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文档简介
1、陶瓷刀具材料的性能与应用 摘要:陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、与金属亲和力小、化学稳定性好等特点,而在国内外被广泛的应用于切削加工淬火钢、合金钢、各种难切削的铸铁、镍基高温合等材料等。其切削效率是硬质合金的3倍以上。特别对一些难切削材料,有优良的切削特点。关键词:陶瓷刀具材料性能应用一、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;19681970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
2、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9001300MPa(90130kgf/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
3、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5060万片;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
4、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210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
5、160; 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0.10.15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500550MPa,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Al2
6、O3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(15001800,15003000MPa)烧结而成。硬度HRA94.595.3,抗弯强度8001180MPa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HRA93.594.8,抗弯强度8001200MPa。牌号M4、M5(T1)、M6、LT35、LT55等。
7、60; 此外还有Al2O3ZrO2、Al2O3TiB2、Al2O3SiC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HRA9394,抗弯强度7001100MPa,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 91.595,超过硬质合金。在切削灰铸铁及合金钢时,金属切除
8、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,Al2O3TiC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200600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25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35倍。切削45号钢时切削速度可达300
9、1500m/min,而硬质合金只有100300m/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45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,
10、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(HRC5055)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Ra0.80.4m;切铸铁时可达Ra1.60.8m。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
11、,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9001000MPa,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30004000MPa。它的冲出值可达0.12kgf.m/cm2,而Al2O3TiC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,
12、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13001400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2.53倍,耐热冲击性是A
13、l2O3基的23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;Si3N45MgO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(<0.1m)。 五、陶瓷刀具的应用陶瓷刀具适于切削加工的工件材料:&
14、#160; 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=70100m/min,ap>2.5mm,
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