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陶瓷刀具的发展

时间: 2011-07-09 18:02 来源: 作者: 叶伟昌 叶毅点击:
潜质优厚的新型

陶瓷刀具有氧化铝(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4)基两大类,具有工效高、使用寿命长和加工质量好等特点。过去由于抗弯强度低、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。

但近几年来,由于控制了原料纯度和颗粒尺寸细化,添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善其性能,还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和几种增韧机理的协同作用提高其断裂韧性,不仅使抗弯强度提高到0.9~1.0GPa(高的可达1.3-1.5GPa),而且断裂韧度和抗冲击性能都有很大提高,应用範围日益扩大,除可用于一般的精加工和半精加工外,也可用于冲击负荷下的粗加工,在国际上公认为是提高生产效率最有潜质的刀具。目前,陶瓷刀具能以200~1000m/min的切削速度高速加工钢、铸铁及其合金等材料,刀具寿命比硬质合金高几倍、甚至几十倍。如德国Guhring公司推出的RT200系列整体陶瓷和陶瓷立,精加工切削速度为1000m/min。同时,它的出现使传统的工艺概念发生变化,利用陶瓷刀具可直接以车、铣代替磨削(或抛)对淬硬零件加工,可用单一工序代替多道工序,大大缩短工艺流程。在生产中既能用于一般的车、镗和铣削加工,更成功地用于精密孔的加工。除可在普通使用外,也能有效地用于数控机床等高效设备。与金刚石和CBN(立方氮化硼)等超硬刀具相比,陶瓷的价格相对较低,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CBN等超硬刀具一起成为高速加工三种主要刀具。”

陶瓷刀具在中国的发展概貌

中国在陶瓷刀具的研究与开发具有优势,早在20世纪50年代就已在生产中使用,至今中国从事陶瓷刀具的科研和生产企业已有30多家,能够生产20多个品种的氧化铝基陶瓷(占总量的2/3),10多个品种的氮化硅基陶瓷(占1/3),带孔和不带孔刀片的生产能力也很强。其中,清华方大、山东工业大学、北京天龙、重庆渝伦、重庆利特高等高技术陶瓷有限公司及湖南长沙工程陶瓷公司生产的刀片,其性能已与国外同类产品相当,有些甚至更优,而且有些品种是国外没有的,如陶瓷与硬质合金的复合刀片、梯度功能陶瓷刀片、纳米金属陶瓷刀片等。目前,陶瓷刀具已在中国的机械、冶金、矿山、汽车、拖拉机、轴承、水、交通、能源、精密仪器、航空航天等20多个行业的几百家工厂推广应用,取得了显着的经济效益。例如一汽、二汽和石家庄水泵厂等单位都用陶瓷刀具切削难加工材料,一汽集团在加工含硼和含磷的汽车缸套时,已实现了全部陶瓷刀具化,对提高工效和保证产品质量起着重要作用。

陶瓷刀具的特性

陶瓷刀具与硬质合金刀具相比,其硬度高(91-95HRA),耐磨性好,在相同切削条件加工钢料时,磨损仅为P10(YT15) 硬质合金刀具的1/15,刀具寿命长;在1200℃时仍能保持80HRA的高硬度,所以在高温下仍能进行高速切削;它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,切削时不易粘刀及产生积屑瘤,加工表面质量好。另一方面,陶瓷刀具的缺点是脆性大,抗弯强度和抗热冲击性能较差,当切削温度发生显着变化时,容易产生裂纹。表1列出了陶瓷与常用硬质合金的性能对比。

陶瓷刀具的种类

氧化铝(Al2O3)基陶瓷纯氧化铝陶瓷

其中Al2O3的成份占99.9%以上,多呈白色,俗称白陶瓷。中国成都工具研究所生产的P1牌号属于这一类。它的耐磨性好,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,目前已被其它Al2O3复合陶瓷取代。

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等成份经热压烧结而成,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。这类陶瓷主要用于切削淬硬钢和各种耐磨铸铁。中国生产的牌号有M16、SG3、SG4和AG2等,后两种牌号还含有WC的成份。

