 的主要原因。其中除工件和刀具本身的刚性因素外，机床刚性愈小，则振动愈大，而刀具寿命也就愈低。需要特别指出，在分析机床刚性时，一定要综合考虑机床— 工件—刀具工艺系统的刚性，而不是孤立地考虑机床的刚性，必须同时考虑工件、夹具、顶尖及刀具的刚性等。任何环节的刚性不足都将大幅度地降低陶瓷刀具的切 削性能和效率。实践证明，适于陶瓷刀具加工的机床必须具有良好的刚性、足够的功率和高的转数。 分析国内目前机床情况可以看出，中型机床在精、半精加工时这三方面都基本满足要求。对淬硬钢或硬镍铸铁等难加工材料的加工，由于其选用的切削速度较低，即 使采用陶瓷刀具来加工，其功率也是足够的，而在普通钢材或铸铁粗加工时往往这三方面都不容易满足。重型机床的刚性好，有足够的转速及功率，只要使用得当， 在重型工件的加工中，采用陶瓷刀具的成功率往往较高。

　　3.2 对被加工零件的要求

　　（1）虽然陶瓷刀具对大多数铸、锻件不退火就能进行毛坯扒荒加工，但硬铸件毛坯上的严重夹砂和砂眼将会引起许多不必要的打刀，增加了陶瓷刀具的消耗。如果能在切削加工前对毛坯进行适当处理，如切削前先用手砂轮对缺陷部分进行清理、修正，就会得到比较好的加工效果。

　 　（2）高速转动的高硬毛坯的任何一点毛边都有可能打坏陶瓷刀具，而从已车圆了的毛坯开始切削，却可以长期稳定地切削。因此对于那些硬度高而形状不规则的 毛胚，应注意必须先倒角后再用陶瓷刀具切削。毛坯切入处的倒角，可避免陶瓷刀具刚接触工件时承受过大的冲击载荷。毛坯切出处的倒角，主要是为避免陶瓷刀具 切离零件时被留下的一圈料边打坏。

　　（3）机床与被加工零件的情况要匹配，避免“小马拉大车”等现象。

　　 3.3 氮化硅陶瓷刀具合理几何参数的选择 虽然氮化硅陶瓷刀具是一种切削性能优良的刀具，但是如果不能在使用中合理地选择其几何参数，仍然不能很好地发挥其作用。所谓刀具的合理几何参数，是指能保 证粗加工或半精加工刀具有较高的生产率和刀具寿命，精加工刀具能保证加工出符合预定尺寸精度和表面质量的工件，同时也具有较高的刀具寿命相应的刀具几何参 数。 在选择陶瓷刀具的合理几何参数时，除要考虑刀具的一般规律外，同时也必须考虑某些属于陶瓷刀具所特有的规律。氮化硅陶瓷刀具是一种硬而脆的刀具，如何保证 其使用的稳定可*、不发生崩刃仍然是选择氮化硅陶瓷刀具合理几何参数的主要依据；氮化硅陶瓷刀具的结构主要是机夹可转位刀具，所以必须结合其结构特点来考 虑选择合理几何参数。

　　3.4 合理选择切削用量 合理选择切削用量，是充分发挥陶瓷刀具切削性能的基本问题之一。切削用量直接影响加工生产率、加工成本、加工质量和刀具寿命。因为陶瓷刀具具有硬度高、耐 磨性好、耐热性高等优点以及脆性较大、强度较低等缺点，所以必须充分考虑这些特点来选择合适的切削用量，以达到提高生产率、保证加工质量的目的。

　 　（1）切削深度ap的选择 用陶瓷刀具加工时，为了缩短加工时间，应尽可能选择较大的切削深度，以便在一次走刀后切去大部分余量。由于切削深度受机床功率和工艺系统刚性的限制，一般 粗加工钢和铸铁时，允许的最大切削深度为2～6mm，通常取ap>1.5mm；精加工时取ap<0.5mm；加工淬硬钢时，一般都是半精加工 或精加工，余量和切削深度较小。当工艺系统刚性比较差时，应选取较小的切削深度，否则容易引起振动，使刀片破损。

