陶瓷刀具材料及其发展前景

2017-04-06

福建质量管理 2017年19期

关键词：金属陶瓷氮化硅晶须

(山东现代学院山东济南 250200)

陶瓷刀具材料及其发展前景

赵晓丽

(山东现代学院山东济南250200)

介绍了高速切削技术和刀具材料，详细说明了陶瓷刀具的种类、优点，分析了在未来的发展和研究中，陶瓷刀具的发展前景。

高速切削；陶瓷刀具；发展前景

引言

切削加工是机械制造业中最重要的基础技术，是机械加工领域中应用最广泛的加工方法之一，而高速切削加工技术不但可以大幅度地提供加工效率、提高加工精度、降低生产成本，获得巨大的经济效益，而且带动了一系列高新技术的发展。因而高速切削加工技术已成为目前切削加工技术的发展方向，具有强大的生命力和广阔的应用前景[1]。

一、高速切削加工技术及各种刀具

高速切削加工技术(High Speed Cutting,HSC；High speed machining,HSM)这一理念的最初发表是在由Salom在20世纪30年代提出的[2]。近一个世纪以来，经历了高速切削的理论研究、高速切削加工应用基础研究等阶段，高速切削加工技术日渐成熟，其髙效、优质、低耗等优点使高速切削己成为先进制造技术的主流。

近年来，高速切削加工技术已广泛应用于在日本、德国、美国等工业发达国家的大部分模具公司。针对目前生产中广泛应用的铝合金、铸铁、钢及合金和耐热合金的高速切削，已发展的刀具材料主要有：金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具和TiC(N)基硬质合金刀具(金属陶瓷)等。它们有各自的特点，适应不同工件材料不同切削速度范围。

二、陶瓷刀具的优点及种类

陶瓷刀具由于高温性能好，其切削速度可比传统刀具提高3～10倍，并且与钢铁金属的亲和力小、摩擦因数低、抗黏结和抗扩散能力强，加工表面质量好。因而可以在现有的厂房、设备、动力条件下，使产品产量成倍的增加，大幅度提高社会生产力。用陶瓷材料制作的刀具近年来发展极为迅速,并已成为陶瓷耐磨零件市场的主要产品,在高速切削条件下,陶瓷刀具寿命比WC -Co系硬质合金刀具和高速钢刀具长得多。

目前陶瓷刀具主要有氧化铝陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、氮化硅陶瓷刀具、赛隆(Sialon)陶瓷刀具、晶须增韧陶瓷刀具等。

1)氧化铝陶瓷刀具。氧化铝陶瓷刀具是以Al2O3为主要成分，添加少量金属氧化物MgO、NiO、TiO2、Cr2O3等，经冷压烧结而成的陶瓷。与硬质合金相比，具有硬度高、耐磨性好(是一般硬质合金的5倍)、耐高温和抗粘性能好以及摩擦因数低等优点。氧化铝基陶瓷刀具适应于高速切削硬而脆的金属材料，如冷硬铸铁或淬硬钢，也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料，加工钢材优于氮化硅基陶瓷，用于大件机械零部件切削及高精度零件切削加工。

2)金属陶瓷刀具。金属陶瓷也称为硬质合金或烧结碳化物，它是陶瓷-金属复合材料以TiC为主要成分的合金，其硬度与耐热性接近陶瓷，而抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高。其中金属碳化物是硬质相，一般占80%以上，其余为铁、钴、镍等金属相作为黏结剂。金属陶瓷硬度高，强度低，韧性低，因此不宜在有强烈冲击和振动的情况下使用。金属陶瓷的发展方向是超细晶粒化和对其进行表面涂层。超细晶粒金属陶瓷可以提高切削速度，可用来制造小尺寸刀具。金属陶瓷因硬度和耐热性接近非金属陶瓷，抗氧化性和耐磨性比硬质合金好，且断裂韧性和抗弯强度优于非金属陶瓷，已被用来精加工和半精加工髙强度钢，填补了硬质合金与非金属陶瓷材料之间的空白，而且不易产生积屑瘤，加工表面质量较高，虽容易出现崩刃,但仍具有很大的应用前景。

