新型刀具材料――陶瓷

HEATS

1 概述

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    20世纪中，高速钢和硬质合金是应用最广泛的刀具材料。高速钢的主要化学成分是铁、碳和其他合金元素(如W，Mo，Cr，V等)，形成碳化铁与复合碳化物，而具备切削刀具所需的性能。硬质合金的主要化学成分是碳化钨、碳化钛、碳氮化钛及钴等。硬质合金硬度达HRA89～93.5，抗弯强度达0.9～1.6GPa以上，其切削性能高于高速钢。在20世纪中，又出现了以氧化物、氮化物为主要成分的刀具材料――陶瓷(Ceramics)。早在古代，陶瓷在人类生活中已得到广泛应用。20世纪前期，人们已开始研制作为刀具材料的陶瓷，其硬度尚可，但太脆，难以真正付诸应用。20世纪50年代，前苏联和中国掀起了应用陶瓷刀具的热潮，当时用“冷压法”制造，硬度达HRA91～92，抗弯强度仅为0.40-0.45GPa，用作刀具进行切削加工时，“打刀”与“崩刃”严重。不久，这个热潮便宜告停止，只在极少数场合坚持应用。经过长期的努力，陶瓷刀具材料的制造技术不断改进，机械性能大幅度提高。到20世纪80年代，硬度达HRA91～95，抗弯强度达0.70～0.95GPa。虽然陶瓷的抗弯强度和断裂韧性仍不如硬质合金，但已能满足某些切削加工的要求，于是应用范围又逐渐广泛起来。 ' h* g; y* h" [) U1 F! n0 ^

    目前，陶瓷刀片的制造主要用热压法，即将粉末状原料在高温高压下压制成饼状，然后切割成刀片。另一种方法是冷压法，即将原材料粉末在常温下压制成坯，经烧结成为刀片。热压法制品质量好，因此是目前陶瓷刀片的主要制造方法。 5 C- z/ J/ y* i3 z

2  陶瓷刀具材料的种类 % S- |( O4 k9 ~

    按化学成分，陶瓷刀具材料约可以分为氧化铝系、氮化硅系、复合氮化硅一氧化铝系三大类。

2.1  氧化铝系陶瓷 8 _. h0 G& p* B* O- k

     最早的这类陶瓷是纯氧化铝陶瓷，其成分几乎全是A1₂O₃，只是添加了很少量(0.1～0.5％)的MgO或Cr₂O₃，TiO₂等，经冷压制成刀片。这种陶瓷刀片的硬度为HRA91～92，但抗弯强度很低，只及0.40～0.45GPa左右。20世纪50年代曾用过这种刀片，但难以推广。

    后来，采用氧化铝―碳化物复合陶瓷，即以A1₂O₃基加入TiC、WC、SiC、TaC等成分，经热压成复合陶瓷。其中以A1₂O₃-TiC复合陶瓷用得最多，加入的TiC在30～50％之间，有的还在A1₂O₃-TiC中再添加少良的Mo、Ni、Cr、W、Cr等金属。Al₂O₃-TiC复合陶瓷的硬度达HRA93～95，抗弯强度达0.7～0.9GPa。若添加金属后，抗弯强度有所提高，但硬度下降。

    氧化铝亦可与氧化锆组合成为Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷。与A1₂O₃-TiC复合陶瓷相比，Al₂O₃-ZrO₂的硬度较低(HRA91～92)，抗弯强度仅及O.7GPa，仅断裂韧性提高，它的应用不如Al₂O₃-Tic广泛。还有Al₂O₃-Zr复合陶瓷，硬度达HRA93.2，抗弯强度达0.8GPa。此外，还有Al₂O₃-TiC-ZrO₂与Al₂O₃-TiB₂等复合陶瓷。

