陶瓷刀具的发展与应用

陶瓷刀具的发展与应用

李超 1110012128

（南通大学机械工程学院江苏南通）

摘要: 综述了氧化铝系和氮化硅系两类陶瓷刀具的发展现状, 阐述了这两类陶瓷刀具的力学性能与切削性能, 讨论了它们的特点、加工范围以及适合的切削加工用量, 提出了刀具选择及使用要点。

关键词: 陶瓷刀具,氮化硅 , 氧化铝

Development and Application of Ceramic Cutting Tools Abstract:The current development situation of Al2O3 and Si3N4 matrix ceramic cutting tools is summarized. The mechanical property and cutting performance of the two kinds of cutting tools are represented. The characteristics, cutting ranges and suitable machining values of Al2O3 and Si3N4 matrix ceramic cutting tools are discussed emphatically. Some gists of selecting and using ceramic cutting tools are also presented. Keywords: ceramic cutting tools,Si3N4 , Al2O3

0 前言

随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展, 目前切削加工已进入了一个

以高速、高效和高精度为标志的高速加工发展新阶段, 高速切削已成为当前切削技术的重要发展趋向。然而, 由于切削速度的提高相应地产生了更多的切削热和更大的切削力, 这些都会使刀具的切削性能大大降低。因此, 影响高速切削刀具材料切削性能好坏的关键在于其高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。基于这一要求, 近几十年来, 世界各工业发达国家相继开发了一批适于高速切削的新型刀具材料。其中, 陶瓷材料由于其优异的物理力学性能和切削性能在高速切削领域占据了举足轻重的

地位。

1 陶瓷刀具材料的基本特点

陶瓷刀具与硬质合金刀具相比, 其硬度高、耐磨性好, 切削寿命可比硬质合

金高几倍以至十几倍。陶瓷刀具在1 200 e 以上的高温下仍能进行切削,所具备的高温性能使其能够以比硬质合金刀具高3~ 10 倍的切削速度进行加工。陶瓷刀具与钢铁金属的亲和力小、摩擦因数低、抗粘结和抗扩散能力强, 故加工件的表面质量好。此外, 陶瓷刀具的化学稳定性好, 其切削刃即使处于赤热状态也能长时间连续使用, 这对金属高速切削有着重要的意义[ 4] 。近年来, 随着材料科学与制造技术的进步, 可通过添加碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善陶瓷的性能, 还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和增韧机理协同作用提高其断裂韧性和抗弯强度, 故其应用范围日益扩大。当前, 陶瓷刀具材料的研究进展主要集中在提高传统刀具陶瓷材料的性能、细化晶粒、组分复合化及采用涂层、改进烧结工艺和开发新产品等方面, 以期获得更好的耐高温性能、耐磨损性能和抗崩刃性能, 满足高速精密切削加工的要求[ 5, 6] 。

2 陶瓷刀具的性能

陶瓷刀具多为高硬度的细微晶粒经高温烧结而成, 具有高硬度和高耐磨性, 其高温性能和化学稳定性也大大高于其它刀具。因此, 总体上讲, 陶瓷刀具具有良好的切削性能。

2.1 陶瓷刀具的力学性能

陶瓷刀具材料的力学特性是其优良的切削性能的根本所在。

2. 2 陶瓷刀具的切削性能

2.2.1氮化硅陶瓷刀具的性能优点

Si3N4硬度高，一般为HRA93-94.因此耐磨性好.可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁。因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，处长机器设备的使用寿命。

2.2.2 氧化铝陶瓷刀具的性能优点

Al2O3 陶瓷刀具的切削性能Al2O3 系陶瓷刀具的硬度达91~ 95HRA, 在高温下有较好的化学稳定性、耐磨性和耐热性, 高温硬度高, 在1200 e 高温下仍能进行切削( 此时硬度为80HRA) , 如果加入一定的稳定剂并采用热压成形技术, 可使刀具在1800 e 高温下仍能保持硬度和耐磨性, 且高温时刀具与工件间不产生化学反应, 月牙洼磨损率较低, 表面粗糙度小。

3 氮化硅基陶瓷刀具的发展概况

氮化硅基陶瓷是20 世纪70 年代出现的新刀具材料, 它以高纯度的Si3N4 粉末为原料, 添加Y2O3、MgO、ZrO2 和HfO2 等烧结剂或耐磨相Al2O3 或强化相SiCw等烧结而成。具有高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性良好的耐热冲击性能, 是一种有发展前途的刀具材料。国外的Si3N4 陶瓷材料发展较快, 其中以日本和美国最快。国内在20 世纪80 年代就研制成功了这类刀具材料, 但后来的发展并不快, 主要的研究单位有山东工业陶瓷研究院、上海硅酸盐研究所和清华大学。产品种类很少, 有ST4、SC3、FT80 等。主要力学性能为: 平均晶粒尺寸2- 3Lm, 密度3. 18- 3. 41gPcm3 , 硬度HRA91- 94, 抗弯强度900- 1000MPa, 断裂韧性4. 7- 7. 2MPa#m1P2。同国外相比性能差不多。

