陶瓷刀具材料的性能與應(yīng)用

摘要：陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、與金屬親和力小、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，而在國(guó)內(nèi)外被廣泛的應(yīng)用于切削加工淬火鋼、合金鋼、各種難切削的鑄鐵、鎳基高溫合等材料等。其切削效率是硬質(zhì)合金的3倍以上。特別對(duì)一些難切削材料，有優(yōu)良的切削特點(diǎn)。

一、緒論

   1938年世界上生產(chǎn)出氧化鋁(Al₂O₃)陶瓷刀具材料；1958年研制出氧化鋁―碳化物陶瓷；1968―1970年又研制出超微細(xì)粒氧化鋁(Al₂O₃)陶瓷和氧化鋁+碳化鈦+鎳熱壓陶瓷；1981年研制出氮化硅(Si₃N₄)陶瓷。在這短短50多年里，由于國(guó)內(nèi)外科技工作者的努力，使這一刀具材料的抗彎強(qiáng)度由450MPa提高到900―1300MPa(90―130kgf/mm²)。目前，國(guó)內(nèi)外陶瓷刀具用量與硬質(zhì)合金刀具相比還很少，但在日本，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家使用情況，已達(dá)到硬質(zhì)合金的11％以上，普遍認(rèn)為陶瓷刀具將成為90年以后提高切削效率最有希望的刀具。

 

    據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)：日本年產(chǎn)陶瓷刀片350萬(wàn)片，占可轉(zhuǎn)位刀具刀片的9％，歐洲工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，陶瓷刀片的生產(chǎn)量以每年20％的速度增長(zhǎng)，尤其在汽車(chē)制造業(yè)中使用的比例最大，如聯(lián)邦德國(guó)科隆福特汽車(chē)廠，在27萬(wàn)刀片中陶瓷刀片為9萬(wàn)多片，占34％。用于數(shù)控機(jī)床的刀具中，陶瓷刀片占40％左右。美國(guó)福特汽車(chē)公司陶瓷刀具使用量占到40％；蘇聯(lián)年產(chǎn)陶瓷刀片達(dá)50―60萬(wàn)片；我國(guó)從1953年開(kāi)始研制和使用陶瓷刀具，南京電瓷廠與中科院冶金陶瓷研究所、一機(jī)部工具研究所、山東工業(yè)大學(xué)、上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)等單位，先后研制出氧化鋁陶瓷，氧化鋁＋碳化物陶瓷和氮化硅基陶瓷，使陶瓷刀片的性能和質(zhì)量均大大提高。如石家莊水泵廠加工耐磨鑄鐵和硬鎳鑄鐵，在車(chē)加工工序60％是陶瓷刀具，年消耗量1萬(wàn)片以上；成都量具刃具廠每年用陶瓷刀具來(lái)加100萬(wàn)支鉆頭毛坯外圓。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年生產(chǎn)陶瓷刀片幾十萬(wàn)片以上。目前，氧化鋁基刀具牌早已有20多個(gè)，氮化硅基已有10多個(gè)牌號(hào)。

    陶瓷刀具有很高的硬度、耐磨性，有良好的高溫性能，與金屬親和力小，不與金屬粘結(jié)，化學(xué)穩(wěn)定性好。因此，它可以切削加工一般刀具難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質(zhì)合金刀具高2―10倍，而且刀具耐用度高，可以大大提高生產(chǎn)效率。陶瓷刀具的主要原料，來(lái)源豐富。近年來(lái)，研究開(kāi)發(fā)單位，研究開(kāi)發(fā)了原料純度高，晶粒尺寸小，添加各種碳化物，氮化物，硼化物和氧化物及晶須，采用多種措施增加韌性，使陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性大幅度提高，而較為廣泛的應(yīng)用�？捎糜诟咚偾邢�，干切削和硬切削。

二、刀具陶瓷的種類(lèi)

   1  氧化鋁基陶瓷：

    (1)純氧化鋁陶瓷：它是純度在99.9％以上的Al₂O₃添加0.1―0.15％的玻璃氧化物(MgO NiO TiO₂ CrO₃)，采用冷壓或熱壓制成。如牌號(hào)P1(AM)，硬度HRN96.5，抗彎強(qiáng)度500―550MPa，它的高溫性能比較低。

    (2)氧化鋁―金屬系陶瓷：它是在Al₂O₃中增添10％以下的金屬(Cr Co Mo W Ti)構(gòu)成金屬陶瓷。由于它蠕變強(qiáng)度低，抗氧化性能差，很少采用。