　　（2）进给量f的 选择 合理选择进给量是成功应用陶瓷刀具的关键。进给量主要受陶瓷刀片强度及工艺系统刚性的影响，精加工时还要受被加工表面粗糙度的影响。 因为陶瓷刀片的强度比硬质合金刀片低，所以进给量也应低些。一般可预选得小一些，通过实践逐步增加。精车普通钢和铸铁，进给量f选取为 0.10～0.75mm/r；精加工选取f=0.05～0.25mm/r，端铣时可选取每齿进给量af=0.1～0.3mm/z。加工淬硬钢时根据硬度不 同而选取不同的进给量，一般车削选取f=0.1～0.3mm/r；端铣选取每齿进给量af=0.05～0.15mm/z。进给量对刀具破损的影响比切削速 度大，选取较小的进给量，有利于防止或减少刀具的破损，因此，对于陶瓷刀具应选用较小的进给量和尽可能高的切削速度。

　　（3）切削 速度v的选择 氮化硅陶瓷刀具适于高速切削。对一定的工件材料，切削速度主要受机床功率限制。结合已选定的切削深度ap和进给量f，如因机床功率不足，而使切削速度选得 过低，则不仅不利于发挥陶瓷刀具的优越性，而且容易发生崩刃。应当适应减少进给量，甚至是切削深度，以便提高切削速度。目前陶瓷刀具的切削速度，虽然有的 国家最高到1500r/min，但加工普通钢和铸铁，大多数仍然采用v=200～600m/min；加工硬度<65HRC的钢材时v=60～200 /min；铣削一般钢和铸铁时v=200～500m/min；铣削耐热合金v=100～250m/min。 切削速度对切削屑形状影响很大，特别在v=350～1500m/min范围内，往往可以获得良好的切削形状，如在高速车削淬硬钢时，可能形成酥化的易于碎 断的假带状切屑，而使切屑易于清理。用陶瓷刀具作低速切削时，不但与硬质合金刀具的切削性能相近，而且容易引起工艺系统的振动，使刀具发生崩刃。例如：在 v<50m/min时车削抗拉强度为800～850MPa的钢材，陶瓷刀具很容易发生崩刃，甚至无法切削。在一定速度范围内高速切削时，切削温度的 升高能改变工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韧性，从而减少其破损，所以一般陶瓷刀具均采用干切削。而用陶瓷刀具断续切削时，如果切削速度提高太多，温差很 大，产生的热应力会导致刀具破损。 使用复合氮化硅陶瓷刀具，可以解决难加工材料的切削加工问题，改变传统的机械加工工艺，提高加工效率，节约工时及电力，同时可节约大量的生产硬质合金刀具 所需要的贵重金属W、Co及Ti等，因此推广和应用新型陶瓷刀具具有广阔的发展前景.

　　七、我国陶瓷刀具的发展前景

　 　我国陶瓷刀具在可转位刀具中比重很小.年产量不到硬质合金的0. 1%。从切削性能上看.我国陶瓷刀具正向高硬度合金铸铁粗加工、断续切削方向发展。北京科技大学研制的ST新型复合陶瓷刀具能断续切削HRC63以上的高 速钢滚刀。在刀具品种中除各种车刀外还正在开发铣刀和刨刀等。

　　林心海

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   在航空发动机制造行业，材料性能不断提升，难加工材料（高温合金）的数控加工技术已经成为行业内普遍关注的问题。陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性能和耐热 性能好、化学稳定性优良、不易与金属产生粘结的特点，已成为高速切削高温合金的主要刀具材料之一。而且陶瓷刀具的最佳切削速度比硬质合金刀具高8～10 倍，能够大幅度提高切削效率。当前，新型陶瓷刀具不断出现，有专家预计，在世界范围内陶瓷刀具在机械加工刀具中所占比重将达15%～20%。它的发展将可 能引起切削加工领域的又一次革命。

高温合金（主要指镍基或钴基合金）在高温下具有优良的稳定性和防蠕变性，GH4169常温下硬度高（可达HRC35～47），韧性很好。但与普通钢件相比，其机械加工性能较差，切削过程需要消耗更多的能量。

