陶瓷刀具材料的性能與應(yīng)用

1、陶瓷刀具材料的性能與應(yīng)用        摘要：陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、與金屬親和力小、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，而在國(guó)內(nèi)外被廣泛的應(yīng)用于切削加工淬火鋼、合金鋼、各種難切削的鑄鐵、鎳基高溫合等材料等。其切削效率是硬質(zhì)合金的3倍以上。特別對(duì)一些難切削材料，有優(yōu)良的切削特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：陶瓷刀具材料性能應(yīng)用一、緒論    1938年世界上生產(chǎn)出氧化鋁(Al2O3)陶瓷刀具材料；1958年研制出氧化鋁碳化物陶瓷；19681970年又研制出超微細(xì)粒氧化鋁(Al2O3)陶瓷和氧化鋁+碳化鈦+鎳熱壓

2、陶瓷；1981年研制出氮化硅(Si3N4)陶瓷。在這短短50多年里，由于國(guó)內(nèi)外科技工作者的努力，使這一刀具材料的抗彎強(qiáng)度由450MPa提高到9001300MPa(90130kgf/mm2)。目前，國(guó)內(nèi)外陶瓷刀具用量與硬質(zhì)合金刀具相比還很少，但在日本，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家使用情況，已達(dá)到硬質(zhì)合金的11以上，普遍認(rèn)為陶瓷刀具將成為90年以后提高切削效率最有希望的刀具。     據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)：日本年產(chǎn)陶瓷刀片350萬(wàn)片，占可轉(zhuǎn)位刀具刀片的9，歐洲工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，陶瓷刀片的生產(chǎn)量以每年20的速度增長(zhǎng)，尤其在汽車制造業(yè)中使用的比例最大，如聯(lián)邦德國(guó)科隆福特汽車廠，在27

3、萬(wàn)刀片中陶瓷刀片為9萬(wàn)多片，占34。用于數(shù)控機(jī)床的刀具中，陶瓷刀片占40左右。美國(guó)福特汽車公司陶瓷刀具使用量占到40；蘇聯(lián)年產(chǎn)陶瓷刀片達(dá)5060萬(wàn)片；我國(guó)從1953年開始研制和使用陶瓷刀具，南京電瓷廠與中科院冶金陶瓷研究所、一機(jī)部工具研究所、山東工業(yè)大學(xué)、上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)等單位，先后研制出氧化鋁陶瓷，氧化鋁碳化物陶瓷和氮化硅基陶瓷，使陶瓷刀片的性能和質(zhì)量均大大提高。如石家莊水泵廠加工耐磨鑄鐵和硬鎳鑄鐵，在車加工工序60是陶瓷刀具，年消耗量1萬(wàn)片以上；成都量具刃具廠每年用陶瓷刀具來(lái)加100萬(wàn)支鉆頭毛坯外圓。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年生產(chǎn)陶瓷刀片幾十萬(wàn)片以上。目前，氧化鋁基刀具牌早已有20多個(gè)，氮

4、化硅基已有10多個(gè)牌號(hào)。    陶瓷刀具有很高的硬度、耐磨性，有良好的高溫性能，與金屬親和力小，不與金屬粘結(jié)，化學(xué)穩(wěn)定性好。因此，它可以切削加工一般刀具難以加工的硬度高的工件材料。陶瓷刀具的最佳切削速度可比硬質(zhì)合金刀具高210倍，而且刀具耐用度高，可以大大提高生產(chǎn)效率。陶瓷刀具的主要原料，來(lái)源豐富。近年來(lái)，研究開發(fā)單位，研究開發(fā)了原料純度高，晶粒尺寸小，添加各種碳化物，氮化物，硼化物和氧化物及晶須，采用多種措施增加韌性，使陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性大幅度提高，而較為廣泛的應(yīng)用?？捎糜诟咚偾邢?，干切削和硬切削。二、刀具陶瓷的種類   1&#

5、160; 氧化鋁基陶瓷：    (1)純氧化鋁陶瓷：它是純度在99.9以上的Al2O3添加0.10.15的玻璃氧化物(MgO NiO TiO2 CrO3)，采用冷壓或熱壓制成。如牌號(hào)P1(AM)，硬度HRN96.5，抗彎強(qiáng)度500550MPa，它的高溫性能比較低。    (2)氧化鋁金屬系陶瓷：它是在Al2O3中增添10以下的金屬(Cr Co Mo W Ti)構(gòu)成金屬陶瓷。由于它蠕變強(qiáng)度低，抗氧化性能差，很少采用。    (3)氧化鋁碳化物系陶瓷：這是一種發(fā)展快，使用性能好的一種陶瓷刀具材料。它是在Al2

