陶瓷刀具的发展

发布时间：2005/12/14 22:57:09

潜质优厚的新型刀具

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*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系列整体陶瓷钻头和陶瓷立铣刀，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。除可在普通机床使用外，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、水泵、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*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，用金刚石砂轮刃磨时，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 

 
 
 刀具材料 
 密度
g/cm³ 
 硬度
HRA 
 抗弯强度
GPa 
 抗压强度
GPa 
 断裂韧性
MPa·m1/2 
 弹性模量
GPa 
 导热率
W/(m·K) 
 热膨胀系数
(x10-6)K 
 耐热性
℃

 

 陶瓷 
 3.2-6.6 
 91-95 
 0.4-1.3 
 3-5.5 
 3-9 
 280-420 
 17-35 
 3-8 
 1300-1400

 

 硬质合金 
 10-15 
 88-92 
 0.9-2.5 
 3-6 
 9-17 
 400-690 
 21-110 
 4.5-8.5 
 800-1000
 



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，