陶瓷刀具材料的研究进展

陶瓷刀具材料的研究进展

陶瓷是含有金属氧化物的无色非金属材料。化学稳定性好，摩擦因素少，硬度高，是硬件的三倍。在高温条件下，1200140的硬度可达到ha80，对应于200400的硬度。随着现代制造技术的发展,各种新型难加工材料在产品中的大量应用,传统的硬质合金刀具已难以满足生产需要。在现代切削加工中,陶瓷材料以优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性在高速切削领域和切削难加工材料方面扮演着越来越重要的角色,且主要原料Al2O3和SiO2在地壳中非常丰富,因此其发展及应用前景十分广阔。1陶瓷刀具与钢铁金属的配合性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1200℃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。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。2陶瓷刀材料的类型和主要性能2.1复合陶瓷及热压陶瓷)基陶瓷(1)纯氧化铝陶瓷。该陶瓷中Al2O3的成分大于99.9%,多呈白色,俗称白陶瓷。我国成都工具研究所生产的Pl牌号属于此类,其耐磨性好,用于切削灰铸铁有较好效果,也可切削普通碳钢。但因其强度低,抗热振性及断裂韧性较差,切削时易崩刃,故目前已被其他Al2O3复合陶瓷取代。(2)氧化铝-碳化物系复合陶瓷。它是在Al2O3基体中加入TiC、WC、Mo2C、TaC、NbC、Cr3C2等成分经热压烧结而成,其中使用最多的是Al2O3-TiC复合陶瓷。随着TiC含量(30%~50%)的不同,其切削性能也有差异,主要用于切削淬硬钢和各种耐磨铸铁。我国生产的牌号有M16、SG3、SG4和AG2等,后两种牌号中还含有WC的成分。(3)氧化铝-碳化钛-金属系复合陶瓷。该陶瓷因在Al2O3-TiC陶瓷中加入了少量的粘结金属如Ni和Mo等,从而提高了A12O3与TiC的连结强度和使用性能,故可用于粗加工。这类陶瓷又称金属陶瓷。我国生产的牌号有AT6、LT35、LT55、M4、M5、M6、LD-1等,用其切削调质合金钢时的切削速度可达一般硬质合金刀具的1~3倍,刀具寿命为硬质合金刀具的6~10倍,由于其含有金属成分,所以能用电加工切割成任意形状,同时,用金刚石砂轮刃磨时,能获得较好的表面质量。其中LD—1是在Al2O3-TiC系陶瓷的基础上,通过添加少量的特殊微粉,利用多种增韧机制的协同作用而使断裂韧性有较大提高,可达6.0~6.6MPa·m1/2,而普通热压Al2O3-TiC陶瓷断裂韧性为4MPa·m1/2,用其端铣淬硬钢时的刀片抗破损性能要比同类LT55牌号高出30%~110%。(4)Al2O3-SiC晶须增韧陶瓷。它是在Al2O3陶瓷基体中添加20%~30%的SiC晶须(一种直径小于0.6μm,长度为10~80μm的单晶,具有一定的纤维结构,其抗拉强度为7GPa,弹性模量超过700GPa)而成。SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋,它能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物,使陶瓷的韧性大幅度提高(可达9MPa·m1/2),适用于断续切削及粗车、铣削和钻孔等加工及镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料的加工。我国生产的JX—1、AW9、SG5及美国WG300、Kyon250和瑞典Sandvik公司CC670等牌号均属于这一类。2.2si3n4基陶瓷刀具Si3N4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷,其硬度可达HV1800~2000,且热硬性好,能承受1300~1400℃的高温,与碳和金属元素化学反应较小,摩擦因数也较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料,尤其适用于大进给量或断续切削。由于纯Si3N4陶瓷刀具在切削长切屑金属(如软钢)时,极易产生月牙洼磨损,所以新一代Si3N4陶瓷均为复合型。新开发的Si3N4基陶瓷不仅可用于粗加工,而且可用于断续切削和有冷却液的切削,如日本京陶公司的KS6000牌号就是其中的一种。