陶瓷刀具材料及其發(fā)展前景

(山東現(xiàn)代學(xué)院 山東 濟(jì)南 250200)

陶瓷刀具材料及其發(fā)展前景

趙曉麗

(山東現(xiàn)代學(xué)院山東濟(jì)南250200)

介紹了高速切削技術(shù)和刀具材料，詳細(xì)說明了陶瓷刀具的種類、優(yōu)點，分析了在未來的發(fā)展和研究中，陶瓷刀具的發(fā)展前景。

高速切削；陶瓷刀具；發(fā)展前景

引言

切削加工是機械制造業(yè)中最重要的基礎(chǔ)技術(shù)，是機械加工領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的加工方法之一，而高速切削加工技術(shù)不但可以大幅度地提供加工效率、提高加工精度、降低生產(chǎn)成本，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且?guī)恿艘幌盗懈咝录夹g(shù)的發(fā)展。因而高速切削加工技術(shù)已成為目前切削加工技術(shù)的發(fā)展方向，具有強大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景[1]。

一、高速切削加工技術(shù)及各種刀具

高速切削加工技術(shù)(High Speed Cutting,HSC；High speed machining,HSM)這一理念的最初發(fā)表是在由Salom在20世紀(jì)30年代提出的[2]。近一個世紀(jì)以來，經(jīng)歷了高速切削的理論研究、高速切削加工應(yīng)用基礎(chǔ)研究等階段，高速切削加工技術(shù)日漸成熟，其髙效、優(yōu)質(zhì)、低耗等優(yōu)點使高速切削己成為先進(jìn)制造技術(shù)的主流。

近年來，高速切削加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于在日本、德國、美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的大部分模具公司。針對目前生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的鋁合金、鑄鐵、鋼及合金和耐熱合金的高速切削，已發(fā)展的刀具材料主要有：金剛石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂層刀具和TiC(N)基硬質(zhì)合金刀具(金屬陶瓷)等。它們有各自的特點，適應(yīng)不同工件材料不同切削速度范圍。

二、陶瓷刀具的優(yōu)點及種類

陶瓷刀具由于高溫性能好，其切削速度可比傳統(tǒng)刀具提高3～10倍，并且與鋼鐵金屬的親和力小、摩擦因數(shù)低、抗黏結(jié)和抗擴(kuò)散能力強，加工表面質(zhì)量好。因而可以在現(xiàn)有的廠房、設(shè)備、動力條件下，使產(chǎn)品產(chǎn)量成倍的增加，大幅度提高社會生產(chǎn)力。用陶瓷材料制作的刀具近年來發(fā)展極為迅速,并已成為陶瓷耐磨零件市場的主要產(chǎn)品,在高速切削條件下,陶瓷刀具壽命比WC -Co系硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具長得多。

目前陶瓷刀具主要有氧化鋁陶瓷刀具、金屬陶瓷刀具、氮化硅陶瓷刀具、賽隆(Sialon)陶瓷刀具、晶須增韌陶瓷刀具等。

1)氧化鋁陶瓷刀具。氧化鋁陶瓷刀具是以Al2O3為主要成分，添加少量金屬氧化物MgO、NiO、TiO2、Cr2O3等，經(jīng)冷壓燒結(jié)而成的陶瓷。與硬質(zhì)合金相比，具有硬度高、耐磨性好(是一般硬質(zhì)合金的5倍)、耐高溫和抗粘性能好以及摩擦因數(shù)低等優(yōu)點。氧化鋁基陶瓷刀具適應(yīng)于高速切削硬而脆的金屬材料，如冷硬鑄鐵或淬硬鋼，也可加工銅合金、石墨、工程塑料和復(fù)合材料，加工鋼材優(yōu)于氮化硅基陶瓷，用于大件機械零部件切削及高精度零件切削加工。

2)金屬陶瓷刀具。金屬陶瓷也稱為硬質(zhì)合金或燒結(jié)碳化物，它是陶瓷-金屬復(fù)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(zhì)相，一般占80%以上，其余為鐵、鈷、鎳等金屬相作為黏結(jié)劑。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。金屬陶瓷的發(fā)展方向是超細(xì)晶?；蛯ζ溥M(jìn)行表面涂層。超細(xì)晶粒金屬陶瓷可以提高切削速度，可用來制造小尺寸刀具。金屬陶瓷因硬度和耐熱性接近非金屬陶瓷，抗氧化性和耐磨性比硬質(zhì)合金好，且斷裂韌性和抗彎強度優(yōu)于非金屬陶瓷，已被用來精加工和半精加工髙強度鋼，填補了硬質(zhì)合金與非金屬陶瓷材料之間的空白，而且不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量較高，雖容易出現(xiàn)崩刃,但仍具有很大的應(yīng)用前景。

3)氮化硅陶瓷刀具。氮化硅陶瓷刀具的硬度僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼而居第四位，是新一代的陶瓷刀具。有較高的硬度、強度和斷裂韌性，其硬度為HRA91～93，抗彎強度為0.7～0.85Gpa，耐熱性可達(dá)1300～1400℃，具有良好的抗氧化性。同時它有較小的熱膨脹系數(shù)(3x10-6/℃)，所以有較好的抗機械沖擊性和抗熱沖擊性。氮化硅刀具適合于鑄鐵、高溫合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削壽命壽命比硬質(zhì)合金刀具高幾倍至十幾倍。此外，Si3N陶瓷有自潤滑性能，摩擦系數(shù)較小，抗黏結(jié)能力強，不易產(chǎn)生積屑瘤，且切削刃可磨得鋒利。特別是由于其高的抗熱震性及優(yōu)良的高溫性能，使其更適合高速切削及斷續(xù)切削。氮化硅陶瓷刀具還可以切削可鍛鑄鐵、耐熱合金等難加工材料。

