新型陶瓷刀具材料的應用
時間:2011-06-03 08:29:47 來源:未知
刀具的性能是影響切削加工效率、精度、表面質量等的決定性因素之一。在現代化加工過程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技術；隨著現代科學技術和生產的發展，越來越多地采用超硬難加工材料，以提高機器設備的使用壽命和工作性能。而陶瓷刀具則以其優異的耐熱性、耐磨性和化學穩定性，在高速切削領域和難加工材料方面顯示了傳統刀具無法比擬的優勢。新型陶瓷刀具更由于有很高的硬度(HRA93～95)，從而可加工硬度高達HRC65的各類難加工材料，免除退火加工所消耗的電力和時問；可提高工件硬度，延長機器設備的使用壽命。陶瓷刀具的主要原料AlO和Si是地殼中最豐富的成分，可以說是取之不盡，用之不竭的，因此新型陶瓷刀具的應用前景十分廣闊。
1 氮化硅基陶瓷刀具
- 單一Si3N4陶瓷刀具
- 此類陶瓷刀具主要是以Mgo為添加劑的熱壓陶瓷。其硬度為9l～93HRA，耐磨性介于一般陶瓷和立方氮化硼之間，抗彎強度為0.7～0.85GPa，介于一般陶瓷和YT30之間，沖擊韌度相當于Y130，耐熱性可達1300℃～1400℃，具有良好的抗氧化性。此外，Si陶瓷有自潤滑性能，摩擦系數較小，抗粘接能力強，不易產生積屑瘤，且切削刃可磨得鋒利。能加工出良好的表面質量，特別適合于車削易形成積屑瘤的工件材料，如鑄造硅鋁合金等。
- 復合Si3N4陶瓷刀具
- 由于Si3N4陶瓷以共價鍵結合，晶粒是長柱狀的，因此有較高的硬度、強度和斷裂韌性，同時它有較小的熱膨脹系數(=3×10-6/℃)，所以有較好的抗機械沖擊性和抗熱沖擊性。Si3N4刀具特別適合于鑄鐵、高溫合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬質合金刀具高幾倍至十幾倍。在汽車發動機鑄鐵缸體等加工中應用越來越普遍。但是Si3N4陶瓷的硬度并不是特別高(HRA92.5)，在加工硬度較高的工件時，如冷硬鑄鐵(HS65-80)、高鉻鑄鐵(HS80-90)等，純Si3N4陶瓷刀具的耐用度是較低的。為改善其耐磨性。加人TiCN、TiCN+TiN作為硬質彌散相，以提高刀具材料的硬度，同時保留較高的強度和斷裂韌性，稱為復合氮化硅陶瓷刀具。與單s3N4陶瓷刀具相比，復合氮化硅陶瓷刀具的抗氧化能力、化學穩定性、抗蠕變能力和耐磨性都有了很大提高，且易于制造和燒結。是今后陶瓷刀具的重點發展方向。
- Sialon陶瓷刀具
- 目前許多國家競相開發一種新型Si基陶瓷刀具：賽隆(Sialon)刀具。賽隆刀具是英國LucasAyMon公司研制成功的一種單相陶瓷刀具，以Si3N4為硬質相Al203為耐磨相，并添加少量助燒劑Y203，經熱壓燒結而成，有很高的強度和韌性(抗彎強度可達1200MPa，硬度達1800HV)，Sialon陶瓷刀具具有良好的抗熱沖擊性能，與Si3N4相比。Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化學穩定性、抗蠕變能力與耐磨性能更高。耐熱溫度較高達1300℃以上，具有較好的抗塑性變形能力。其沖擊強度接近于涂層硬質合金刀具，巳成功應用于鑄鐵和高溫合金等難加工材料的加工。目前國際上賽隆(Sialon)陶瓷材料的研究非常活躍，在改進制備工藝，進行復相、超細顆粒、自增韌刀具材料等的研制方面巳取得了較好的成果。
- 與Si3N4相似，Sialon陶瓷也具有2種晶體結構，a-Sialon為等軸晶具有較高的硬度和耐磨性能，b-Sialon為柱狀晶斷裂韌性和熱傳導能力相對較好，(a+b)-Sialon復相陶瓷刀具綜合了兩相優點，切削性能更優異，重載條件下其耐磨性能優于單相陶瓷刀具目前有2種制備自增韌a#p#分頁標題#e#-Sialon陶瓷的方法：①通過控制成核過程的熱力學特點，在燒結體內原位生長柱狀-Sialon晶粒以得到自增韌Sialon陶瓷；②采用燃燒合成工藝，制備單相柱狀-Sialon粉體，將此粉體按照適當比例添加到原料中制備自增韌-Sialon陶瓷。為降低燒結溫度，一般要加入各種燒結助劑。比較常用的燒結助劑有：Y2O3等氧化物和多種稀土元素，一般同時采用2種或2種以上的燒結助劑。
- Sialon陶瓷刀具適用于高速切削、強力切削、斷續切削；不僅適合于干切削，也適合于濕式切削Sialon陶瓷可成功地用于鑄鐵、鎳基合金、鈦基合金和硅鋁合金的加工，是高速加工鑄鐵和鎳基合金的理想刀具材料。由于它和鋼的化學親和性大，Sialon陶瓷刀具不適合加工鋼。
- Si3N4晶須增韌陶瓷刀具
- 晶須增韌陶瓷是在Si3N4基體中加入一定量的碳化物晶須而成，從而可提高陶瓷刀具的斷裂韌性。如我國北京方大高技術陶瓷有限公司生產的FD03刀片及湖南長沙工程陶瓷公司生產的SW21牌號均屬這一類。FD03刀片是在Si3N4陶瓷基體中加入了硬質彌散顆粒TiC，SW21刀片是在Si3N4中加入了一定量的SiC晶須，故有較好的使用性能。國外一些切削專家認為，用Si3N4基陶瓷切削鋼材效果不如Al2O3基復合陶瓷，故不推薦用其加工鋼材。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬鋼(60～68HRC)、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時具有較好的效果。