2.2    氮化硅系陶瓷

    仅添加少量其他成分的纯氮化硅陶瓷用得很少。Si₃N₄-TiC-Co复合陶瓷的性能好，其韧性和抗弯强度高于Al₂O₃基陶瓷，而硬度不下降；导热系数亦高于Al₂O₃陶瓷。Si₃N₄-TiC-Co及Al₂O₃-TiC复合陶瓷在生产中用得都比较广泛。

2.3  复合氮化硅―氧化铝系陶瓷

    Si₃N₄-Al₂O₃-Y₂O₃复合陶瓷叫赛阿龙(Sialon)，是后来研制成功的一种新型复合陶瓷。例如，美国Kennametal公司的Sialon牌号KY3000，其成分为Si₃N₄77％，A1₂O₃13％，Y₂O₃10％，硬度达HVl800，抗弯强度达1.2GPa，韧性高于其他陶瓷。美国Greeleaf公司研制的Gem4B和瑞典Sandvik公司研制的CC680都是Sialon陶瓷。 $ Z& E3 y5 a% ^8 H) ^8 g; s% X7 D

表1列出了国内外主要厂家所生产的陶瓷刀片的牌号、成分及主要性能。

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    在Al2O3或Si3N4基体中，加入SiC品须形成“晶须增韧陶瓷”。在表1中列入了“晶须增韧陶瓷”的国内外牌号。这种陶瓷刀片的断裂韧性有显著提高。 6 E( b$ H7 d w% A- r& m

3  陶瓷刀具材料的应用 , p& B$ A+ m: ?$ m- I9 y8 [

    不同种类的陶瓷刀具材料有着不同的应用范围。氧化铝系的陶瓷主要加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等)和各种钢料(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬硬钢等)；也可以加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。不宜加工铝合金、钛合金，这是由于化学性质的原因。

    氮化硅系陶瓷不能加工出长屑的钢料(如正火、热轧状态)，其余加工范围与氧化铝系陶瓷近似。 ; d. u( `. A0 T3 J: j* M

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    Sialon陶瓷主要加工各种铸铁(含冷硬铸铁)与高温合金，不宜切削钢料。

    目前，陶瓷刀具材料主要应用于车削、镗削和面铣等精加工和半精加工工序。最适宜加工淬硬钢、高强度钢与高硬度铸铁，切削效果比之硬质合金刀具有显著提高；加工一般硬度的钢材和铸铁，效果常不如上述显著。陶瓷刀具的良好切削效果将在以下的切削试验中得到证实。

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4  切削试验

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4.1  作者用Si₃N₄基复合陶瓷刀片HDM-3车削冷硬铸铁(HRC52～55)，并与亚微细粒硬质合金刀片YS10作对比。

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   切削用量αp=0.3mm，f=0.1mm/r

    刀具几何参数γ₀=-8°，α₀=8°，κ_r =45°，λs =-4°，r_E =0.8mm，b_r=0.5mm，γ₀₁=-15°～-20°。

    得到T-ν曲线图如图1所示。Talyor方程如下：

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    ν=290/T^0.20    (m/min)    (HDM-3)

    ν=240/T^0.27    (m/min)    (YS10)

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    HDM-3的使用寿命显著提高。

4.2  用Si₃N₄基添加SiC晶须的复合陶瓷HDM-2车削CrMnB淬硬钢(HRC60～64)，并与亚微细粒硬质合金刀片YS8作对比。

    切削用量αp=0.3mm，f=0.1mm/r

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    刀具几何参数γ₀=-8°，α₀=8°，κ_r =45°，λs =-4°，r_E =0.5mm，b_r =0.2～0.3mm，γ₀₁=-20°。

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    收VB=O.3mm，得到T-ν曲线图如图2所示。Talyor方程如下：

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    ν=318/T^0.42    (m/min)    (HDM-2)

    ν=102/T^0.27    (m/min)     (YS8)