    (3)氧化鋁―碳化物系陶瓷：這是一種發(fā)展快，使用性能好的一種陶瓷刀具材料。它是在Al₂O₃中添加百分之幾到百分之幾十的碳化物(TiC WC Mo C NbC Cr₂O₃)熱壓(1500―1800℃，1500―3000MPa)燒結(jié)而成。硬度HRA94.5―95.3，抗彎強(qiáng)度800―1180MPa牌號(hào)M16(T8)、AT6、SG3、SG4等。

    (4)氧化鋁―碳化物―金屬系陶瓷：它是在氧化鋁―碳化物陶瓷中添加金屬(Ni Mo W Co等)以提高氧化鋁與碳化物之間的連接強(qiáng)度，而提高其使用性能�？梢杂糜跀嗬m(xù)切削和使用切削液的整合。硬度HRA93.5―94.8，抗彎強(qiáng)度800―1200MPa。牌號(hào)M4、M5(T1)、M6、LT35、LT55等。

    此外還有Al₂O₃―ZrO₂、Al₂O₃―TiB₂、Al₂O₃―SiC陶瓷。

2  氮化硅基陶瓷：

    它是以高純度的Si₃N₄為原料，添加MgO Al₂O₃ Y₂O₃等為助燒結(jié)劑，通過(guò)熱壓成形燒結(jié)而成。是80年代發(fā)展起來(lái)的刀具材料。其性能在很多方面超過(guò)了氧化鋁基陶瓷，硬度HRA93―94，抗彎強(qiáng)度700―1100MPa，牌號(hào)有SM、HS₇₃、HS₈₀、F₈₅、ST₄、SC₃等。 

三、氧化鋁基陶瓷刀具的性能

    1、有很高的耐磨性：陶瓷刀具的硬度，HRA 91.5―95，超過(guò)硬質(zhì)合金。在切削灰鑄鐵及合金鋼時(shí)，金屬切除率分別為涂層硬質(zhì)合金的23倍和6倍和在切削鋼時(shí)為非涂層硬質(zhì)合金的20倍。例如：刀具后刀面磨損量(VB)在相同的情況下，Al₂O₃～TiC陶瓷刀具與硬質(zhì)合金刀具相比的切削時(shí)間高20倍。

    2、有很高的高溫性能：陶瓷刀具在1200℃以上的高溫下仍能正常切削，這時(shí)，它的硬度與硬質(zhì)合金在200―600℃時(shí)的硬度相當(dāng)。但抗彎強(qiáng)度卻降低的很少，其抗壓強(qiáng)度在1100℃與室溫相當(dāng)。在1350℃才產(chǎn)生塑性變形，因其具有這種高溫性能而允許在較高的切削速度條件下進(jìn)行切削。其切削速度比硬質(zhì)合金高2―5倍。如在切削高溫合金和鎳基合金時(shí)，其切削速度可比硬質(zhì)合金高3―5倍。切削45號(hào)鋼時(shí)切削速度可達(dá)300―1500m/min，而硬質(zhì)合金只有100―300m/min。

    3、有良好地抗粘接性能：Al₂O₃與金屬的親和力很小，它與很多碳化物、氧化物、硼化物等金屬化合物相互反應(yīng)能力很低，不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，所以它具有良好地抗粘結(jié)能力，可以減少刀具在切削過(guò)程中的粘結(jié)磨損。(Al₂O₃與鋼的產(chǎn)生粘結(jié)的溫度是1538℃)。

    4、化學(xué)穩(wěn)定性好：Al₂O₃陶瓷的化學(xué)惰性?xún)?yōu)于TiC、WC和Si₃N₄。它即使在熔化溫度時(shí)，也與鋼不起化學(xué)作用。在鐵中溶解率比WC低4―5倍，因而Al₂O₃刀具切削時(shí)，它的擴(kuò)散磨損少。再則，陶瓷刀具材料抗氧化溫度是1750℃，它優(yōu)于其它刀具材料(高速鋼和硬質(zhì)合金為800℃)，能適于在較高的切削溫度下進(jìn)行切削。

    5、有較低的磨擦系數(shù)：由于陶瓷刀具的磨擦系數(shù)小，故切削變形、切削力均比硬質(zhì)合金小，例如用LT55和SG4陶瓷刀具加工淬火后45號(hào)鋼(HRC50―55)時(shí)，與YTO5比較：Fc下降17.6％，F(xiàn)p下降14％，F(xiàn)f下降28％。陶瓷刀具在切削時(shí)的磨擦系數(shù)低，切屑不易粘在刀具上，不易產(chǎn)生積屑瘤，故已加工表面的粗糙度低，一般切削鋼時(shí)Ra可達(dá)Ra0.8―0.4μm；切鑄鐵時(shí)可達(dá)Ra1.6―0.8μm。

