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陶瓷刀具进化史
2017年04月27日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:3052
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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20000-25000t。每年消耗大量的金属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。


陶瓷刀具进化史简表

 

20世纪50年代 氧化铝

1911~1913德国和英国率先开发出多种性能优良的Al2O3基陶瓷刀具,20世纪50年代后期我国开始研究氧化铝


这是第一代陶瓷刀具,材料中的Al2O3的含量占99%以上,通过添加微量助烧剂#(如MgO、NiO、Cr2O3TiO2),经压烧结而成(俗称白陶瓷)。纯Al2O3陶瓷抗弯强度较低,抗冲击能力差,切削刃容易微崩,但高温性能很好,适用于小进给量半精加工铸铁和钢材。我国生产的这类陶瓷牌号有P1,成分为99%的Al2O31%的Al2O3。由于其抗弯强度低,使用日益减少。

 

20世纪60年代-70年代 氧化铝+碳化物

1968年才出现第2代陶瓷刀具-复合氧化铝刀具Al2O3中添加一定的碳化物(TiC、WC、TaC、NbC、MO2C、Cr3C2)可以提高陶瓷的强度和抗冲击性;其中以添加TiC的Al2O3-TiC陶瓷应用最多,其添加TiC的比例为30%-60%(有的为5%-10%),通过热压烧结而成。目前,热压Al2O3-TiC陶瓷的平均硬度可达93.5~94.5HRA,抗弯强度可达0.9~1GPa。适于高速粗、精加工耐磨铸铁、淬硬钢及高强度钢等难加工材料。与纯Al2O3陶瓷相比,Al2O3-TiC陶瓷的抗弯强度无论在常温还是高温下,都高于纯Al2O3陶瓷,而且高温下(1000℃以上),其下降速度较慢。低温时Al2O3-TiC陶瓷的硬度略高于Al2O3陶瓷。我国生产的M16、SG3、SG4、SG5属这类陶瓷,后两种还加入了WC成分。

 

20世纪70年代氧化铝+碳化物+金属

这类陶瓷是在Al2O3中除添加碳化物外,还添加少量粘结金属(Ni、Mo、Co、W等),热压烧结而成(亦称金属陶瓷)。由于加了金属,提高了Al2O3与碳化物的连结强度,改善了使用性能,适于加工淬火钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、镍基和钴基合金以及非金属材料(如纤维玻璃、塑料夹层材料等),是目前精加工冷硬铸铁轧辊的最佳材料。由于其抗振性能的改善,可用于间断切削及使用切削液的场合。我国生产的M4、M5、M6、M8-1、LT35、LT55、AG2和AT6等,都属于这类陶瓷。

 

20世纪70后-80初  氧化铝+氮化物+硼化物  

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。Al2O3中添加氮化物的Al2O3-氮化物组合陶瓷刀具,具有较好的抗热震性,其基本性能和加工范围与Al2O3-碳化物-金属陶瓷刀具相当,更适于间断切削,但其抗弯强度和硬度比Al2O3-TiC金属陶瓷刀具低,有待进一步研究改善。在Al2O3中添加TiB2作为粘结剂制成的陶瓷刀具,由于其组织成分为细晶粒的Al2O3及连续的TiB2粘结相,保持了硼化物的“三维连续性”,因此具有极好的耐冲击性和耐磨性。

 

20世纪80—90年代  增韧氧化铝

增韧的陶瓷Al2O3是指在Al2O3基体中添加增韧或增强材料。增韧方法请猛戳《》。非常适合加工镍基耐热合金和低速加工铸铁及非金属脆性材料。这类陶瓷刀具使用较多的国产牌号有:湖南冷水江陶瓷工具厂的AW9、山东工业大学的JX-1等。到了21世纪,随着纳米材料及其他各类新材料的出现,各种增韧陶瓷刀片竞相出现,如纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具等。

 

氧化锆增韧氧化铝陶瓷刀片

 

氮化硅陶瓷刀具

20世纪70年代开始科研人员在选择刀具材料中发现,氮化硅(Si3N4)的显微硬度(3000HV-500HV),仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼,是一种新型的刀具材料。

 

20世纪80年代初此种陶瓷刀开始用于切削加工中。它的制造过程是将硅粉在1300℃~1400℃下通氮气后进行球磨,加入少量助烧结剂,在1700℃~1750℃和2GPa~3GPa压力下热压烧结而成。其主要特点是具有良好的耐热性和抗热冲击性能。耐热性高达1300℃~1400℃,高于一般陶瓷,可进行高速切削。其热导率约为Al2O3陶瓷的2倍~3倍,而热膨胀系数只有Al2O3陶瓷1/3左右,使得抗热冲击性能比Al2O3陶瓷提高1倍~2倍,有良好的抗崩刃性。在断续车削或铣削加工中,氮化硅陶瓷刀具的使用寿命明显比A12O3陶瓷刀具长。

 

因此,氮化硅陶瓷刀具不仅能进行淬硬钢、冷硬铸铁等材料的精加工和半精加工,而且可以用于钢基硬质合金、镍基合金、玻璃钢材料的精加工和部分粗加工,还可以用于一般陶瓷不能胜任的有硬皮铸件的毛坯切削。

 

氮化硅陶瓷刀具分类

近年来,氮化硅陶瓷刀具的发展非常迅速。目前使用的氮化硅系陶瓷刀具包括以Si3N4为主体的刀具和以Sialon(Si3N4+A12O3)为主体的刀具。

 

氮化硅陶瓷刀

 

1、单一Si3N4陶瓷刀具,此类Si3N4陶瓷刀具主要是以MgO为添加剂的热压陶瓷,其硬度为91HRA~93HRA,耐磨性介于一般陶瓷和立方氮化硼之间,抗弯强度为0。7GPa~0。85GPa,介于一般陶瓷和YT30之间,冲击韧度相当于YT30,耐热性可达1300℃~1400℃,具有良好的抗氧化性。此外,Si3N4陶瓷有自润滑性能,摩擦系数较小,抗粘接能力强,不易产生积屑瘤,且切削刃可以磨得锋利。可以加工出良好的表面质量,特别适合于车削易形成积屑瘤的工件材料,如铸造硅铝合金等。

 

2Si3N4复合陶瓷刀具,此类陶瓷刀具是在Si3N4基体中添加适量金属碳化物及金属等复合强化剂,利用复合强化效应制成的Si3N4复合陶瓷,其性能比热压Si3N4陶瓷优越许多。目前使用较多的是Sialon陶瓷刀具,它是以Si3N4为硬度相,以A12O3为耐磨相,在1800℃进行热压烧结而成且呈单相组织,是Al2O3Si3N4中的固溶体。称之为Si-Al-O-N(Sialon)陶瓷,有人把它誉为第三代陶瓷刀具,因其兼有Al2O3Si3N4的特性,其热硬性高于硬度合金和Al2O3陶瓷,在刀尖温度高于1000℃时仍可高速切削。与单一Si3N4陶瓷刀具相比,Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力和耐磨性都有了很大提高,并且易于制造和烧结。是今后陶瓷刀具重点的发展方向。Sialon陶瓷刀具适于软、硬铁基合金、镍基合金、钛合金、硅铝合金等材料的加工。

 

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,均还没有成熟的经验。

 

粉体圈 作者:小黑杨

 

参考文献:

[1]周彬.氧化铝陶瓷刀具的发展和应用[J].机械管理开发,2004,(03):37-38+40.

[2]周彬.氮化硅陶瓷刀具的发展和应用[J].山西科技,2004,(02):67-68.


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