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陶瓷刀具材料的性能與應(yīng)用

發(fā)布時間:2013-08-08

  一、緒論

  1938年世界上生產(chǎn)出氧化鋁(Al2O3)陶瓷刀具材料;1958年研制出氧化鋁―碳化物陶瓷;1968―1970年又研制出超微細(xì)粒氧化鋁(Al2O3)陶瓷和氧化鋁+碳化鈦+鎳熱壓陶瓷;1981年研制出氮化硅(Si3N4)陶瓷。在這短短50多年里,由于國內(nèi)外科技工作者的努力,使這一刀具材料的抗彎強(qiáng)度由450MPa提高到900―1300MPa(90―130kgf/mm2)。目前,國內(nèi)外陶瓷刀具用量與硬質(zhì)合金刀具相比還很少,但在日本,歐美等發(fā)達(dá)國家使用情況,已達(dá)到硬質(zhì)合金的11%以上,普遍認(rèn)為陶瓷刀具將成為90年以后提高切削效率最有希望的刀具。

  據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì):日本年產(chǎn)陶瓷刀片350萬片,占可轉(zhuǎn)位刀具刀片的9%,歐洲工業(yè)發(fā)達(dá)的國家,陶瓷刀片的生產(chǎn)量以每年20%的速度增長,尤其在汽車制造業(yè)中使用的比例最大,如聯(lián)邦德國科隆福特汽車廠,在27萬刀片中陶瓷刀片為9萬多片,占34%。用于數(shù)控機(jī)床的刀具中,陶瓷刀片占40%左右。美國福特汽車公司陶瓷刀具使用量占到40%;蘇聯(lián)年產(chǎn)陶瓷刀片達(dá)50―60萬片;我國從1953年開始研制和使用陶瓷刀具,南京電瓷廠與中科院冶金陶瓷研究所、一機(jī)部工具研究所、山東工業(yè)大學(xué)、上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)等單位,先后研制出氧化鋁陶瓷,氧化鋁+碳化物陶瓷和氮化硅基陶瓷,使陶瓷刀片的性能和質(zhì)量均大大提高。如石家莊水泵廠加工耐磨鑄鐵和硬鎳鑄鐵,在車加工工序60%是陶瓷刀具,年消耗量1萬片以上;成都量具刃具廠每年用陶瓷刀具來加100萬支鉆頭毛坯外圓。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國每年生產(chǎn)陶瓷刀片幾十萬片以上。目前,氧化鋁基刀具牌早已有20多個,氮化硅基已有10多個牌號。

  陶瓷刀具有很高的硬度、耐磨性,有良好的高溫性能,與金屬親和力小,不與金屬粘結(jié),化學(xué)穩(wěn)定性好。因此,它可以切削加工一般刀具難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質(zhì)合金刀具高2―10倍,而且刀具耐用度高,可以大大提高生產(chǎn)效率。陶瓷刀具的主要原料,來源豐富。近年來,研究開發(fā)單位,研究開發(fā)了原料純度高,晶粒尺寸小,添加各種碳化物,氮化物,硼化物和氧化物及晶須,采用多種措施增加韌性,使陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性大幅度提高,而較為廣泛的應(yīng)用??捎糜诟咚偾邢鳎汕邢骱陀睬邢?。

  二、刀具陶瓷的種類

  1 氧化鋁基陶瓷:

  (1)純氧化鋁陶瓷:它是純度在99.9%以上的Al2O3添加0.1―0.15%的玻璃氧化物(MgONiOTiO2CrO3),采用冷壓或熱壓制成。如牌號P1(AM),硬度HRN96.5,抗彎強(qiáng)度500―550MPa,它的高溫性能比較低。

  (2)氧化鋁―金屬系陶瓷:它是在Al2O3中增添10%以下的金屬(CrCoMoWTi)構(gòu)成金屬陶瓷。由于它蠕變強(qiáng)度低,抗氧化性能差,很少采用。

  (3)氧化鋁―碳化物系陶瓷:這是一種發(fā)展快,使用性能好的一種陶瓷刀具材料。它是在Al2O3中添加百分之幾到百分之幾十的碳化物(TiCWCMoCNbCCr2O3)熱壓(1500―1800℃,1500―3000MPa)燒結(jié)而成。硬度HRA94.5―95.3,抗彎強(qiáng)度800―1180MPa牌號M16(T8)、AT6、SG3、SG4等。

  (4)氧化鋁―碳化物―金屬系陶瓷:它是在氧化鋁―碳化物陶瓷中添加金屬(NiMoWCo等)以提高氧化鋁與碳化物之間的連接強(qiáng)度,而提高其使用性能??梢杂糜跀嗬m(xù)切削和使用切削液的整合。硬度HRA93.5―94.8,抗彎強(qiáng)度800―1200MPa。牌號M4、M5(T1)、M6、LT35、LT55等。

