陶瓷刀具材料的性能与应用

HEATS · 发表于 2010-9-12 10:57:41

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一、绪论

1938年世界上生产出氧化铝(Al₂O₃)陶瓷刀具材料；1958年研制出氧化铝―碳化物陶瓷；1968―1970年又研制出超微细粒氧化铝(Al₂O₃)陶瓷和氧化铝+碳化钛+镍热压陶瓷；1981年研制出氮化硅(Si₃N₄)陶瓷。在这短短50多年里，由于国内外科技工作者的努力，使这一刀具材料的抗弯强度由450MPa提高到900―1300MPa(90―130kgf/mm²)。目前，国内外陶瓷刀具用量与硬质合金刀具相比还很少，但在日本，欧美等发达国家使用情况，已达到硬质合金的11％以上，普遍认为陶瓷刀具将成为90年以后提高切削效率最有希望的刀具。

据有关资料统计：日本年产陶瓷刀片350万片，占可转位刀具刀片的9％，欧洲工业发达的国家，陶瓷刀片的生产量以每年20％的速度增长，尤其在汽车制造业中使用的比例最大，如联邦德国科隆福特汽车厂，在27万刀片中陶瓷刀片为9万多片，占34％。用于数控机床的刀具中，陶瓷刀片占40％左右。美国福特汽车公司陶瓷刀具使用量占到40％；苏联年产陶瓷刀片达50―60万片；我国从1953年开始研制和使用陶瓷刀具，南京电瓷厂与中科院冶金陶瓷研究所、一机部工具研究所、山东工业大学、上海硅酸盐研究所、清华大学等单位，先后研制出氧化铝陶瓷，氧化铝＋碳化物陶瓷和氮化硅基陶瓷，使陶瓷刀片的性能和质量均大大提高。如石家庄水泵厂加工耐磨铸铁和硬镍铸铁，在车加工工序60％是陶瓷刀具，年消耗量1万片以上；成都量具刃具厂每年用陶瓷刀具来加100万支钻头毛坯外圆。据统计，全国每年生产陶瓷刀片几十万片以上。目前，氧化铝基刀具牌早已有20多个，氮化硅基已有10多个牌号。

陶瓷刀具有很高的硬度、耐磨性，有良好的高温性能，与金属亲和力小，不与金属粘结，化学稳定性好。因此，它可以切削加工一般刀具难以加工的硬度高的工件材料。陶瓷刀具的最佳切削速度可比硬质合金刀具高2―10倍，而且刀具耐用度高，可以大大提高生产效率。陶瓷刀具的主要原料，来源丰富。近年来，研究开发单位，研究开发了原料纯度高，晶粒尺寸小，添加各种碳化物，氮化物，硼化物和氧化物及晶须，采用多种措施增加韧性，使陶瓷刀具材料的抗弯强度和断裂韧性大幅度提高，而较为广泛的应用。可用于高速切削，干切削和硬切削。

二、刀具陶瓷的种类

1 氧化铝基陶瓷：

(1)纯氧化铝陶瓷：它是纯度在99.9％以上的Al₂O₃添加0.1―0.15％的玻璃氧化物(MgO NiO TiO₂ CrO₃)，采用冷压或热压制成。如牌号P1(AM)，硬度HRN96.5，抗弯强度500―550MPa，它的高温性能比较低。

(2)氧化铝―金属系陶瓷：它是在Al₂O₃中增添10％以下的金属(Cr Co Mo W Ti)构成金属陶瓷。由于它蠕变强度低，抗氧化性能差，很少采用。

(3)氧化铝―碳化物系陶瓷：这是一种发展快，使用性能好的一种陶瓷刀具材料。它是在Al₂O₃中添加百分之几到百分之几十的碳化物(TiC WC Mo C NbC Cr₂O₃)热压(1500―1800℃，1500―3000MPa)烧结而成。硬度HRA94.5―95.3，抗弯强度800―1180MPa牌号M16(T8)、AT6、SG3、SG4等。

(4)氧化铝―碳化物―金属系陶瓷：它是在氧化铝―碳化物陶瓷中添加金属(Ni Mo W Co等)以提高氧化铝与碳化物之间的连接强度，而提高其使用性能。可以用于断续切削和使用切削液的整合。硬度HRA93.5―94.8，抗弯强度800―1200MPa。牌号M4、M5(T1)、M6、LT35、LT55等。

此外还有Al₂O₃―ZrO₂、Al₂O₃―TiB₂、Al₂O₃―SiC陶瓷。

2 氮化硅基陶瓷：

它是以高纯度的Si₃N₄为原料，添加MgO Al₂O₃ Y₂O₃等为助烧结剂，通过热压成形烧结而成。是80年代发展起来的刀具材料。其性能在很多方面超过了氧化铝基陶瓷，硬度HRA93―94，抗弯强度700―1100MPa，牌号有SM、HS₇₃、HS₈₀、F₈₅、ST₄、SC₃等。

三、氧化铝基陶瓷刀具的性能

1、有很高的耐磨性：陶瓷刀具的硬度，HRA 91.5―95，超过硬质合金。在切削灰铸铁及合金钢时，金属切除率分别为涂层硬质合金的23倍和6倍和在切削钢时为非涂层硬质合金的20倍。例如：刀具后刀面磨损量(VB)在相同的情况下，Al₂O₃～TiC陶瓷刀具与硬质合金刀具相比的切削时间高20倍。

2、有很高的高温性能：陶瓷刀具在1200℃以上的高温下仍能正常切削，这时，它的硬度与硬质合金在200―600℃时的硬度相当。但抗弯强度却降低的很少，其抗压强度在1100℃与室温相当。在1350℃才产生塑性变形，因其具有这种高温性能而允许在较高的切削速度条件下进行切削。其切削速度比硬质合金高2―5倍。如在切削高温合金和镍基合金时，其切削速度可比硬质合金高3―5倍。切削45号钢时切削速度可达300―1500m/min，而硬质合金只有100―300m/min。

