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1、新型陶瓷刀具材料性能种类及应用新型陶瓷刀具材料 论文摘要 宇航业、电子工业、超高温、超高压技术迅速发展难加工材料的使用日益增多而应用普通的硬质合金或高速钢等刀具材料来加工刀具寿命很低甚至根本无法加工。陶瓷刀具有很高的硬度、耐磨性有良好的高温性能与金属亲和力小不与金属粘结化学稳定性好。因此新型陶瓷刀具材料成为制造切削刀具的理想材料。陶瓷刀具材料是一种最有前途的高速切削刀具材料在生产中有着广泛的应用前景。 关键词:陶瓷刀具 金属陶瓷 氧化铝 氮化硅 发展. Abstract Aerospace industry, electronic industry, ultra-high temperatur
2、e, ultra-high pressure of rapid technological development, and difficult to process the increasing use of materials, while the application of mon cemented carbide or high-speed steel tool material to process, tool life is low, or even impossible to process. Ceramic cutting tools have high hardness,
3、wear resistance, good high temperature performance, and metal affinity of small, non-metal bonding, chemical stability. Therefore, it bees an ideal material for manufacturing cutting tools. Ceramic tool material is one of the most promising high-speed cutting tool material, in production has a broad
4、 application prospectsKey words: ceramic tool material; metallic ceramic; Al2O3; Si3N4 ; development. 1、前言 随着现代制造技术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如铁基、镍基、钴基、钛基高温合金、超高强度钢及高耐磨铸铁等材料在生产中大量使用而应用普通的硬质合金或高速钢等刀具材料来加工刀具寿命很低甚至根本无法加工。而陶瓷刀具由于其优良的切削性能和高的性能价格比而受到了人们的青睐2、陶瓷刀具的性能 21高的硬度与耐磨性 氮化硅陶瓷刀片的室温硬度值已超过了
5、最好的硬质合金刀片的硬度丽达到925 HRA94 HRA这就大大提高了它的切削能力和耐磨性。由于其硬度高所以耐磨性有较大提高刀具耐用度比硬质合金高几倍。其优良的耐磨性不仅_了刀具的切削寿命而且还减少了加工中的换刀次数从而保证切削工件时的小锥度和高精度尤其在用数控机床进行高精密续加工时可减少对刀误差和因磨损引起的不可预测的误差简化刀具误差补偿。 22好的耐热性和抗高温氧化性 陶瓷刀具在1 200一l 450切削高温时仍能保持一定的硬度和强度进行长时间切削。因此允许采用远远高于硬质合金刀具的切削速度实现高速切削。其切削速度比硬质合金刀具提高3一10倍因而能大幅度提高生产效率。 23高的红硬性 一般
6、硬质合金刀具在温度为800一l 000时其硬度将有个突然降低的阶段如YT类刀具在由800升高到l 000时其硬度由HV910降低到HV600而陶瓷刀具的硬度随温度的升高变化很小即使在1200时硬度仍达80HRA。 24与金属具有极小的亲和力 陶瓷刀具在熔化温度下与钢也不相互反应具有良好的抗粘结、扩散、氧化磨损能力；有较低的摩擦系数因此减小了切削力加工的工件具有良好的表面粗糙度。 3、 陶瓷刀具材料的种类 近几年来。由于材料科学与制造技术的进步通过添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善陶瓷的性能还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和几种增切机理协同作用提高其断裂韧性、抗弯强度使其应用范围日益
7、扩大当前陶瓷刀具材料的进展集中在提高传统刀具陶瓷材料的性能、细化晶粒、组份复合化、采用涂层、改进烧结工艺和开发新产品等方面以期获得耐高温性能、耐磨损性能和抗崩刃性能满足高速精密切削加工的要求 . 31 氧化铝(A1203)基陶瓷 (1)纯氧化铝陶瓷。该陶瓷中Al2O3。的成分大于999多呈白色俗称白陶瓷。我国_工具研究所生产的Pl牌号属于此类其耐磨性好用于切削灰铸铁有较好效果也可切削普通碳钢。但因其强度低抗热振性及断裂韧性较差切削时易崩刃故目前已被其他Al2O3复合陶瓷取代。 (2)氧化铝一碳化物系复合陶瓷。它是在Al2O3基体中加入TiC、WC、M02C、TaC、NbC、Cr。C2等成分经热
8、压烧结而成其中使用最多的是Al2O3-TiC复合陶瓷。随着TiC含量(3050)的不同其切削性能也有差异主要用于切削淬硬钢和各种耐磨铸铁。我国生产的牌号有M16、SG3、SG4和AG2等后两种牌号中还含有WC的成分。 (3)氧化铝一碳化钛一金属系复合陶瓷。该陶瓷因在AlO3-TiC陶瓷中加入了少量的粘结金属如Ni和Mo等从而提高了Al2O3与TiC的连结强度和使用性能故可用于粗加工。这类陶瓷又称金属陶瓷。我国生产的牌号有AT6、LT35、LT55、M4、M5、M6、LD一1等用其切削调质合金钢时的切削速度可达一般硬质合金刀具的13倍刀具寿命为硬质合金刀具的610倍由于其含有金属成分所以能用电加