四、氮化硅基陶瓷的性能

    氮化硅基陶瓷是70年代研制出的一種新刀具材料，它具有很高的硬度，僅次于金剛石，立方氮化硼和碳化硼屬第四位。具有良好的耐磨性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱沖擊性，是一種很有發(fā)展前途的刀具材料。

    1、具有較高的強(qiáng)度和韌性：Si₃N₄基陶瓷的抗彎強(qiáng)度一般已達(dá)900—1000MPa，有的已達(dá)到1500MPa�？梢栽赟i₃N₄中添加Y₂O₃或MgO，來(lái)提高其強(qiáng)度。添加后它的抗壓強(qiáng)度可達(dá)3000—4000MPa。它的沖出值可達(dá)0.12kgf.m/cm²,而Al₂O₃—TiC則是0.09kgf.m/cm²；它的斷裂韌性比氧化鋁—TiC高。在切削加工鑄鐵時(shí)，它的抗崩性比YG6還好。不易在切削過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。它可用來(lái)切削可鍛鑄鐵，斯太立特合金，耐熱合金等材料的氧化皮切削或斷續(xù)切削。

    2、較高的耐熱性：Si₃N₄陶瓷的耐熱性可達(dá)1300—1400℃以上，高于硬質(zhì)合金及其它陶瓷，僅次于立方氮化硼。因而能承受較高的切削溫度和相應(yīng)的切削速度，車(chē)削鎳基合金時(shí)，切速Vc可達(dá)300m/min。Si₃N₄陶瓷的常溫硬度略低于Al₂O₃和Al₂O₃-TiC陶瓷，但900℃時(shí)，它的硬度最高，在1000℃時(shí)，它的硬度幾乎不下降。

    3、優(yōu)良的耐熱沖擊性能：Si₃N₄陶瓷具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)(58.62W/m.k)是Al2O3(20.93W/m.k)基陶瓷的2.5—3倍，耐熱沖擊性是Al₂O₃基的2—3倍�？捎盟鼇�(lái)進(jìn)行濕式荒加工。

4、良好的化學(xué)穩(wěn)定性能：Si₃N₄與碳元素及其他一般金屬元素化學(xué)反應(yīng)小，并且有良好的抗氧化性能，在1200℃時(shí)無(wú)氧化增量，比YT類(lèi)硬質(zhì)合金高200℃；Si₃N₄—5MgO陶瓷在1350℃時(shí)生成一層連續(xù)的保護(hù)性能良好的氧化皮，可保持幾百小時(shí)不被破壞。另外Si₃N₄陶瓷具有良好的自潤(rùn)滑性能，有較低的磨擦系數(shù)和良好的抗粘結(jié)性能，它與有色金屬熔融體不起反應(yīng)，因而切這些金屬(銅、鋁)時(shí)，不產(chǎn)生粘接和積屑瘤，有力降低表面粗糙度。此外Si₃N₄刀具材料成本低，易于磨削�？梢垣@得鋒利的刃口(□<0.1μm)。 

五、陶瓷刀具的應(yīng)用

    陶瓷刀具適于切削加工的工件材料：由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，刀具陶瓷的性能不斷提高，它在切削加工中的應(yīng)用日益廣泛。適用的主要工件材料有：各種鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵、硬鑄鐵、高強(qiáng)度鑄鐵等)。各種鋼材：調(diào)質(zhì)鋼、合金鋼、炮鋼、高強(qiáng)度鋼。HRC>60的淬硬鋼，耐熱鋼和某些耐熱合金等；有色金屬；銅和銅合金，鋁和鋁合金等；非金屬；耐磨石墨、硬橡膠、塑料、特殊尼龍、聚氯乙稀和樹(shù)脂及夾布膠木等。

    另外，刀具陶瓷不僅適于制造車(chē)刀、鏜刀、銑刀、刨刀，而且也可通過(guò)線切割和刃磨等工藝來(lái)制造成形車(chē)刀、鉸刀、滾刀等刀具。同時(shí)它不僅適用于普通機(jī)床，更適用于數(shù)控機(jī)床。它也特別適用于加熱切削，如采用等離于加熱切削難加工材料時(shí)，切削速度可達(dá)Vc=70—100m/min，ap>2.5mm，f=0.3—0.4mm/r。

六、結(jié)論

    1、陶瓷刀具適用于切削加工淬火鋼，合金鋼，各種鑄鐵，高強(qiáng)度鋼和高溫合金。

    2、陶瓷刀具切削上述材料時(shí)的刀具耐用度和切削速度是硬質(zhì)合金的幾倍以上。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彎強(qiáng)度和抗斷裂韌性大大提高，可以在有沖擊的條件下切削。不僅適用車(chē)削、鏜削，也適用于銑削和刨削。