21世纪初，我们公司开始大量购进数控设备，逐步淘汰了普通机床，可转位硬质合金刀具逐步取代了传统的焊接刀具，生产效率得到前所未有的提高

近 10年来，应用硬质合金刀具加工钛基、镍基和钴基高温合金得到广泛普及，硬质合金材料在低于600℃的工作温度下所表现出来的高硬度及高韧性使之成为切削 高温合金及钛合金非常理想的的刀具。但硬质合金刀具有一个致命的弱点，其熔点约为 1200℃，当切削区温度高于800℃时，刀刃的强度和硬度会大幅下降，磨损加剧，甚至难以完成正常切削。因此，应用硬质合金刀具切削高温合金材料时,为 避免切削区温度过高,线速度只能维持在40m/min左右。对加工余量较大的零件，由于缓慢的切削速度，金属去除率很低，占机时间很长，生产成本大大增 加，这使得现代数控机床的潜力远没有发挥出来。随着新型发动机性能不断提高，新材料不断涌现，硬质合金刀具已经很难适应。因此，寻找一种更加理想的切削刀 具已成为当务之急。

发达国家的航空发动机企业（如美国GE公司、英国罗·罗公司）早在20年前就开始用采陶瓷刀具加工高温合金材料。陶 瓷材料最大特点就是熔点高（2000℃以上），1200℃时硬度不会下降很多，是一种非常理想的取代硬质合金刀具实现高速切削的材料。而在我国，由于种种 原因，此类刀具的使用还未广泛普及。

切削加工中的切屑成型是一种典型的大变形过程,涉及到材料非线性、几何非线性以及边界非线性问题,在高速切削过程中还涉及到热力藕合问题。

着名切削专家皮斯潘尼和莫詹特（Piisnen & Merchant）早在1945年提出的切屑形成机理中指出：在剪切力（切削力）的作用下，剪切面附近的晶界开始被撕裂变形，与基体分离形成切屑，并产生大量的热量。实际上，约80%的切削热由此产生。

应 用陶瓷刀具实现高速切削的核心就是要充分利用陶瓷材料的高温特性，提高切削速度，使切削热量不断聚积，切削区温度升高，软化切屑，使切削变得很容易。尽管 陶瓷材料与硬质合金材料相比，其韧性与耐磨性相差很多，但其高温稳定性是硬质合金刀具远达不到的。因此，提高线速度是增加切削区温度最有效的方法。理论上 说，陶瓷刀具的切削速度和金属去除率应是硬质合金刀具的5～10倍甚至更多。

  刀具商在推广时只提出陶瓷刀具适合加工HRC55以上的材料，而对于小于HRC55的材料未见相应的报道。本文针对小于HRC55的材料的加工谈一点自己的体会。

由 于长时间使用硬质合金刀具，操作者已习惯于低速切削，而这种适合硬质合金的加工方式恰恰是陶瓷刀具加工中的最大禁忌。在使用陶瓷刀具时，出于安全考虑，操 作者总是不敢提高转速，甚至希望在普通车床上使用陶瓷刀具。以往陶瓷刀具使用过程中遇到的大部分问题都是由于切削速度不足而造成的。

在国 外众多陶瓷刀具供应商中，通过比较，我们最终选定了美国绿叶公司（Greenleaf Corporation）的陶瓷刀具。其专利产品WG300首次采用了晶须增刃技术，大大改善了基体的韧性，具有卓越的耐热负载性和抗冲击能力，从而解决 了陶瓷材料质脆易碎的致命难题。

试验加工实例

1 镍基高温合金GH4169环锻件的加 工

该 材料相当于美国材料牌号Inconel 718，硬度HRC35～47。由于对陶瓷刀具的特性了解不够，我们还没有从硬质合金刀具参数选择的束缚中摆脱出来，第一次试验选择了以下参数：线速度为 230m/min，进给速度为0.23mm/r，切深为1.7mm，即使采用以上切速也比使用硬质合金刀具所选切速高6倍；选用的刀片为RNGN 120700 T1 WG300。所得的试验结果并不理想。刀刃侧面出现较深的沟状磨损，刀尖处有局部“崩刃”现象。