9、工切割成任意形状同时用金刚石砂轮刃磨时能获得较好的表面质量。其中LD一1足在Al2O3一TiC系陶瓷的基础上通过添加少量的特殊微粉利用多种增韧机制的协同作用而使断裂韧性有较大提高可达6066 Mpa/m2而普通热压Al2O3一TiC陶瓷断裂韧性为4 MPa/m2用其端铣淬硬钢时的刀片抗破损性能要比同类LT55牌号高出30110。 (4) Al2O3一SiC晶须增韧陶瓷。它是在Al2O3陶瓷基体中添加2030的SiC晶须(一种直径小于06um长度为1080 um的单晶具有一定的纤维结构其抗拉强度为7 GPa弹性模量超过700GPa)而成。SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋它能成为阻挡或改变裂
10、纹发展方向的障碍物使陶瓷的韧性大幅度提高(可达9 MPa/m2)适用于断续切削及粗车、铣削和钻孔等加工及镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料的加工。我国生产的J_1、AW9、SG5及美国WG300、Kyon250和瑞典Sandvik公司CC670等牌号均属于这一类。 32氮化硅(Si3N4)基陶瓷 Si3N4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷其硬度可达HV 18002 000且热硬性好能承受13001 400的高温与碳和金属元素化学反应较小摩擦因数也较低。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金属(如软钢)时极易产生月牙洼磨损所以
11、新一代Si3N4陶瓷均为复合型。新开发的Si3N4基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如日本京陶公司的KS6000牌号就是其中的一种。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率为23与硬质合金相当因此已可在生产线上应用其缺点是磨加工性较普通陶瓷差。下面列举几种主要的Si3N4基陶瓷。 (1) Si3N4一TiCCo复合陶瓷。该陶瓷的韧性和抗弯强度高于A1203基陶瓷而硬度并未降低热导率亦高于A1203基陶瓷故在生产中应用比较广泛。我国生产的牌号有FD02、SM、HDM1、N5等。 (2) Si3N4晶须增韧陶瓷。它是在Si3N4基体中加入一定量的碳化物品须而成从而提高了陶瓷刀具的断裂
12、韧性如我罔_方大高技术陶瓷有限公司生产的FD03刀片及湖_沙工程陶瓷公司生产的SW21牌号均属这一类。FD03刀片是在Si3N4陶瓷基体中加入了硬质弥散颗粒TiCSW21刀片则是在Si3N4中加入了一定量的SiC晶须故有较好的使用性能。国外一些切削专家认为用Si3N4基陶瓷切削钢材的效果不如A1203基复合陶瓷故不用其加工钢材。但用FD02、FD03和SW2l切削淬硬钢(HRC6068)、高锰钢、高铬钢和轴承钢时其效果较好。 (3) Si3N4一A1203一Y203复合陶瓷。它是以Si3N4为硬质相A1203为耐磨相并添加少量的助烧结剂和Y203经热压烧结而成常称赛隆(Sialon)。例如美国
13、生产的Sialon牌号KY3000其成分为：77Si3N413A120310Y203；硬度达HV 1800抗弯强度达12GPa。美国Greeleaf公司生产的Grern4B和瑞典Sandvik公司CC680刀片以及我国生产的TP4、SG3等均为赛隆陶瓷。KY3000陶瓷刀片在高速下切削镍基高温合金时加工效率是涂层硬质合金刀具的7倍除能采用较大的进给鼍和切削速度来高速加工铸铁和高温合金外还可在面铣刀上采用双正前角(侧前角和背前角均为正值)加工铸铁。 33 Ti(CN)基金属陶瓷刀具材料 Ti(CN)基金属陶瓷具有非常独特的性能组合与硬质合金刀具材料相比金属陶瓷可有效地用于高速切削加工最佳切削速度
14、可比硬质合金刀具高310倍并具有更高的耐磨性能切削寿命是硬质合金的 510倍不仅已用于钢材的车削而且也已用于钢和铸铁的铣削加工。WC-Co类硬质合金刀具耐磨性和强韧性难以兼得且钨、钴资源短缺促使了无钨金属陶瓷的研究与开发；TiC基硬质合金的强度和韧性较低。因此这两种硬质合金已逐步向金属陶瓷方向发展。通过优化成分改进制备技术及纳米改性、纳米复合、超细晶粒材料的研究开发使得Ti(CN)基金属陶瓷的综合性能有了很大提高。_工业大学利用粉末冶金工艺制取纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具通过在TiC基金属陶瓷中加入30-50nm的TiN粒子硬度达到HRA 929抗弯强度1360 MPa断裂韧性132 M
15、Pa/m2与普通金属陶瓷相比均有明显提高其抗崩刃性、耐磨性和使用寿命较普通金属陶瓷亦有较大幅度提高。 采用真空烧结方法可使超微级Ti(CN)金属陶瓷的硬度在不低于HRA90时其抗弯强度达到2 200 MPa以上真空烧结的纳米复合金属陶瓷材料的抗弯强度最高可达到2 8847 MPa硬度达HRA905。日产Ti(CN)基金属陶瓷刀片的物理力学性能突出其抗弯强度远高于其他陶瓷。金属陶瓷作为刀具材料使用具有非常大的发展潜力完全可以在某些领域作为钨钴硬质合金的替代材料。 34功能梯度陶瓷刀具材料 功能梯度材料应用于刀具近几年才有所发展。将功能梯度的设计思想引入到陶瓷刀具材料的制造过程给提高刀具性能尤其是
16、抗热冲击性能提供了一种新的方法。 A1203(WTi)C梯度功能陶瓷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它具有表层热导率高、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。如艾兴等研究的基于对称分布梯度模型经单向热压成形的功能梯度刀具FG一1(A1203一TiC)、FG一2 A1203一(WTi)C均比匀质材料的抗热冲击性能要好使用寿命也有较大提高。 通过表面氮化处理可制备Ti(CN)基功能梯度刀具材料。金属陶瓷在表面氮化处理时表面N的活度较高促使富W、Mo环型相的不断溶解W、Mo原子向材料内部扩散Ti原子向材料表面扩散形成成分梯度且由于环形相的溶解聚积长大的大颗粒分解为小颗粒使晶粒细化提高了材料表面硬度降低了材料表面与金属之间的摩擦因数。 瑞典JZackr