3、有良好地抗粘接性能：Al₂O₃与金属的亲和力很小，它与很多碳化物、氧化物、硼化物等金属化合物相互反应能力很低，不易与金属产生粘结，所以它具有良好地抗粘结能力，可以减少刀具在切削过程中的粘结磨损。(Al₂O₃与钢的产生粘结的温度是1538℃)。

4、化学稳定性好：Al₂O₃陶瓷的化学惰性优于TiC、WC和Si₃N₄。它即使在熔化温度时，也与钢不起化学作用。在铁中溶解率比WC低4―5倍，因而Al₂O₃刀具切削时，它的扩散磨损少。再则，陶瓷刀具材料抗氧化温度是1750℃，它优于其它刀具材料(高速钢和硬质合金为800℃)，能适于在较高的切削温度下进行切削。

5、有较低的磨擦系数：由于陶瓷刀具的磨擦系数小，故切削变形、切削力均比硬质合金小，例如用LT55和SG4陶瓷刀具加工淬火后45号钢(HRC50―55)时，与YTO5比较：Fc下降17.6％，Fp下降14％，Ff下降28％。陶瓷刀具在切削时的磨擦系数低，切屑不易粘在刀具上，不易产生积屑瘤，故已加工表面的粗糙度低，一般切削钢时Ra可达Ra0.8―0.4μm；切铸铁时可达Ra1.6―0.8μm。

四、氮化硅基陶瓷的性能

氮化硅基陶瓷是70年代研制出的一种新刀具材料，它具有很高的硬度，仅次于金刚石，立方氮化硼和碳化硼属第四位。具有良好的耐磨性、耐热性、化学稳定性和耐热冲击性，是一种很有发展前途的刀具材料。

1、具有较高的强度和韧性：Si₃N₄基陶瓷的抗弯强度一般已达900—1000MPa，有的已达到1500MPa。可以在Si₃N₄中添加Y₂O₃或MgO，来提高其强度。添加后它的抗压强度可达3000—4000MPa。它的冲出值可达0.12kgf.m/cm²,而Al₂O₃—TiC则是0.09kgf.m/cm²；它的断裂韧性比氧化铝—TiC高。在切削加工铸铁时，它的抗崩性比YG6还好。不易在切削过程中产生裂纹。它可用来切削可锻铸铁，斯太立特合金，耐热合金等材料的氧化皮切削或断续切削。

2、较高的耐热性：Si₃N₄陶瓷的耐热性可达1300—1400℃以上，高于硬质合金及其它陶瓷，仅次于立方氮化硼。因而能承受较高的切削温度和相应的切削速度，车削镍基合金时，切速Vc可达300m/min。Si₃N₄陶瓷的常温硬度略低于Al₂O₃和Al₂O₃-TiC陶瓷，但900℃时，它的硬度最高，在1000℃时，它的硬度几乎不下降。

3、优良的耐热冲击性能：Si₃N₄陶瓷具有较高的导热系数(58.62W/m.k)是Al2O3(20.93W/m.k)基陶瓷的2.5—3倍，耐热冲击性是Al₂O₃基的2—3倍。可用它来进行湿式荒加工。

4、良好的化学稳定性能：Si₃N₄与碳元素及其他一般金属元素化学反应小，并且有良好的抗氧化性能，在1200℃时无氧化增量，比YT类硬质合金高200℃；Si₃N₄—5MgO陶瓷在1350℃时生成一层连续的保护性能良好的氧化皮，可保持几百小时不被破坏。另外Si₃N₄陶瓷具有良好的自润滑性能，有较低的磨擦系数和良好的抗粘结性能，它与有色金属熔融体不起反应，因而切这些金属(铜、铝)时，不产生粘接和积屑瘤，有力降低表面粗糙度。此外Si₃N₄刀具材料成本低，易于磨削。可以获得锋利的刃口(□<0.1μm)。

五、陶瓷刀具的应用

陶瓷刀具适于切削加工的工件材料：

由于科学技术的发展，刀具陶瓷的性能不断提高，它在切削加工中的应用日益广泛。适用的主要工件材料有：各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、硬铸铁、高强度铸铁等)。各种钢材：调质钢、合金钢、炮钢、高强度钢。HRC>60的淬硬钢，耐热钢和某些耐热合金等；有色金属；铜和铜合金，铝和铝合金等；非金属；耐磨石墨、硬橡胶、塑料、特殊尼龙、聚氯乙稀和树脂及夹布胶木等。

另外，刀具陶瓷不仅适于制造车刀、镗刀、铣刀、刨刀，而且也可通过线切割和刃磨等工艺来制造成形车刀、铰刀、滚刀等刀具。同时它不仅适用于普通机床，更适用于数控机床。它也特别适用于加热切削，如采用等离于加热切削难加工材料时，切削速度可达Vc=70—100m/min，ap>2.5mm，f=0.3—0.4mm/r。

六、结论

1、陶瓷刀具适用于切削加工淬火钢，合金钢，各种铸铁，高强度钢和高温合金。

2、陶瓷刀具切削上述材料时的刀具耐用度和切削速度是硬质合金的几倍以上。加土效率高，加工成本低。

3、在Al₂O₃中添加工碳化物、氮化物、硼化物和氧化物后，使陶瓷刀具材料的抗弯强度和抗断裂韧性大大提高，可以在有冲击的条件下切削。不仅适用车削、镗削，也适用于铣削和刨削。

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