新型陶瓷刀具材料的发展与展望

新型陶瓷刀具的出现,是人类首次通过运用陶瓷材料改革机械切削加工的一场技术革命的成果。早在20世纪初,德国与英国已经开始寻求采用陶瓷刀具取代传统的碳素工具钢刀具。陶瓷材料因其高硬度与耐高温特性成为新一代的刀具材料,但陶瓷也由于其人所共知的脆性受到局限,于是如何克服陶瓷刀具材料的脆性,提高它的韧性,成为近百年来陶瓷刀具研究的主要课题。

陶瓷的应用范围亦日益扩大。工程技术界努力研制与推广陶瓷刀具的主要原因,(一)是可以大大提高生产效率；(二)是由于构成高速钢与硬质合金的主要成分钨资源在全球范围内的枯竭所决定。20世纪80年代初估计,全世界已探明的钨资源仅够使用50年时间。

钨是世界上最稀缺的资源,但其在切削刀具材料中的消耗却很大,从而导致钨矿价格不断攀升,几十年中上涨好多倍,这在一定程度上也促进了陶瓷刀具研制与推广,陶瓷刀具材料的研制开发取得了令人瞩目的成果。到目前为止,用作陶瓷刀具的材料已形成氧化铝陶瓷,氧化铝—金属系陶瓷、氧化铝—碳化物陶瓷、氧化铝—碳化物金属陶瓷、氧化铝—氮化物金属陶瓷及最新研究成功的氮化硼陶瓷刀具。就世界范围讲,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、稳定可靠的刀具用于数控机床加工及自动化生产线。日本陶瓷刀片在产品种类、产量及质量上均具国际先进水平。美国在氧化物—碳化物—氮化物陶瓷刀具研制开发方面一直占世界领先地位。

中国陶瓷刀具开发应用也取得许多重大成果。①氧化铝陶瓷刀具:材料中采用纯Al2O3陶瓷及以Al2O3为主且添加少量其它元素的陶瓷材料、如MgO、NiO、SiO2、TiO2和Cr2O3等。添加物有利于加强Al2O3抗弯强度,但高温性能有所降低,因此还是以纯氧化铝陶瓷材料为佳。Al2O3陶瓷的室温硬度与高温硬度都高于硬质合金材料。Al2O3陶瓷室温条件下的抗弯强度虽然较低,但随着使用中温度的上升,其抗弯强度却较少降低。依据该项特性用于高速切削却颇为合适。Al2O3陶瓷在室温与高温时抗压强度都很好,尤其可以克服一般高速钢刀具及硬质合金切削刀刃易形成的变形及塌陷缺点。

此外,Al2O3陶瓷在物理热性质及抗氧化、抗粘结性及化学惰性方面都可以大显身手。不过氧化铝陶瓷刀具在切削铁合金及钢件时,较易产生粘结磨损及缺口磨损。作为使用历史最长的刀具材料,氧化铝陶瓷刀具最适于高速切削硬而脆的金属材料,如冷硬铸铁或淬硬钢；用于大件机械零部件切削及用于高精度零件的切削加工。氧化铝陶瓷刀具在短、小零件、钢件的断续切削及Mg、Al、Ti及Be等单质材料及其合金材料切削加工时效果较差,容易使刀具出现扩散磨损或发生剥落与崩刃等缺陷,是其美中不足。②氧化铝—金属系陶瓷:为提高Al2O3陶瓷刀具韧性,材料中引入10%以下的Cr、Co、Mo、W、Ti、Fe等金属元素,由此形成Al2O3金属陶瓷。这样材料密度、抗弯强度及硬度均有提高,但由于氧化铝—金属陶瓷刀具抗蠕变强度低、抗氧性差,后来推广使用情况不佳。

③氧化铝—碳化物系陶瓷:系将一定比例的碳化物,如Mo2C、WC、TiC、TaC、NbC和Cr3C2等加入到Al2O3陶瓷中,以改善Al2O3陶瓷刀具的性能。当TiC含量为30%时,陶瓷刀具的耐用度获得显著提高,而热裂纹深度也较小。目前国际上生产热压Al2O3—TiC陶瓷刀具均采用此配方。Al2O3—TiC陶瓷的抗弯强度,耐热冲击性等均优于Al2O3陶瓷刀具。

④氧化铝—碳化物金属陶瓷刀具:系在Al2O3-TiC陶瓷材料中,采用Mo、Ni(或CO、W)等金属作为粘结相热压而成的陶瓷刀具材料。由于金属粘结Al2O3晶粒和碳化物晶粒二者相互穿插的骨架组成,具有较高的联接强度,因此形成较好的切削性能。这类陶瓷刀具最适用于加工淬硬钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、铸钢,镍基或镍铬合金,镍基和钴基金合等,另外还可用于非金属材料如纤维玻璃,塑料夹层及陶瓷材料的切削加工。由于氧化铝一碳化物金属陶瓷抗热震性能良好,故可适用于铣削,刨削,反复短暂切削或其它间断切削等,亦可采用切削液进行湿式切削等。

⑤氧化铝—氮化物金属陶瓷:此种陶瓷刀具材料基本性能与加工范围与Al2O3一碳化物金属陶瓷材料相当,不过由于以氮化物取代碳化物,因此它具有更好的抗热震性能与更适用于间断切削。但是其抗弯强度与硬度都比添加TiC的金属陶瓷低一些,对它的研究与深度开发仍在继续中。

⑥氮化硼陶瓷刀具:最近,日本住友电气公司开发研制出一种硬度更高的陶瓷刀具材料——粘合性立方晶氮化硼陶瓷(CBN)烧结体。该烧结材料系在压力为7—8GPa,在2300℃～2400℃超高温高压下烧结10分钟后制成。

这项技术还包括在原料制备阶段,为提高CBN纯度将微粉直径磨细等独特的软件技术。将粒径为0．5mm以下的微粒结合成一体,即研制出CBN含有率达到100%的烧结氮化硼陶瓷材料。采用氮化硼材料制成的陶瓷刀具,在对硬度甚高的铸铁进行切削加工时,刀具的头端不会发生常见的受热龟裂与缺屑。根据不同条件,与含有其它结合材料的CBN烧结体相比较,氮化硼陶瓷刀具的使用时间可延长10倍以上,成为一种可作断续切削的材料。尤其在汽车工业加工中,hBN烧结体作为可对发动机等铸铁硬质材料加工的切削材料,在机械加工方面有广阔的用途。

此前的烧结体由于含有颗粒结合剂,因此不能形成如CBN那样高的硬度与热传导率等独特的性质。如CBN直接转换技术,由于其颗粒度太粗而不适合用作高速切削工具。总而言之,随着特种陶瓷材料研变与开发工作的不断深入,陶瓷刀具在金属切削加工业中的应用比例不断扩展。随着航空、航天工业的发展要求,必须满足提高Ti合金和Ni基高温合金等工件材料切削效率的要求,特种陶瓷刀具材料将会作出更大的贡献。

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