3)氮化硅陶瓷刀具。氮化硅陶瓷刀具的硬度仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼而居第四位，是新一代的陶瓷刀具。有较高的硬度、强度和断裂韧性，其硬度为HRA91～93，抗弯强度为0.7～0.85Gpa，耐热性可达1300～1400℃，具有良好的抗氧化性。同时它有较小的热膨胀系数(3x10-6/℃)，所以有较好的抗机械冲击性和抗热冲击性。氮化硅刀具适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削寿命寿命比硬质合金刀具高几倍至十几倍。此外，Si3N陶瓷有自润滑性能，摩擦系数较小，抗黏结能力强，不易产生积屑瘤，且切削刃可磨得锋利。特别是由于其高的抗热震性及优良的高温性能，使其更适合高速切削及断续切削。氮化硅陶瓷刀具还可以切削可锻铸铁、耐热合金等难加工材料。

4)赛隆(Sialon)陶瓷刀具。赛隆陶瓷刀具以Si3N4为硬质相，Al2O3为耐磨相，是氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物，在1800℃进行热压烧结而成的一种单相陶瓷材料，具有很高的强度，抗弯强度达1050～1450MPa，其断裂韧性也是几种陶瓷刀具中最高的，其冲击强度远胜于一般陶瓷刀具而接近涂层硬质合金刀具。赛隆陶瓷刀具具有良好的抗热冲击性能。赛隆陶瓷可用于铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的高速切削、强力切削、断续切削加工，是高速加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料。

5)晶须增韧陶瓷刀具。晶须增韧陶瓷刀具是在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成，可增加陶瓷材料的抗弯强度，使得陶瓷材料获得高硬度和高韧性。晶须强化的作用是通过相变换实现的。相变换的作用是抑制刀具的破裂，由于材料结构的改变，在刀尖上引起破裂的能量被吸收和扩散，使刀具材料得到强化，提高了抗弯强度和韧性。由于它具有抗冲击韧度好、抗热冲击性能强的特点，可以高速加工淬硬钢(达到HRC 65)和中等硬度的钢，而且可以在加切削液的条件下进行切削，这是别的陶瓷刀具所不具备的。

三、陶瓷刀具的发展现状

目前我国陶瓷刀具的应用还处于起步阶段,而且主要用于硬质合金刀具难以切削工件的粗加工,在精密加工中应用比较少,这与国外大量应用于数控机床的情况相反[3]。就陶瓷刀具应用来讲，德国陶瓷刀具已不仅用于普通机床，且已将其作为一种高效、稳定可靠刀具用于数控机床加工及自动化生产线，德国约70%加工铸件工序用陶瓷刀具完成。日本陶瓷刀片产品种类、产量及质量上均具国际先进水平，日本陶瓷刀具年消耗量已占刀具总量8%～10%。美国氧化物—碳化物—氮化物陶瓷刀具研制开发与应用方面一直占世界领先地位。在美国,陶瓷刀具占全部刀具市场份额的3%-4%,在日本该份额为8%-10%,在德国约为12%。在一些特殊的加工过程中,陶瓷刀具所占的比例更大。据估计,今后陶瓷刀具占整个刀具市场的份额可能增加到15%-20%。我国陶瓷刀具开发应用也取得许多重大成果。山东大学建立了基于切削可靠性陶瓷刀具材料设计制造理论，以高速切削可靠性为优化目标，对刀具材料进行组分、微观结构工艺设计，研究开发先进陶瓷刀具材料。先后研制成功颗粒弥散增强增韧、晶须与颗粒协同增韧、梯度功能、粉末涂层、硼化钛增强陶瓷-硬质合金复合刀片等新型陶瓷刀具材料，并已转让成批生产，供实际使用，取得了重大经济社会效益。