目前,Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率为2%~3%,与硬质合金相当,因此已可在生产线上应用,其缺点是磨加工性较普通陶瓷差。下面列举几种主要的Si3N4基陶瓷。(1)al2o3基陶瓷该陶瓷的韧性和抗弯强度高于Al2O3基陶瓷,而硬度并未降低,热导率亦高于Al2O3基陶瓷,故在生产中应用比较广泛。我国生产的牌号有FD02、SM、HDM1、N5等。(2)si3n4和sw21刀具的车削冷硬铸钢它是在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成,从而提高了陶瓷刀具的断裂韧性,如我国北京方大高技术陶瓷有限公司生产的FD03刀片及湖南长沙工程陶瓷公司生产的SW21牌号均属这一类。FD03刀片是在Si3N4陶瓷基体中加入了硬质弥散颗粒TiC,SW21刀片则是在Si3N4中加入了一定量的SiC晶须,故有较好的使用性能。国外一些切削专家认为,用Si3N4基陶瓷切削钢材的效果不如Al2O3基复合陶瓷,故不推荐用其加工钢材。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬钢(HRC60~68)、高锰钢、高铬钢和轴承钢时,其效果较好。表1中列出了FD02和FD03刀片与其他刀具材料车削冷硬铸铁轧辊时(HS71~73)的切削性能对比。由表1可知,FD03刀具的最佳切削速度要比其他刀具材料的高,而且其切削寿命高达21684m(461min),约为AT6(Al2O3-TiC)复合陶瓷刀具的6.38倍,进口Al2O3-ZrO2增强陶瓷刀具的8.2倍,K10(YG6)硬质合金刀具的78.3倍。(3)赛隆陶瓷siq-tp4它是以Si3N4为硬质相,Al2O3为耐磨相,并添加少量的助烧结剂和Y2O3经热压烧结而成,常称赛隆(Sialon)。例如美国生产的Sialon牌号KY3000,其成分为:77%Si3N4,13%Al2O3,10%Y2O3;硬度达HV1800,抗弯强度达1.2GPa。美国Greeleaf公司生产的Grern4B和瑞典Sandvik公司CC680刀片,以及我国生产的TP4、SG3等均为赛隆陶瓷。KY3000陶瓷刀片在高速下切削镍基高温合金时,加工效率是涂层硬质合金刀具的7倍,除能采用较大的进给量和切削速度来高速加工铸铁和高温合金外,还可在面铣刀上采用双正前角(侧前角和背前角均为正值)加工铸铁。2.3tic,n基金属陶瓷的制备和加工Ti(C,N)基金属陶瓷具有非常独特的性能组合,与硬质合金刀具材料相比,金属陶瓷可有效地用于高速切削加工,最佳切削速度可比硬质合金刀具高3~10倍,并具有更高的耐磨性能,切削寿命是硬质合金的5~10倍,不仅已用于钢材的车削,而且也已用于钢和铸铁的铣削加工。WC-Co类硬质合金刀具耐磨性和强韧性难以兼得,且钨、钴资源短缺,促使了无钨金属陶瓷的研究与开发;TiC基硬质合金的强度和韧性较低。因此,这两种硬质合金已逐步向金属陶瓷方向发展。通过优化成分,改进制备技术,及纳米改性、纳米复合、超细晶粒材料的研究开发,使得Ti(C,N)基金属陶瓷的综合性能有了很大提高。合肥工业大学利用粉末冶金工艺制取纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具,通过在TiC基金属陶瓷中加入30~50nm的TiN粒子,硬度达到HRA92.9,抗弯强度1360MPa,断裂韧性13.2MPa·m1/2,与普通金属陶瓷相比均有明显提高,其抗崩刃性、耐磨性和使用寿命较普通金属陶瓷亦有较大幅度提高。采用真空烧结方法,可使超微级Ti(C,N)金属陶瓷的硬度在不低于HRA90时,其抗弯强度达到2200MPa以上,真空烧结的纳米复合金属陶瓷材料的抗弯强度最高可达到2884.7MPa,硬度达HRA90.5。表2列出了部分具有优良性能的日产Ti(C,N)基金属陶瓷刀片的物理力学性能,从中可看出其抗弯强度远高于其他陶瓷。金属陶瓷作为刀具材料使用,具有非常大的发展潜力,完全可以在某些领域作为钨钴硬质合金的替代材料。2.4抗热冲击性能好的其他方面的应用功能梯度材料应用于刀具近几年才有所发展。将功能梯度的设计思想引入到陶瓷刀具材料的制造过程,给提高刀具性能尤其是抗热冲击性能提供了一种新的方法。