氧化铝—碳化钛—金属系复合陶瓷

在Al2O3-TiC陶瓷中加入少量的粘结金属,如Ni和Mo等,可提高Al2O3与TiC的连结强度,提高其使用性能,故可用于粗加工。这类陶瓷又称金属陶瓷。中国生产的牌号有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。由于含有金属成份,所以能用电加工切割成任何形状。同时,用金刚石刃磨时,能获得较好的表面质量。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度有较大提高(可达6.0~6.6 MPa·m1/2,普通热压Al2O3-TiC陶瓷断裂韧度为4 MPa·m1/2),用其端铣淬硬钢时刀片抗破损性能比同类LT55牌号高出30%~110%。

Al2O3-SiC晶须增韧陶瓷

在Al2O3陶瓷基体中添加20%~30%的SiCw晶须(是直径小于0.6µm,长度为10~80µm的单晶,具有一定的纤维结构,抗拉强度为7GPa,抗拉弹性模量超过700GP)而成。SiCw晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋,能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物,使其韧性大幅度提高,断裂韧度可达9MPa·m1/2,可有效地用于断续切削及粗车、铣削和扩孔等工序,适于加工镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料。中国生产的JX-1、AW9、SG5及美国WG300、Kyon250与瑞典Sandvik公司CC670等牌号均属于这一类。

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的外载应力,具有表层热导率高、有利切削热的传出、热膨胀系数小、结构完整性好、不易破损等特点。中国山东工业大学开发的FG2刀片就属这一类。用其加工钢铁材料时刀具寿命可比Al2O3/(W,Ti)C复合陶瓷SG4高1-1.5倍,并且刀具有很好的自砺性,崩刃后仍能进行正常切削。

氮化硅(Si3N4)基陶瓷

Si3N4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷,硬度可达1800~ 2000HV,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Si3N4陶瓷刀具。新开发的Si3N4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,例如日本京陶公司的KS6000牌号。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率为2%-3%,与硬质合金相当,因此已可在生产线应用。Si3N4基陶瓷刀具的缺点是磨加工性比普通陶瓷差。

Si3N4-TiC-Co复合陶瓷

其韧性和抗弯强度高于Al2O3基陶瓷,而硬度却不降低;热导率亦高于Al2O3基陶瓷,故在生产中应用比较广泛。中国生产的牌号有FD02、SM、HDM1、N5等。

Si3N4晶须增韧陶瓷

在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成,从而可提高陶瓷刀具的断裂韧性。如中国北京方大高技术陶瓷有限公司生产的FD03刀片以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陶瓷基体中加入硬质弥散颗粒TiCw,SW21刀片是在Si3N4中加入了一定量的SiCw晶须,故有较好的使用性能。一些国外切削专家认为,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FD03和SW21切削淬硬钢(60-68HRC)、高锰钢、高铬钢和轴承钢时也有较好的效果。

Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷

以Si3N4为硬质相、Al2O3为耐磨相、添加少量的助烧结剂Y2O3经热压烧结而成,常称赛阿龙(Sialon)。如美国生产的Sialon牌号KY3000,成份为:77% Si3N4、13% Al2O3、10% Y2O3,硬度达1800HV,抗弯强度达1.2GPa。美国Greeleaf公司生产的Grem4B和瑞典Sandvik公司CC680刀片,以及中国生产的TP4和SC3等均是赛阿龙陶瓷。KY3000陶瓷刀片在高速下切削镍基高温合金时,材料切除率是涂层硬质合金刀具的七倍。除能采用较大的进给量及切削速度高速加工铸铁和高温合金外,并可在面铣刀上采用双正前角(侧前角和背前角均为正值)来加工铸铁。

表1:陶瓷与常用硬质合金的性能比较

陶瓷刀具的新品

纳米金属陶瓷刀具

这是中国合肥工业大学材料学院开发的新型氧化铝基陶瓷刀具,在传统的Al2O3-TiC金属陶瓷中加入纳米材料TiN(氮化钛)和AlN(氮化铝)改性而成,可细化晶粒和优化材料力学性能。使用表明这是高技术含量及高附加值的新型刀具,可部分取代K20 (YG8)、P10 (YT15)等面广量大的硬质合金刀具,刀具寿命可提高2倍以上,生产成本则与K20 (YG8)刀具相当或稍低。