分析结果可知，这是由于线速度不够，切削点温度低，铁屑没有充分软化导致啃蚀刀刃形成沟状磨损。另外，等切深切削也是产生沟状磨损的重要原因。

经 过多次试验，选择了以下参数：线速度为380m/min，进给速度为0.23mm /r，切深为1.7mm。进刀时，采用了斜向切削新工艺（见图1和图2），即在切削过程中逐渐降低切深，切削点处的沟状磨损会消失。在下一次切削时保持正 常切深即可达到斜向切削效果，因为此时工件表面已经是斜面。斜向切削时切削深度必须由深到浅。刀片越升越高最终退出切削，在已加工表面产生一个斜面。第二 次切削时采用直线切削，可高效率地切除第一次切削留下的斜面。由于多次切削时切深采用递减方式，可能需要时间会较长，但刀具寿命会延长很多。这会大大减少 换刀时间。试验结果令人满意，磨损轻微，刀刃形状完好。

歡迎來到2 钴元素含量高的铸造高温合金圆环的断续切削

该 材料属铸造高温合金，硬度小于HRC33，含Co量14%～16%（质量分数），该材料韧性大，是高温合金中最难加工的材料之一。该零件结构是大直径小弦 长的环块。加工时将多块零件组成的一个圆环，并没有头尾吻接，零件之间留有间隙。为了保证刀尖强度，以往采用超低速切削（线速度仅为10m/min）。而 且加工后的零件表面还会呈现晶粒与晶界间有明显的凸凹不平，还需用磨削的方法进行表面修整加工。

为解决加工效率低这一难题，我们试用陶瓷 刀具加工该零件。由于对采用陶瓷刀片断续切削没有概念，第一次试验选择了线速度为420m/min。一刀走下来，刀片完全撞碎；第二次试验，将线速度提高 到560m/min，并适当调整了切深和进给，结果是刀片没碎，但刀尖严重磨损。后来，又进行了多次试验，并逐步把切速提高到线速度为790m/min， 这是以前从未达到过的切速，经过多次调整切削参数及走刀路线，刀片只表现出正常的磨损，加工后的零件尺寸满足要求，同时粗糙度达到了Ra1.6μm。加工 效率是原来的近80倍。经过试验，得到断续切削加工规律：选择负倒棱较大的刀片，降低进给，增大切速。遵循这个原则，断续切削将会顺利进行。

结论

根据以上试验，我们得到以下结论：

（1） 刀片寿命的长与短，速度是关键。一定要转变观念，大胆提高切削速度。保证在切削过程中产生足够的切削热，这是提高刀具寿命关键中的关键。但切速并不是越高 越好，切削温度过高，过多的切削热不能被带走而留在基体内造成零件温度升高，由于热应力导致零件变形。另外，在试验中我们发现，一旦速度超过某一极限值， 刀刃磨损将非常快。

（2）陶瓷材料的耐磨性不如硬质合金，如果采用等切深多次切削，势必在刀刃与零件的接触点处出现垂直于刀刃的沟状磨损。因此，需要不断改变刀刃与工件的接触点，这种方法对于延长刀刃的使用寿命非常有效。

（3）与硬质合金相比，陶瓷材料还是较脆的，因此在切削过程中应坚决杜绝振动现象。这就要求机床有足够大的功率，主轴转动平稳，进给均匀，切削路线为“推削”。不要试图在普通机床上使用陶瓷刀具。

（4）对于不同硬度的材料要选用合理的切削参数及走刀路线，使进给和切速优化组合，只有这样才能保证高效切削。

（5） 刀片正面如果出现局部崩刃(见图3)是由于侧面磨损加剧产生压力造成，这种现象通常不影响刀具的性能。实际上，刀片前面崩刃后会产生新的锋利的刀刃，切削 可以继续进行，切削效果也令人满意，在精加工时“崩刃”会影响光洁度，还会产生 “毛边”。 “崩刃”时，在刀片前面可看到火花，此火花是由于温度很高的铁屑通过刀片粗糙平面时产生的，应降低进给完成本次切削。