    HDM-2使用寿命显著提高。

4.3  又用Al₂O₃基复合陶瓷刀片HDM-4车削高强度钢38CrNi3MOVA(中温调质，HRC36～40)，并与碳氮化钛基硬质合金刀片YN20作对比。

    切削用量αp=0.5mm，f=0.1mm/r

    刀具几何参数，各自选用合适的数值，本文从略。

取VB=O.3mm，得到T-ν，曲线图如图3所示。Talyor方程如下：

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ν=42.5/T^0.30     (m/min)    (HDM-4)

( M# o* m9 ?+ i+ R( w2 v9 s

ν=270/T^0.19      (m/min)    (TN20)

HDM-4使用寿命显著提高。

4.4  再用HDM-4复合陶瓷刀片车削超高强度钢35CrMnSi(中温调质，HRC44～49)，并与涂层硬质合

金刀片YB415作对比。

    切削用量αp=0.5mm，f=0.21mm/r

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    刀具几何参数γ₀=-8°，α₀=8°，κ_r =45°，λs =-40°，r_E =0.5mm。

    取VB=0.15mm，得到T-ν曲线图如图4所示。Talyor方程如下：

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    ν=270/T^0.17    (M/min)    (HDM-4)

    ν=190/T^0.26    (m/min)    (YB415)

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    HDM-4使用寿命显著提高。

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4.5  用HDM-1、HDM-2、HDM-3陶瓷刀片(都是Si₃N₄基)车削合金钢花键轴(HRC47～50)，进行冲击试验。

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    切削用量αp=0.3mm，f=0.1mm/r，ν=80m／min，其抗冲击次数与破损情况如图5所示。

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    由图5可见，Si₃N₄基添加SiC晶须的复合陶瓷HDM-2的抗冲击性能最好，破损前冲击次数达30000次。一般Si₃N₄基复合陶瓷HDM-3次之，达12000次；纯Si₃N₄陶瓷HDM-1只达5000次。

5  切削机理

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    (1)陶瓷的常温硬度和高温硬度高于硬质合金

    陶瓷的常温硬度略高于硬质合金。Al₂O₃基或Si₃N₄基陶瓷的硬度常为HRA92.5～94；而YG类与YT类硬质合金的硬度则分别为HRA89～91与HRC HRA90～93。高温硬度与硬质合金差别较大，例如，在800℃时，硬质合金YT15的硬度仅为HRA78；而陶瓷尚保持HRA89。故陶瓷刀具抗磨料磨损及切削硬材料的性能明显优于硬质合金。

    (2)陶瓷的高温弹性模量高于硬质合金。

    在高温下，陶瓷的弹性模量为420～520GPa，约与YT类硬质合金相当，但低于YG类硬质合金；在高温下，A1₂O₃基与Si₃N₄基陶瓷的弹性模量降低较少，而硬质合金降低较多。故陶瓷刀具切削硬材料时显示出它的优越性。

    (3)Al₂O₃基陶瓷在高温下化学性能稳定

    刀具材料形成自由能越低，则化学性能越稳定。在1000℃时Al₂O₃、TiC、WC的形成自由能分别为-65、-45、-10kcal/mol，故Al₂O₃的化学稳定性和抗扩散磨损的能力，不仅远高于WC，而且高于TiC，故Al₂O₃基陶瓷切削出长切屑的钢材时，具有良好的切削性能。

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作者曾用HDM-4(Al₂O₃基)与HDM-3(Si₃N₄基)陶瓷车削高强度钢38CrNi3MoVA(HRC36～40)，切削用量为αp=0.5mm,f=O.1mm/r，ν=170m/min。HDM-4切削20min后，前刀面上形成月牙洼的宽度仅为0.3mm；而HDM-3切削6.8min后，月牙洼宽度就已达到0.6mm。在扫描电镜上对两种陶瓷刀具的月牙洼中部表面进行能谱分析，结果见表2。

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    由表2可见，工件材料中的Fe元素大量扩散到HDM-3刀具的表面，与刀具中的成分化合形成新的物质；而Fe元素进人HDM-4刀具表面甚少，故Al₂O₃基陶瓷适合切削出长切屑的钢材，而Si₃N₄基陶瓷对此不能胜任。