涂层氮化硅陶瓷刀具

Si3N4基陶瓷的韧性优于Al2O3基陶瓷,但其耐磨性稍差。切削铸铁时,Si3N4陶瓷刀具的后刀面磨损大于Al2O3陶瓷刀具;切削钢料时,Si3N4陶瓷刀具的月牙洼磨损较大。为此,国外在Si3N4基陶瓷表面上施以TiN、TiC、Ti(C、N)和Al2O3等涂层,可单涂层,也可用多涂层。图3所示为在Si3N4陶瓷上涂覆Al2O3和TiN多重涂层。经涂层后氮化硅刀具的磨损量为未涂层的1/3,使加工普通铸铁的切削速度达到200~ 1000m/min,且寿命更长。例如Sandvik公司的GC1690涂层氮化硅陶瓷刀具,在加工高强度灰铸铁时的进给量达0.4 mm/r,切削速度为500m/min。日本Seco公司的涂层Si3N4陶瓷刀具,切钢时抗月牙洼磨损的能力强,其切削速度可达Al2O3基陶瓷刀具的切削速度,但进给量却大于后者而接近涂层硬质合金刀具,可使材料切除率大大提高。

多相复合陶瓷刀具

如中国山东工业大学研制的ASW系列陶瓷刀具即属于这一类。ASW是采用热压工艺烧结制备的Al2O3/SiC(W,Ti)C多相复合陶瓷刀具材料,用其切削淬硬工具钢T10时,该陶瓷具有良好的耐磨性。试验表明,随着增强相SiC和(W,Ti)C的含量增加,材料的抗弯强度、断裂韧度和硬度均有一定程度的提高,而当SiC和(W,Ti)C的含量分别在10%~20%时,该陶瓷的综合力学性能最好,故生产中常用AS10W10和AS10W20等牌号。AS10W10表示其中含10% SiC和10% (W,Ti)C,以此类推。目前,对于多相复合陶瓷刀具材料的研究已涉及各种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物陶瓷,并在材料性能与应用方面都取得较大进展。如瑞典Sandvik公司推出的CC650(内含7.5% TiC,22.5% TiN,2% ZrO2,0.2% MgO,其余为Al2O3)和德国Widia公司生产的Widalox H均属这一类,用其加工冷硬铸铁轧辊、淬硬高强度钢、硅锰钢、工具钢和不锈钢时,刀具后刀面磨损小,切削时能获得较小的表面粗糙度。

陶瓷与硬质合金的复合刀片

如中国开发的FH-1、FH-2牌号。FH型刀片的硬度为94-95HRA,抗弯强度为0.8-1.0GPa,断裂韧度为5.3-5.8MPa·m1/2,能承受冲击载荷,其特点是通用性好,适于淬硬钢和断续切削加工。Lellond公司开发出陶瓷与CBN的超硬复合材料,兼有上述两种材料优点,是高速加工高硬耐磨铸铁的理想材料。

TiB2基陶瓷刀具

这是美国佐治亚州理工学院利用自扩散高温合成工艺(Self-propagating High-temperature Synthesis-process, SHS)研制出的新型陶瓷刀具,其商品名为Advanced TiB2。它的硬度是氮化硅的2倍,密度是硬质合金的1/3,而显微硬度则比硬质合金高900~1000HV,其切削性能介于硬质合金和超硬材料CBN之间,用其铣削和车削黑色和有色金属、硬度大于52HRC的淬硬钢和高温合金等材料时,刀具寿命比硬质合金刀具长5~6倍。

此外,近年ZrO2基刀具陶瓷的性能提高也取得重要进展。ZrO2基陶瓷适于加工各种铝合金,包括硅含量高的硅铝合金。所以有人认为,TiB2基陶瓷、ZrO2基陶瓷与现在已在使用的Si3N4基陶瓷一样,可能成为未来的主要刀具陶瓷材料。