（6）在下次切削前，应检查是否需要更换刀片，粗加工时应充分利用已“崩刃”的刀片，不要匆忙决定放弃该刀片。可以继续使用已“崩刃”刀片直到的确不能切削为止。

（7） 陶瓷刀片不会出现严重断裂而酿成事故，除非执行了严重的错误操作。陶瓷刀片主要磨损形式有崩刃、后刀面磨损。所谓后刀面磨损是一种渐进的磨损形式，各种刀 具都存在这种磨损，其磨损程度与相应的切速是衡量刀具寿命的指标。对于镍基合金零件陶瓷刀片的沟状磨损现象发生在切深线上，理想的应用方法应是沟状磨损达 到最大的同时后刀面磨损也达到最大。沟状磨损允许扩展至刀片1/3的厚度上，迅速的沟状磨损或崩刃经常出现在切削区域内，是由于切削区域热量不足造成的。 只要提高切速或降低进给或两者同时调整即可纠正。

（8）适用于硬质合金刀具的走刀路线应区别于陶瓷刀片走刀路线，（见图4）。由于沟状磨损陶瓷刀片会很快失效。陶瓷刀具切削编程与硬质合金刀具的编程方法和走刀路线不完全同，必须采用恰当的走刀路线和切削参数。

（9）壁厚小于2mm的薄壁件的精加工，不适合选用陶瓷刀具。还是要使用硬质合金刀具。

结束语

陶瓷材料是21 世纪最有希望、最有竞争力的刀具材料，它的发展将有可能引起切削加工领域的又一次革命。虽然我们在尝试过程中获得了一些经验，但还需要进一步试验拓宽加工材料的品种，只有掌握好陶瓷刀具的性能，才能更好地应用于高温合金的加工。

中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司  作者：崔 晶 等

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一、離子鍵的形成 [return]

1. 意義：離子鍵即是兩個帶相反電荷的陰陽離子藉著庫侖引力所產生的吸引力而結合

2. 離子鍵的形成
具低游離能的金屬(如ⅠA、ⅡA) + 具較高電負度非金屬元素(如ⅥA、ⅦA) 低游離能的原子將價電子完全轉移給電負度大的原子，各形成陰陽離子而靠靜電引力結合
例外：HgCl₂、AlCl₃、AlBr₃及AlI₃

3. 能量變化如右圖

4. 存在

(1) 低游離能金屬與電子親和力大的非金屬元素所形成之化合物

(2) 金屬與酸根或鹼根所形成的化合物

(3) 各種銨鹽

二、離子鍵的強度比較 [return]

1. 離子鍵強之決定因素
由庫侖靜電力可推之離子鍵強度(鍵能)µ

(1) 離子帶電荷愈大者，離子鍵愈強
MgO>CaO
CaO > LiF

(2) 離子間距離(即陰陽離子之半徑和)愈小者離子鍵愈強
LiF>NaCl ∵離子半徑：Li⁺<Na⁺且F^-<Cl^-

*一般電荷之影響力>>離子間的距離
∴MgO > CaO > LiF > NaCl > KI

2. 離子鍵強度之比較

(1) 離子鍵強度可以依據鍵能比較之
離子鍵強度(鍵能) LiF > NaCl > CsI
<570 kJ/mole> <492 kJ/mole> <340 kJ/mole>

(2) 離子鍵強度亦可根據該離子晶體的熔點高低決定之
m.p.愈高，離子鍵愈強
離子鍵強度(熔點) MgO > CaO > LiF > NaCl
<2800℃> <2587℃> <870℃> <801℃>

(3) 形成離子鍵兩鍵結原子之電負度差較大者，離子鍵較強
熔點：BeCl₂ < MaCl₂ < CaCl₂ < SrCl₂ < BaCl₂
<440℃> <708℃> <772℃> <873℃> <962℃>

三、離子晶體的特性 [return]

1. 熔點、沸點、熔化熱及汽化熱大

2. 固態不導電，但熔融態或水溶液態能導電

3. 硬度大而脆(無延展性)，具一定的晶面與晶形

4. 晶格能

(1) 定義：25℃、1atm下由氣態離子形成1mole結晶所放出之能量
M⁺_(g)+X^-_(g)MX_(s) △H=晶格能(放熱)

(2) 大小決定因素：離子半徑愈小，電荷愈大，晶格能放熱愈多
U(結晶格子能) µ

5. 離子將晶體溶於水的步驟 MX_(s)M⁺_(aq)+X^-_(aq)