  此外還有Al2O3―ZrO2、Al2O3―TiB2、Al2O3―SiC陶瓷。

  2 氮化硅基陶瓷:

  它是以高純度的Si3N4為原料,添加MgOAl2O3Y2O3等為助燒結(jié)劑,通過熱壓成形燒結(jié)而成。是80年代發(fā)展起來的刀具材料。其性能在很多方面超過了氧化鋁基陶瓷,硬度HRA93―94,抗彎強(qiáng)度700―1100MPa,牌號有SM、HS73、HS80、F85、ST4、SC3等。

  三、氧化鋁基陶瓷刀具的性能

  1、有很高的耐磨性:陶瓷刀具的硬度,HRA91.5―95,超過硬質(zhì)合金。在切削灰鑄鐵及合金鋼時,金屬切除率分別為涂層硬質(zhì)合金的23倍和6倍和在切削鋼時為非涂層硬質(zhì)合金的20倍。例如:刀具后刀面磨損量(VB)在相同的情況下,Al2O3~TiC陶瓷刀具與硬質(zhì)合金刀具相比的切削時間高20倍。

  2、有很高的高溫性能:陶瓷刀具在1200℃以上的高溫下仍能正常切削,這時,它的硬度與硬質(zhì)合金在200―600℃時的硬度相當(dāng)。但抗彎強(qiáng)度卻降低的很少,其抗壓強(qiáng)度在1100℃與室溫相當(dāng)。在1350℃才產(chǎn)生塑性變形,因其具有這種高溫性能而允許在較高的切削速度條件下進(jìn)行切削。其切削速度比硬質(zhì)合金高2―5倍。如在切削高溫合金和鎳基合金時,其切削速度可比硬質(zhì)合金高3―5倍。切削45號鋼時切削速度可達(dá)300―1500m/min,而硬質(zhì)合金只有100―300m/min。怎么搭配日霜控油補(bǔ)水產(chǎn)品防曬胸部小品牌精油哪種好最好的哪個保健補(bǔ)品好

  3、有良好地抗粘接性能:Al2O3與金屬的親和力很小,它與很多碳化物、氧化物、硼化物等金屬化合物相互反應(yīng)能力很低,不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié),所以它具有良好地抗粘結(jié)能力,可以減少刀具在切削過程中的粘結(jié)磨損。(Al2O3與鋼的產(chǎn)生粘結(jié)的溫度是1538℃)。

  4、化學(xué)穩(wěn)定性好:Al2O3陶瓷的化學(xué)惰性優(yōu)于TiC、WC和Si3N4。它即使在熔化溫度時,也與鋼不起化學(xué)作用。在鐵中溶解率比WC低4―5倍,因而Al2O3刀具切削時,它的擴(kuò)散磨損少。再則,陶瓷刀具材料抗氧化溫度是1750℃,它優(yōu)于其它刀具材料(高速鋼和硬質(zhì)合金為800℃),能適于在較高的切削溫度下進(jìn)行切削。

  5、有較低的磨擦系數(shù):由于陶瓷刀具的磨擦系數(shù)小,故切削變形、切削力均比硬質(zhì)合金小,例如用LT55和SG4陶瓷刀具加工淬火后45號鋼(HRC50―55)時,與YTO5比較:Fc下降17.6%,F(xiàn)p下降14%,F(xiàn)f下降28%。陶瓷刀具在切削時的磨擦系數(shù)低,切屑不易粘在刀具上,不易產(chǎn)生積屑瘤,故已加工表面的粗糙度低,一般切削鋼時Ra可達(dá)Ra0.8―0.4μm;切鑄鐵時可達(dá)Ra1.6―0.8μm。

  四、氮化硅基陶瓷的性能

  氮化硅基陶瓷是70年代研制出的一種新刀具材料,它具有很高的硬度,僅次于金剛石,立方氮化硼和碳化硼屬第四位。具有良好的耐磨性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱沖擊性,是一種很有發(fā)展前途的刀具材料。

  1、具有較高的強(qiáng)度和韌性:Si3N4基陶瓷的抗彎強(qiáng)度一般已達(dá)900—1000MPa,有的已達(dá)到1500MPa??梢栽赟i3N4中添加Y2O3或MgO,來提高其強(qiáng)度。添加后它的抗壓強(qiáng)度可達(dá)3000—4000MPa。它的沖出值可達(dá)0.12kgf.m/cm2,而Al2O3—TiC則是0.09kgf.m/cm2;它的斷裂韌性比氧化鋁—TiC高。在切削加工鑄鐵時,它的抗崩性比YG6還好。不易在切削過程中產(chǎn)生裂紋。它可用來切削可鍛鑄鐵,斯太立特合金,耐熱合金等材料的氧化皮切削或斷續(xù)切削。