2 金屬陶瓷刀具
- Ti(C.N)基金屬陶瓷刀具
- 金屬陶瓷也叫硬質合金或燒結碳化物，它是陶瓷-金屬復合材料以TiC為主要成分的合金，其硬度與耐熱性接近陶瓷而抗彎強度和斷裂韌性比陶瓷高，其中金屬碳化物是硬質相，一般占80%以上；其余為鐵、鈷、鎳等金屬相。作為粘結劑。日本對金屬陶瓷特別青睞，如今，在日本的金屬切削領域中。金屬陶瓷刀片已占可轉位刀片總數的30%，迄今仍在擴大應用范圍。而美國卻只占5%，但有人預示美國制造業中已經能看到大量應用金屬陶瓷的前景。
- 金屬陶瓷硬度高，強度低，韌性低，因此不宜在有強烈沖擊和振動的情況下使用。金屬陶瓷的導熱性、耐熱性、抗粘結性和化學穩定性比高速鋼好得多，因此。在刀具材料中獲得了廣泛應用。
- 現在，金屬陶瓷的發展方向是超細晶粒化和對其進行表面涂層。超細晶粒金屬陶瓷可以提高切削速度，也可用來制造小尺寸刀具。以納米TiN占2%～15wt%改性的TiC或Ti(CN)基金屬陶瓷刀具，硬度高、耐磨性好，其熱穩定性、導熱性、耐蝕性、抗氧化性及高溫硬度、高溫強度等都有明顯優勢。與硬質合金刀具相比，該刀具的耐用度和使用壽命提高1～50倍，切削速度提高1.5～3倍，成本與其相當或略高，而金屬切削加工費用下降20%-40%與普通Ti(C.N)基金屬陶瓷刀具相比，該刀具可靠性更高。
- 涂層金屬陶瓷刀具
- 涂層金屑陶瓷目前發展速度非常迅速。涂層分為硬涂層和軟涂層，前者主要是金屬碳氮化物，包括TiN、TiC、Ti(CN)、TiAIN、CrC、CrN等。其中TiN的工藝最成熟。應用最廣泛硬涂層主要是提高其硬度和耐磨性。一般可進行多層復合涂層。后者主要是MoS基涂層，可以降低摩擦系數。另外，軟硬涂層可以復合使用。
- 納米TiN改性的TiC基金屬陶瓷刀具
- 最近由美國學者開發的納米涂層刀具是利用納米技術的一種新刀具。這種涂層方法采用多種材料的不同組合(如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合、固體潤滑劑/金屬組合等)，以滿足不同的功能和性能要求。其中TiC/TiN復合涂層是典型涂層材料，它相對于在TiC基加入TiN硬質合金而言，其抗彎強度得到進一步的提高，刀具的硬度和韌性顯著增加。又因其具有優異的抗摩擦磨損及自潤滑性能，十分適合于于切削。但納米涂層的涂覆必須采用先進的工藝，如封閉場不平衡磁濺射法(CFUMS)它要求精確的參數控制和先進的設備等，必然造成刀具成本的大幅提高。同時受工藝和切削條件的影響，涂層的粘結強度可能不足，切削時涂層容易脫落。切削性能迅速降低或失效。
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- 納米金屬陶瓷刀具成分為：53TiC-10TIN(nm)-18Mo-18Ni-1C，TiN納米粉粒度為30nm-50nm。實驗表明，各力學性能的峰值分別對應一定的納米TiN的添加量。據合肥工業大學試驗，當添加量體積數6%-8%時。可獲得較優的綜合物理力學性能。
3 陶瓷刀具材料的研究思路和展望
根據Hall-petch關系，晶粒尺寸越小陶瓷材料的硬度和強度越高。當晶粒尺寸小到100nm左右時，強度和硬度會有很大突破。但是納米粉的活性很大，界面反應激活能較低，在燒結過程中極易長大，盡管加入抑制劑，效果仍不理想，因此目前還沒有納米級陶瓷刀具材料研制成功的報道。納米改性、納米復合成功解決了晶粒的異常長大問題，納米級粒子釘扎或進入位錯區使基體晶粒內形成亞晶界，導致基體晶粒細化。納米改性、納米復合及超細晶粒陶瓷刀具材料的研究與開發將是今后刀具材料發展的主要方向。
陶瓷刀具材料是一種最有前途的高速切削刀具材料，在生產中有廣泛的應用前景。目前，它已引起世界各國的重視。在德國約70%加工鑄件的工序是用陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%～10%。我國陶瓷刀具的發展也十分迅速，研究與開發水平與國際相當。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬質合金有更好的化學穩定性，可在高速條件下切削加工并持續較長時問，比用硬質合金刀具平均提高效率3～10倍。它實現以車代磨、以銑代拋的高效“硬加工技術”及“干切削技術”，提高零件加工表面質量。實現干式切削，對控制環境污染和降低制造成本有廣闊的應用前景。
4 結語
新型陶瓷刀具材料具有其它刀具材料無法比擬的優勢，其發展空問非常大。通過對陶瓷刀具材料組分、制備工藝與材料設計的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性和紅硬性的基礎上，極大的提高刀具材料的韌性和抗沖擊性能，制備符合現代切削技術使用要求的適宜材料。可以預料，隨著各種新型陶瓷刀具材料的使用。必將促進高效機床及高速切削技術的發展，而高效機床及高速切削技術的推廣與應用，又進一步推動新型陶瓷刀具材料的使用。