�MX_(s)M⁺_(g)+X^-_(g) DH₁=相當於晶格能(吸熱)

‚M⁺_(g)+X^-_(g)M⁺_(aq)+X^-_(aq) DH₂=水合能(放熱)

若(1)｜晶格能｜>｜水合能｜ DH=DH₁+DH₂>0

(2)｜晶格能｜<｜水合能｜ DH=DH₁+DH₂<0

晶格能吸熱愈小，水合能放熱愈多，則離子晶體於水中溶解度愈大
Born-Haber Cycle

M_(s)→M_(g) DH₁=昇華熱
M_(g)→M⁺_(g)+e^- DH₂=游離能
1/2X_2(g)→X_(g) 1/2DH₃=解離熱
X_(g)+e^-→X^-_(g) DH₄=電子親和力
+ M⁺_(g)+X^-_(g)MX_(s) DH₅=晶格能
M_(s)+1/2X_2(g)→MX_(s) DH₆=生成熱

四、晶體的堆積<講義> [return]

A. 金屬晶體的堆積

1. 體心立方堆積(body-centered cubic packing)

(1) 各層排列情形

(2) 配位數=8

(3) 單位晶格中之原子數=2

(4) 單位立方格子邊長與原子半徑的關係

(5) 填充率(即實際原子佔單位晶格空間之比率) 0.68（約2/3）

(6) 鹼金屬(Li、Na、K、Rb、Cs)及Ba均為體心立方堆積

2. 面心立方堆積(立方最密堆積) (surface-centered cubic packing)

(1) 各層排列情形

(2) 配位數=12

(3) 單位晶格中之原子數=4

(4) 單位立方格子邊長與原子半徑的關係

(5) 填充率(即實際原子佔單位晶格空間之比率) 0.74（約3/4）

(6) Ca, Sr, Cu, Al均為面心立方堆積

3. 六方最密堆積

(1) 各層排列情形

(2) 配位數=12

(3) 單位晶格中之原子數=6

(4) 單位立方格子邊長與原子半徑的關係

(5) 填充率(即實際原子佔單位晶格空間之比率) 0.74（約3/4）

(6) Be, Mg均為六方最密堆積

B. 化合物晶體的堆積

NaCl

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一、金屬鍵 [return]

1. 意義：藉金屬陽離子與價電子形成的“電子海”間之引力，形成的化學鍵。

2. 形成條件：

�低游離能及低電負度
Þ該原子之價電子或最外層電子容易游離，故金屬原子本身於晶體中可成為陽離子

‚空價軌域
Þ空價軌域多，價電子數少，價電子可任意進出任一原子，故價電子可自由移動於全晶體之價軌域中移動
Þ即各金屬原子共用他們所有之價電子（稱為自由電子）。此條件亦使金屬硬度較低