4)賽隆(Sialon)陶瓷刀具。賽隆陶瓷刀具以Si3N4為硬質(zhì)相，Al2O3為耐磨相，是氮化鋁、氧化鋁和氮化硅的混合物，在1800℃進(jìn)行熱壓燒結(jié)而成的一種單相陶瓷材料，具有很高的強度，抗彎強度達(dá)1050～1450MPa，其斷裂韌性也是幾種陶瓷刀具中最高的，其沖擊強度遠(yuǎn)勝于一般陶瓷刀具而接近涂層硬質(zhì)合金刀具。賽隆陶瓷刀具具有良好的抗熱沖擊性能。賽隆陶瓷可用于鑄鐵、鎳基合金、鈦基合金和硅鋁合金的高速切削、強力切削、斷續(xù)切削加工，是高速加工鑄鐵和鎳基合金的理想刀具材料。

5)晶須增韌陶瓷刀具。晶須增韌陶瓷刀具是在Si3N4基體中加入一定量的碳化物晶須而成，可增加陶瓷材料的抗彎強度，使得陶瓷材料獲得高硬度和高韌性。晶須強化的作用是通過相變換實現(xiàn)的。相變換的作用是抑制刀具的破裂，由于材料結(jié)構(gòu)的改變，在刀尖上引起破裂的能量被吸收和擴(kuò)散，使刀具材料得到強化，提高了抗彎強度和韌性。由于它具有抗沖擊韌度好、抗熱沖擊性能強的特點，可以高速加工淬硬鋼(達(dá)到HRC 65)和中等硬度的鋼，而且可以在加切削液的條件下進(jìn)行切削，這是別的陶瓷刀具所不具備的。

三、陶瓷刀具的發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國陶瓷刀具的應(yīng)用還處于起步階段,而且主要用于硬質(zhì)合金刀具難以切削工件的粗加工,在精密加工中應(yīng)用比較少,這與國外大量應(yīng)用于數(shù)控機床的情況相反[3]。就陶瓷刀具應(yīng)用來講，德國陶瓷刀具已不僅用于普通機床，且已將其作為一種高效、穩(wěn)定可靠刀具用于數(shù)控機床加工及自動化生產(chǎn)線，德國約70%加工鑄件工序用陶瓷刀具完成。日本陶瓷刀片產(chǎn)品種類、產(chǎn)量及質(zhì)量上均具國際先進(jìn)水平，日本陶瓷刀具年消耗量已占刀具總量8%～10%。美國氧化物—碳化物—氮化物陶瓷刀具研制開發(fā)與應(yīng)用方面一直占世界領(lǐng)先地位。在美國,陶瓷刀具占全部刀具市場份額的3%-4%,在日本該份額為8%-10%,在德國約為12%。在一些特殊的加工過程中,陶瓷刀具所占的比例更大。據(jù)估計,今后陶瓷刀具占整個刀具市場的份額可能增加到15%-20%。我國陶瓷刀具開發(fā)應(yīng)用也取得許多重大成果。山東大學(xué)建立了基于切削可靠性陶瓷刀具材料設(shè)計制造理論，以高速切削可靠性為優(yōu)化目標(biāo)，對刀具材料進(jìn)行組分、微觀結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計，研究開發(fā)先進(jìn)陶瓷刀具材料。先后研制成功顆粒彌散增強增韌、晶須與顆粒協(xié)同增韌、梯度功能、粉末涂層、硼化鈦增強陶瓷-硬質(zhì)合金復(fù)合刀片等新型陶瓷刀具材料，并已轉(zhuǎn)讓成批生產(chǎn)，供實際使用，取得了重大經(jīng)濟(jì)社會效益。

四、結(jié)論

陶瓷刀具材料具有其他刀具材料所無法比擬的優(yōu)勢，其發(fā)展空間非常大。通過對陶瓷刀具材料組分、制備工藝與材料設(shè)計的研究，可在保持高硬度、高耐磨性和紅硬性的基礎(chǔ)上，極大提高工具材料的韌性和抗沖擊性能，制備符合現(xiàn)代切削技術(shù)使用要求的適宜材料。

陶瓷刀具材料是一種極有前途的高速切削刀具材料，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著各種新型陶瓷刀具材料的使用，必將促進(jìn)高效機床及高速切削技術(shù)的發(fā)展，而高效機床及高速切削技術(shù)的推廣與應(yīng)用，又將進(jìn)一步推動新型陶瓷刀具材料的使用。

[1]艾興.高速切削加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版化,2003.

[2]王軍.高速切削加工是汽車模具制造的發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代制造,2009(11):9-9.

[3]艾興.高速切削材料的進(jìn)展和未來[J].制造技術(shù)與機床.2001.(8)：21-26.

趙曉麗(1988.5-)，女，漢族，山東濟(jì)南人，助教，山東建筑大學(xué)研究生在讀，山東現(xiàn)代學(xué)院。

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