Al2O3/(W,Ti)C梯度功能陶瓷通过控制陶瓷材料的组成分布以形成合理的梯度,从而使刀具内部产生有利的残余应力分布来抵消切削中的外载应力,它具有表层热导率高、有利于切削热的传出,热膨胀系数小,结构完整性好,不易破损等特点。如艾兴等研究的基于对称分布梯度模型,经单向热压成形的功能梯度刀具FG-1(Al2O3-TiC)、FG-2[Al2O3-(W,Ti)C],均比匀质材料的抗热冲击性能要好,使用寿命也有较大提高。通过表面氮化处理可制备Ti(C,N)基功能梯度刀具材料。金属陶瓷在表面氮化处理时,表面N的活度较高,促使富W、Mo环型相的不断溶解,W、Mo原子向材料内部扩散,Ti原子向材料表面扩散,形成成分梯度,且由于环形相的溶解,聚积长大的大颗粒分解为小颗粒,使晶粒细化,提高了材料表面硬度,降低了材料表面与金属之间的摩擦因数。瑞典J.Zackrisson等首先研究了金属陶瓷的表面氮化处理技术,发现在高速轴向干车削钢材时,刀具的表面抗塑性变形力较表面有涂层的同类材料提高了大约50%,韧性亦有所提高。氮化处理可充分提高前刀面的抗扩散磨损和后刀面的抗磨蚀磨损能力。2.5tib2基复合陶瓷刀具TiB2具有高硬度、较高的强度和断裂韧性,极好的化学稳定性以及优良的导热、导电、耐磨等性能,较强的抗月牙洼磨损和抗粘着能力。具有单相Fe-Cr-Ni粘结剂或两相Fe2B-Fe-Cr-Ni粘结剂的TiB2基复合陶瓷刀具材料具有较好的硬度与断裂韧性组合,如TiB2-γ(Fe-Cr-Ni)的断裂韧性达9.0MPa·m1/2,硬度HV1800,日本研制的TiB2+Ti(C,N)+Mo2SiB2复合陶瓷材料,其抗弯强度为1300MPa,硬度高达HV2300,比超细硬质合金的硬度更高,是一类极具发展前途的刀具材料。2.6模具材料的加工Hara和Yazu研制的新型CBN-TiN复合刀具材料,被证明是一种极好的用来加工模具钢和弹簧钢的刀具材料。XiaoZhengRong等在CBN-TiN系刀具材料中加入少量Al,热压烧结制得CBN-TiN-Al复合刀具材料,其硬度最高可达到30.7GPa,切削加工淬硬模具钢时其性能比CBN-Al刀具更优。2.7fe3a1与al2o3的匹配性Fe3Al金属间化合物具有特殊的物理、化学和力学性能及独特的形变特征和室温脆性,被称为半陶瓷材料,是一种介于高温合金与陶瓷之间的新型高温材料。Fe3A1与Al2O3具有较好的适配性能,其复合材料界面不产生化学反应,没有界面相生成,具有较好的界面结合力。此刀具材料在切削铸铁和中碳钢时显示出优良的特性,且成本低、功效高,具有广阔的应用前景。其他新型陶瓷刀具材料如ZrO2基陶瓷,因具有较高的断裂韧性和较好的耐磨性能而受到人们的关注;有研究认为,Y2O3陶瓷可作为一类新型的陶瓷刀具材料使用;我国生产的陶瓷-硬质合金刀具材料则具备了陶瓷和硬质合金的综合优势。2.8纳米多层复合涂层近十年来,刀具涂层技术发展迅速,刀具材料与涂层技术相结合为高速切削、硬切削和干切削的实现创造了条件,涂层陶瓷刀具材料在涂层材料中占大多数。常用的涂层为TiC/TiN/Ti(C,N)/TiAlN系列,此类涂层与基体有着较高的结合强度,并具有高硬度、高的耐磨性和切削速度。随着PVD、CVD技术的发展,TiC、TiN、Ti(C,N)、TiB2和TiAlN由单层发展到多元多层复合涂层。如TiCN+TiN,其硬度为HV3100~3400,膜层综合了TiN的耐冲击和TiCN的高硬度、耐磨性的特点;TiAlN的硬度高达HV3400~3600,耐磨性仅低于类金刚石膜,是目前国际工具行业中最为推崇的超硬涂层。Al2O3涂层常用作抗氧化保护膜,且常与TiC、TiN、Ti(C,N)联合作为多层复合涂层使用,如广泛应用的TiC/Al2O3/TiN三涂层、TiC/Ti(C,N)/TiN/Al2O3四涂层,充分利用了各部分的优势,即兼具TiC的高耐磨性、Al2O3的化学稳定性和抗氧化特性、TiN的耐冲击性和高硬度、TiCN的高硬度和高耐磨性。纳米涂层的发展非常活跃,已有的研究结果显示,细颗粒、超细颗粒涂层的性能有很大提高。MBirkho-lz等用GFS技术成功地沉积了以TiO2和Al2O3为陶瓷相、Cu和W为金属相的纳米TiO2、Al2O3涂层,颗粒尺寸不超过10nm,其硬度分别达到了24.1、14.8GPa,并且还表现出良好的切削性能。GSFoxRahinovich等研制的FADTiAlNPVD纳米涂层刀具,颗粒尺寸约为60~80nm,涂层硬度达35GP