3. 1 氮化硅基陶瓷的性能特点

( 1) 抗弯强度和断裂韧性

Si3N4 陶瓷的抗弯强度一般已达900- 1000MPa, 据资料报道, 其强度有的已

高达1500MPa, 虽然近几年Al2O3 陶瓷的抗弯强度有了较大提高, 有的甚至达到1000 ) 1200MPa, 但总的来讲, Si3N4 基陶瓷的强度要高于Al2O3 陶瓷。Si3N4 陶瓷不仅抗弯强度高, 而且强度的可靠性也大, 有明显的R 阻力曲线。另外,

Si3N4 陶瓷的疲劳强度比以往的陶瓷刀具高, 可以获得相当稳定的使用寿命。

Si3N4 陶瓷有良好的断裂韧性, 切削时不易产生裂纹, 故在一般陶瓷不能胜任

的氧化皮切削、断续切削、湿式切削和端铣等场合, Si3N4 陶瓷刀具都有稳定的切削性能。在对一般陶瓷刀具不适合的可锻铸铁、耐热合金等材料的氧化皮断续切削加工时,Si3N4 陶瓷刀具可发挥巨大的威力, 端铣时的抗崩刃性能特别好112。

( 2) 硬度

热压烧结Si3N4 陶瓷刀具的硬度一般在HRA91-93, 而Al2O3 陶瓷刀具的硬

度一般都在HRA93 以上, 有的甚至大于HRA97( 如成都工具研究所研制的M16) 。因而Si3N4 基陶瓷刀具的耐磨性能较Al2O3 陶瓷刀具差。切削铸铁时刀具后刀面磨损大于Al2O3 陶瓷刀具; 切削钢料时Si3N4 陶瓷刀具的月牙洼磨损较大。耐磨性较Al2O3 陶瓷刀具差的原因与Si3N4 陶瓷刀具的化学稳定性较Al2O3 陶瓷刀

具低有关。

( 3) 耐热性

Si3N4 陶瓷刀具的耐热性可达1300 ) 1400 e , 高于硬质合金刀具及Al2O3 基陶瓷刀具, 因而能承受较高的切削速度。切削灰铸铁时, 切削速度可800mPmin 以上, 有时甚至可达1000mPmin; 切削镍基合金时速度可达300mPmin 以上Si3N4 陶瓷刀具的高温性能特别好, 在1000 e , 强度几乎不下降, 在高达1300 ) 1400 e时尚有一定的强度。温度升至800 e 以上时抗弯强度才开始下降, 这一临界温度比一般的硬质合金刀具高100 e 以上。

( 4) 抗热震性

Si3N4 陶瓷刀具具有高的导热系数, 约为Al2O3 基陶瓷刀具的2. 5- 3 倍, 而其热膨胀系数还不到Al2O3陶瓷刀具的一半, 弹性模量也较低, 这就必然导致耐热冲击性能的提高。

( 5) 化学稳定性

Si3N4 基陶瓷刀具的化学稳定性虽比硬质合金刀具高但较Al2O3 陶瓷刀具低。Si3N4 在高温下易分解,高于1550 e 时发生分解: Si3N4 ( s) - 3Si ( g) + 2N2 ( g) ,分解出来的Si 与金属的亲和力较大。这也是Si3N4 陶瓷刀具耐磨性差的一个原因。由于Si3N4 陶瓷刀具的上述特性, 使其适用于粗铣、断续车削、荒车及湿式加工; 具有广泛的适应性, 一般陶瓷刀具不能进行的加工, 它都可

以完成, 如切削氧化皮、断续切削、螺纹加工及钻孔等。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继续切削。另外, Si3N4 陶瓷刀具还可以切削可锻铸铁、耐热合金等难加工材料。

3. 2 新型氧化硅基陶瓷刀具的研制概况

( 1) Sialon 陶瓷刀具

Sialon 是Silicon ( 硅) ) Aluminium ( 铝) ) Oxygen( 氧) ) Nitrogen( 氮) 的缩写, 是英国LucasAyalon 公司研制成功的一种新型陶瓷刀具。Sialon 陶瓷刀具是Al2O3在Si3N4 中的固溶体, 是氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物在1800 e 进行热压烧结而成的一种单相陶瓷材料, 氮化硅的结晶晶格稍微扩大, 在其

中Y2O3 可使组织致密化。Sialon 陶瓷刀具具有很高的强度, 抗弯强度达1050- 1450MPa( 硬度为94HRA) , 比纯Al2O3 及Al2O3- TiC 陶瓷刀具都高, 其断裂韧