6、O3中添加百分之幾到百分之幾十的碳化物(TiC WC Mo C NbC Cr2O3)熱壓(15001800，15003000MPa)燒結(jié)而成。硬度HRA94.595.3，抗彎強(qiáng)度8001180MPa牌號(hào)M16(T8)、AT6、SG3、SG4等。    (4)氧化鋁碳化物金屬系陶瓷：它是在氧化鋁碳化物陶瓷中添加金屬(Ni Mo W Co等)以提高氧化鋁與碳化物之間的連接強(qiáng)度，而提高其使用性能?？梢杂糜跀嗬m(xù)切削和使用切削液的整合。硬度HRA93.594.8，抗彎強(qiáng)度8001200MPa。牌號(hào)M4、M5(T1)、M6、LT35、LT55等。  

7、60; 此外還有Al2O3ZrO2、Al2O3TiB2、Al2O3SiC陶瓷。2  氮化硅基陶瓷：    它是以高純度的Si3N4為原料，添加MgO Al2O3 Y2O3等為助燒結(jié)劑，通過(guò)熱壓成形燒結(jié)而成。是80年代發(fā)展起來(lái)的刀具材料。其性能在很多方面超過(guò)了氧化鋁基陶瓷，硬度HRA9394，抗彎強(qiáng)度7001100MPa，牌號(hào)有SM、HS73、HS80、F85、ST4、SC3等。 三、氧化鋁基陶瓷刀具的性能    1、有很高的耐磨性：陶瓷刀具的硬度，HRA 91.595，超過(guò)硬質(zhì)合金。在切削灰鑄鐵及合金鋼時(shí)，金屬切除

8、率分別為涂層硬質(zhì)合金的23倍和6倍和在切削鋼時(shí)為非涂層硬質(zhì)合金的20倍。例如：刀具后刀面磨損量(VB)在相同的情況下，Al2O3TiC陶瓷刀具與硬質(zhì)合金刀具相比的切削時(shí)間高20倍。    2、有很高的高溫性能：陶瓷刀具在1200以上的高溫下仍能正常切削，這時(shí)，它的硬度與硬質(zhì)合金在200600時(shí)的硬度相當(dāng)。但抗彎強(qiáng)度卻降低的很少，其抗壓強(qiáng)度在1100與室溫相當(dāng)。在1350才產(chǎn)生塑性變形，因其具有這種高溫性能而允許在較高的切削速度條件下進(jìn)行切削。其切削速度比硬質(zhì)合金高25倍。如在切削高溫合金和鎳基合金時(shí)，其切削速度可比硬質(zhì)合金高35倍。切削45號(hào)鋼時(shí)切削速度可達(dá)300

9、1500m/min，而硬質(zhì)合金只有100300m/min。    3、有良好地抗粘接性能：Al2O3與金屬的親和力很小，它與很多碳化物、氧化物、硼化物等金屬化合物相互反應(yīng)能力很低，不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，所以它具有良好地抗粘結(jié)能力，可以減少刀具在切削過(guò)程中的粘結(jié)磨損。(Al2O3與鋼的產(chǎn)生粘結(jié)的溫度是1538)。    4、化學(xué)穩(wěn)定性好：Al2O3陶瓷的化學(xué)惰性優(yōu)于TiC、WC和Si3N4。它即使在熔化溫度時(shí)，也與鋼不起化學(xué)作用。在鐵中溶解率比WC低45倍，因而Al2O3刀具切削時(shí)，它的擴(kuò)散磨損少。再則，陶瓷刀具材料抗氧化溫度是1750，

10、它優(yōu)于其它刀具材料(高速鋼和硬質(zhì)合金為800)，能適于在較高的切削溫度下進(jìn)行切削。    5、有較低的磨擦系數(shù)：由于陶瓷刀具的磨擦系數(shù)小，故切削變形、切削力均比硬質(zhì)合金小，例如用LT55和SG4陶瓷刀具加工淬火后45號(hào)鋼(HRC5055)時(shí)，與YTO5比較：Fc下降17.6，F(xiàn)p下降14，F(xiàn)f下降28。陶瓷刀具在切削時(shí)的磨擦系數(shù)低，切屑不易粘在刀具上，不易產(chǎn)生積屑瘤，故已加工表面的粗糙度低，一般切削鋼時(shí)Ra可達(dá)Ra0.80.4m；切鑄鐵時(shí)可達(dá)Ra1.60.8m。四、氮化硅基陶瓷的性能    氮化硅基陶瓷是70年代研制出的一種新刀具材料

