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潜质巨大的新型刀具材料-陶瓷刀具材料

2017年09月25日13:57
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       随着现代科学技术和生产的发展,各种新型的难加工材料在产品中大量应用,传统的硬质合金刀具已难以满足生产需要,而陶瓷刀具则以其优异的耐热性、耐磨性、良好的化学稳定性和高性价比而受到了人们的青睐。尤其是在高速切削领域和难加工材料方面,显示出了传统刀具无法比拟的优势。


      利用陶瓷刀具加工普通钢、铸铁、淬硬钢、高锰钢、镍基高温合金、粉末冶金烧结件、玻璃钢和各种工程塑料等难加工材料时,刀具寿命可比硬质合金刀具高几倍甚至十几倍。在生产中它不但能用于一般的车、镗和铣削加工,而且已成功地用于孔加工刀具上;除可在普通机床上使用外,也能有效地用于数控机床和加工中心等高效设备上,被国际上公认为是当代提高生产效率最有潜质的一种刀具。此外,与金刚石和立方氮化硼等超硬刀具相比,陶瓷刀具的价格相对较低(陶瓷刀具的主要原料氧化铝、氧化硅等是地壳中最丰富的成份,取之不尽,用之不竭),因此,有人认为:“随着现代陶瓷刀具材料性能的不断改进,今后它将与涂层硬质合金刀具、金刚石和立方氮化硼等超硬刀具一起成为高速切削、干切削和硬切削的三种主要刀具。”


      陶瓷刀具材料的性能优劣


      与硬质合金刀具相比,陶瓷刀具硬度高达92-95HRA,耐磨性好,在相同条件下加工钢料时,它的磨损仅为P10(YT15)硬质合金刀具的1/15,刀具寿命长。同时,陶瓷刀具与钢铁等金属材料的亲和力小,摩擦系数低,抗黏结和抗扩散能力强,切削时不易黏刀及产生积屑瘤,加工表面质量好。陶瓷刀具的耐热性也很好,在1,200℃时仍能保持80HRA左右的高硬度,所以适合在高温下进行高速切削和干切削,而价格又远低于切削性能与之相近的金刚石和立方氮化硼刀具。表1中列出了陶瓷与常用硬质合金两种材料性能的对比。


      陶瓷刀具的主要缺点是抗弯强度、断裂韧度和弹性模量低,脆性大。长期以来主要作为精加工刀具,占各类刀具材料中的比重很小。但近十几年来,由于材料科学和制造技术的进步,通过控制原料纯度和晶粒尺寸,采用了热压和热等静压烧结工艺等方法(用热压烧结制成的陶瓷,其强度和硬度都比过去冷压法好;而用热等静压法制成的陶瓷,其组织致密,强度更高﹐抗崩刃性能好),添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善陶瓷的性能,并通过颗粒、晶修、相变、微裂纹和几种增韧机制的协同作用提高其断裂韧度和强度,不仅使陶瓷的抗弯强度提高到0.9-1.0GPa(最高可达1.3-1.5GPa,已与硬质合金相当),而且使其抗冲击性能也有很大提高,应用范围日益扩大,除可用于一般精加工与半精加工外,还可用于冲击负荷下的粗加工。


      陶瓷刀具材料的品种分类


      现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷。目前国内外广泛使用的陶瓷刀具材料以及正在开发的陶瓷刀具材料,采取不同的增韧补强机制来进行显微结构设计的,其中以氧化铝(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4)基陶瓷刀具材料的应用最广泛。

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