  2、較高的耐熱性:Si3N4陶瓷的耐熱性可達(dá)1300—1400℃以上,高于硬質(zhì)合金及其它陶瓷,僅次于立方氮化硼。因而能承受較高的切削溫度和相應(yīng)的切削速度,車削鎳基合金時,切速Vc可達(dá)300m/min。Si3N4陶瓷的常溫硬度略低于Al2O3和Al2O3-TiC陶瓷,但900℃時,它的硬度最高,在1000℃時,它的硬度幾乎不下降。

  3、優(yōu)良的耐熱沖擊性能:Si3N4陶瓷具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)(58.62W/m.k)是Al2O3(20.93W/m.k)基陶瓷的2.5—3倍,耐熱沖擊性是Al2O3基的2—3倍??捎盟鼇磉M(jìn)行濕式荒加工。

  4、良好的化學(xué)穩(wěn)定性能:Si3N4與碳元素及其他一般金屬元素化學(xué)反應(yīng)小,并且有良好的抗氧化性能,在1200℃時無氧化增量,比YT類硬質(zhì)合金高200℃;Si3N4—5MgO陶瓷在1350℃時生成一層連續(xù)的保護(hù)性能良好的氧化皮,可保持幾百小時不被破壞。另外Si3N4陶瓷具有良好的自潤滑性能,有較低的磨擦系數(shù)和良好的抗粘結(jié)性能,它與有色金屬熔融體不起反應(yīng),因而切這些金屬(銅、鋁)時,不產(chǎn)生粘接和積屑瘤,有力降低表面粗糙度。此外Si3N4刀具材料成本低,易于磨削??梢垣@得鋒利的刃口(□<0.1μm)。

  五、陶瓷刀具的應(yīng)用

  陶瓷刀具適于切削加工的工件材料:

  由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,刀具陶瓷的性能不斷提高,它在切削加工中的應(yīng)用日益廣泛。適用的主要工件材料有:各種鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵、硬鑄鐵、高強(qiáng)度鑄鐵等)。各種鋼材:調(diào)質(zhì)鋼、合金鋼、炮鋼、高強(qiáng)度鋼。HRC>60的淬硬鋼,耐熱鋼和某些耐熱合金等;有色金屬;銅和銅合金,鋁和鋁合金等;非金屬;耐磨石墨、硬橡膠、塑料、特殊尼龍、聚氯乙稀和樹脂及夾布膠木等。

  另外,刀具陶瓷不僅適于制造車刀、鏜刀、銑刀、刨刀,而且也可通過線切割和刃磨等工藝來制造成形車刀、鉸刀、滾刀等刀具。同時它不僅適用于普通機(jī)床,更適用于數(shù)控機(jī)床。它也特別適用于加熱切削,如采用等離于加熱切削難加工材料時,切削速度可達(dá)Vc=70—100m/min,ap>2.5mm,f=0.3—0.4mm/r。

  六、結(jié)論

  1、陶瓷刀具適用于切削加工淬火鋼,合金鋼,各種鑄鐵,高強(qiáng)度鋼和高溫合金。

  2、陶瓷刀具切削上述材料時的刀具耐用度和切削速度是硬質(zhì)合金的幾倍以上。加土效率高,加工成本低。

  3、在Al2O3中添加工碳化物、氮化物、硼化物和氧化物后,使陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度和抗斷裂韌性大大提高,可以在有沖擊的條件下切削。不僅適用車削、鏜削,也適用于銑削和刨削。

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刻字刀,刀座

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金剛砂石材刀
纖焊石材刀

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DB-金剛石圓底尖刀
DC-金剛石3D刀
DD-金剛石四棱刀
DE-大理石浮雕刀
DF-大理石切割刀
DG-花崗巖3D刀
DH-PCD復(fù)合刀
DI-鉆石高光刀(倒角)
DJ-鉆石高光刀(雕刻)
DK-花崗巖浮雕刀
DL-花崗巖切割刀
DM-釬焊石材刀(規(guī)格齊全)
DN-石墨專用金剛石球刀
DO-天然鉆石批花刀
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DQ-PCD金剛石亞克力刀
DR-金剛石燒結(jié)雕刻刀
DS-新金剛石釬焊雕刻刀
DT-鎢鋼石材尖刀

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WD-深圓底刀
WH-木工盒裝刀
WJ-進(jìn)口TCT雙刃螺旋銑刀
WK-金剛石木工鑼刀
WL-木工非標(biāo)鑼刀
WM-新型門板刀
WO-立軸刀
WP-金剛石櫥柜門板組合刀
WQ-金剛石花邊槽刀
WR-假百葉組合刀
WS-臺灣機(jī)常用外牙三角樣刀
WT-金剛石門板倒角切割刀
WU-軟硬包倒角雕刻刀
WV-移門雕刻刀
WW-金剛石圓底刀
WY-金剛石直刀

木工標(biāo)準(zhǔn)鑼刀

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J-皇冠曲線裝飾刀類
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