11、，它具有很高的硬度，僅次于金剛石，立方氮化硼和碳化硼屬第四位。具有良好的耐磨性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱沖擊性，是一種很有發(fā)展前途的刀具材料。    1、具有較高的強(qiáng)度和韌性：Si3N4基陶瓷的抗彎強(qiáng)度一般已達(dá)9001000MPa，有的已達(dá)到1500MPa。可以在Si3N4中添加Y2O3或MgO，來(lái)提高其強(qiáng)度。添加后它的抗壓強(qiáng)度可達(dá)30004000MPa。它的沖出值可達(dá)0.12kgf.m/cm2,而Al2O3TiC則是0.09kgf.m/cm2；它的斷裂韌性比氧化鋁TiC高。在切削加工鑄鐵時(shí)，它的抗崩性比YG6還好。不易在切削過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。它可用來(lái)切削可鍛鑄鐵，

12、斯太立特合金，耐熱合金等材料的氧化皮切削或斷續(xù)切削。    2、較高的耐熱性：Si3N4陶瓷的耐熱性可達(dá)13001400以上，高于硬質(zhì)合金及其它陶瓷，僅次于立方氮化硼。因而能承受較高的切削溫度和相應(yīng)的切削速度，車削鎳基合金時(shí)，切速Vc可達(dá)300m/min。Si3N4陶瓷的常溫硬度略低于Al2O3和Al2O3-TiC陶瓷，但900時(shí)，它的硬度最高，在1000時(shí)，它的硬度幾乎不下降。    3、優(yōu)良的耐熱沖擊性能：Si3N4陶瓷具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)(58.62W/m.k)是Al2O3(20.93W/m.k)基陶瓷的2.53倍，耐熱沖擊性是A

13、l2O3基的23倍?？捎盟鼇?lái)進(jìn)行濕式荒加工。4、良好的化學(xué)穩(wěn)定性能：Si3N4與碳元素及其他一般金屬元素化學(xué)反應(yīng)小，并且有良好的抗氧化性能，在1200時(shí)無(wú)氧化增量，比YT類硬質(zhì)合金高200；Si3N45MgO陶瓷在1350時(shí)生成一層連續(xù)的保護(hù)性能良好的氧化皮，可保持幾百小時(shí)不被破壞。另外Si3N4陶瓷具有良好的自潤(rùn)滑性能，有較低的磨擦系數(shù)和良好的抗粘結(jié)性能，它與有色金屬熔融體不起反應(yīng)，因而切這些金屬(銅、鋁)時(shí)，不產(chǎn)生粘接和積屑瘤，有力降低表面粗糙度。此外Si3N4刀具材料成本低，易于磨削?？梢垣@得鋒利的刃口(<0.1m)。 五、陶瓷刀具的應(yīng)用陶瓷刀具適于切削加工的工件材料：&

14、#160;   由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，刀具陶瓷的性能不斷提高，它在切削加工中的應(yīng)用日益廣泛。適用的主要工件材料有：各種鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵、硬鑄鐵、高強(qiáng)度鑄鐵等)。各種鋼材：調(diào)質(zhì)鋼、合金鋼、炮鋼、高強(qiáng)度鋼。HRC>60的淬硬鋼，耐熱鋼和某些耐熱合金等；有色金屬；銅和銅合金，鋁和鋁合金等；非金屬；耐磨石墨、硬橡膠、塑料、特殊尼龍、聚氯乙稀和樹脂及夾布膠木等。    另外，刀具陶瓷不僅適于制造車刀、鏜刀、銑刀、刨刀，而且也可通過(guò)線切割和刃磨等工藝來(lái)制造成形車刀、鉸刀、滾刀等刀具。同時(shí)它不僅適用于普通機(jī)床，更適用于數(shù)控機(jī)床。它也特別適用于加熱切削，如采用等離于加熱切削難加工材料時(shí)，切削速度可達(dá)Vc=70100m/min，ap>2.5mm，