陶瓷刀具的应用

刀具陶瓷与工件材料匹配

不同种类的陶瓷刀具有着不同的应用範围,故须正确选择刀具陶瓷的种类与牌号,使其与被加工材料相“匹配”。氧化铝(Al2O3)基陶瓷适于加工各种钢材(素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬硬钢等)和各种铸铁,也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料;加工钢优于Si3N4基陶瓷刀具;但不宜用来加工铝合金和钛合金,否则容易产生化学磨损。Si3N4基陶瓷加工範围与氧化铝基陶瓷类似,最适于高速加工铸铁和高温合金,一般不宜用来加工产生长切屑的钢料(如正火和热轧状态)。赛阿龙(Sialon) 陶瓷最适于加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等)和镍基高温合金,不宜用来加工钢料。

选择合理的刀具几何参数

目前,刀具陶瓷的一些新品种在强度和韧性方面有了较大的提高,但毕竟是脆性材料,抗弯强度较低而抗压强度高。为了充分发挥陶瓷刀具材料抗压强度高的特点,陶瓷刀具一般采用负前角。但倒棱后的刀具使切削力增加,故加工刚性差的工件时不应磨出负倒棱。

选择合理的切削用量

陶瓷刀具有良好的耐热性与耐磨性,故切削用量对刀具磨损的影响要比硬质合金刀具小。因此,切削时应根据被加工工件材料的性质,在机床功率、工艺系统刚性和刀片强度允许前提下,尽量选用较大的背吃刀量和切削速度进行切削,以充分发挥高温性能好的特点。例如,常州柴油机厂用装有Si3N4刀片(SM牌号)的机夹面铣刀(直径250mm,齿数7个) 铣削HT200汽缸盖下平面(160mm X 134mm)时的切削用量为:切削速度471m/min,背吃刀量(吃深)3mm,进给速度是300-1180mm/min,工效比硬质合金面铣刀高2.5~10倍。由于进给量对刀具破损的影响最为敏感,所以开始切削时的进给量应先取得小些,通过试切逐步增加,一直到刀具不出现破损。陶瓷刀具工作时通常是干式切削,如用湿式切削,刀具寿命较长。但在刀具切入工件前就应浇注直到切削完毕为止,切削液必须连续供给,不能时断时续,否则容易引起刀具破损或崩刃。同理,在切削过程中还应尽量避免中途停车或变换切削用量。

陶瓷刀具的结构与刃磨

目前陶瓷刀具的结构大多采用机夹可转位刀片的结构形式。刀片的形状有三边形、正方形、棱形和圆形等。刀片夹紧必须牢固可靠,夹紧力方向应使刀片紧靠定位面。

陶瓷刀具的刃磨应在工具磨床上用的刃磨,以保证刃磨质量。刃磨陶瓷刀具目前大多采用树脂结合剂的金刚石砂轮,粗磨选用80/100~100/120粒度号,精磨、细磨用170/200~325/400粒度,浓度为75%~100%。

选择合适的机床设备

使用陶瓷刀具的机床必须为高刚度、大功率和高转速,这样才能充分发挥它的性能,取得好的经济效益。此外,机床精度要好,装夹工件的夹具和夹紧装置必须可靠,以免加工时产生振动,使陶瓷刀具破损。必须指出,目前生产中不少机床设备还不能满足陶瓷刀具的加工要求,所以陶瓷刀具的潜力未能得到充分发挥,今后随着数控机床(NC)和加工中心(MC)等高效设备应用的增多,必将进一步推动陶瓷刀具的使用。

陶瓷刀具的前景

陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具,在生产中有美好的应用前景,目前已引起世界各国的重视。在德国约70%加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的,而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%-10%。近几年来,中国陶瓷刀具的发展也十分迅速,品种增多,性能提高。中国开发的陶瓷与硬质合金的复合刀片,其工作表面既有陶瓷材料高的硬度与耐磨性,而基体又有硬质合金较好的抗弯强度,故能承受冲击负荷,并解决了陶瓷刀具镶焊困难等问题,为推广使用陶瓷刀具创造了条件。尤其是近几年国内外开发的新品种,尽管至今生产还未形成规模,但因性能优异,有广泛的用途,今后必将迅速发展。可以预料,随着高速切削、干式切削和硬切削应用的增多,今后必将促进陶瓷刀具的发展与使用。

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