3. 鍵之形成：價電子可自由移動，因而形成一片“電子海”，各金屬陽離子浸於電子海中，各陽離子對負電的電子海之吸引力促使各陽離子接近而形成金屬鍵

4. 金屬鍵特性：

(1) 金屬鍵無方向性，但它不同於離子鍵(因無陰離子存在)，也不同於共價鍵(因金屬鍵所共用的電子非常自由Þ“電子海”)
*唯一具方向性之化學鍵為共價鍵*

(2) 金屬鍵的強度

�決定金屬鍵強弱的因素

Œ價電子數愈多(原子序愈大)，則受原子核引力愈大，金屬鍵愈強

�原子半徑愈小，金屬鍵愈強

Ž原子堆積形式

‚金屬鍵愈強，熔點、沸點及莫耳汽化熱會愈高

ƒ金屬鍵在週期表中之規律性

Œ同週期金屬鍵強度，由左至右漸增(因原子序、價電子數及核電荷數增加之故)，如Na<Mg<Al或K<Ca<Ga

�鹼金屬(Li、Na、K、Rb、Cs)因晶形皆為體心立方堆積，其金屬鍵強度隨原子序增加而降低<因離子半徑漸大之故>

ŽⅡA族元素(鹼土族)，因無一定之晶體之堆積形式，故金屬鍵強度不規則<Be、Mg：六方最密堆積；Ca、Sr：面心立方堆積；Ba：體心立方堆積>

若干將金屬元素的莫耳汽化熱及沸點

元素

莫耳汽化熱

kcal/ mole

沸點℃

元素

莫耳汽化熱

kcal/ mole

沸點℃

元素

莫耳汽化熱

kcal/ mole

沸點℃

Li

32.2

1330

Be

50.4

2475

B

128.8

3925

Na

21.3

889

Mg

30.8

1117

Al

70.2

2450

K

18.5

757

Ca

35.8

1490

Ga

61.2

2535

Rb

16.5

701

Sr

33.2

1370

In

54.1

2050

Cs

15.8

685

Ba

36.1

1638

Ti

38.7

1467

5. 金屬晶體的特性

(1) 有金屬光澤

(2) 延展性大，此因金屬之層面可滑動，在延展時不會破壞其晶體結構

二、金屬的能量帶理論 [return]

1. 鍵結分子軌域及反鍵結分子軌域
當兩個氫原子彼此互相接近時，兩個1s原子軌域結合而成兩個分子軌域，一個為鍵結分子軌域(bonding molecular orbital)，其能階較原來的原子軌域低；
另一個是反鍵結分子軌域(antibonding molecular orbital)，其能階較原來的原子軌域高。

�鍵結分子軌域
在兩個鍵結原子核之間具有高電子密度，利用電子和原子核的吸引力將該兩原子核拉在一起而使能階降低。由兩個氫原子的1s原子軌域形成的鍵結分子軌域是個σ鍵，可以寫成σ_1s。

‚反鍵結分子軌域
在 兩個鍵結原子核之間有一平面叫做波節面(nodal plane)，其電子密度為零，由於兩個原子核間之電子密度低，無法維繫該兩原子核，在加上兩個原子核正電荷的排斥力，其作用相當於減弱了一個鍵，稱為反 鍵結分子軌域。由兩個氫原子的1s原子軌域形成的反鍵結分子軌域，可以寫成σ^*_1s。

2. 金屬能量帶理論

(1) 主要內容：

�當金屬原子結合成一晶體時，其低能量原子軌域並不受到很大的干擾，但其高能量之原子軌域(如Li的2s軌域)，則因受到鄰近原子的干擾而構成一能帶。

‚兩個價原子軌域因互相作用，會使軌域組合形成兩個價分子軌域，一個比原來安定，一個較不安定；三個價原子軌域互相作用可生成三個價分子軌域，........N個價原子軌域互相作用可生成N個價分子軌域。

(2) 價帶(valance band)：價電子所佔有的能量帶。

(3) 傳導帶(conduction band)：未被價電子所佔有的能量帶，其能階較價帶高只有在傳導帶的電子才可隨外加電場而移動，因金屬的價帶與傳導帶緊鄰靠在一起，故只需很少能量就能使價帶中的價電子躍遷到傳導帶，並能在電場的作用下在整個晶體中活動。

三、導體、半導體與絕緣體 [return]
金屬導體、半導體與絕緣體間能帶的差異

Eg: Energy Gap

金屬導體

半導體

絕緣體

Eg：傳導帶與價帶間之能量間隔

Eg≒0，因價帶與傳導帶緊緊鄰靠在一起

Eg 小，較絕緣體為小

Eg 大，因電子甚難獲得足夠的能量從價帶躍遷到傳導帶而導電

價電子躍遷至傳導帶

極易，故易導電

只要供給相當少量的能量去激發電子使其由填滿的價帶至空的傳導帶，即可導電

難，故極難導電

溫度升高時

導電度下降

導電度隨溫度升高而升高

不受溫度影響

原因

上升溫度增加金屬陽離子在晶體中之活動而妨礙電子之前進

可供給更多的能量予價電子，以便由價帶至傳導帶

Eg甚大，價電子不易的獲得足夠之能量而躍遷制傳導帶

實例

Al、Cu

滲有B之矽(半導體)

B、P

四、合金 [return]

1. 合金（或稱『齊』）的硬度大、延展性變小。如加入少量的碳、磷或硫，可將軟而易於加工之金屬變得較硬。（此乃因加入的別種原子會妨礙金屬原子層之滑動。）

2. 合金之熔點改變，大多較成份金屬低。

3. 合金的導電性比成份金屬小。

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