陶瓷刀具可以加工哪些材料?

鈦浩機械

隨著現代科學技術和生產的發展,各種新型的難加工材料在產品中大量應用,傳統的硬質合金刀具已難以滿足生產需要,而陶瓷刀具則以其優異的耐熱性、耐磨性、良好的化學穩定性和高性價比而受到了人們的青睞。尤其是在高速切削領域和難加工材料方面,顯示出了傳統刀具無法比擬的優勢。

利用陶瓷刀具加工普通鋼、鑄鐵、淬硬鋼、高錳鋼、鎳基高溫合金、粉末冶金燒結件、玻璃鋼和各種工程塑料等難加工材料時,刀具壽命可比硬質合金刀具高几倍甚至十幾倍。在生產中它不但能用於一般的車、鏜和銑削加工,而且已成功地用於孔加工刀具上;除可在普通機床上使用外,也能有效地用於數控機床和加工中心等高效設備上,被國際上公認為是當代提高生產效率最有潛質的一種刀具。此外,與金剛石和立方氮化硼等超硬刀具相比,陶瓷刀具的價格相對較低(陶瓷刀具的主要原料氧化鋁、氧化硅等是地殼中最豐富的成份,取之不盡,用之不竭),因此,有人認為:“隨著現代陶瓷刀具材料性能的不斷改進,今後它將與塗層硬質合金刀具、金剛石和立方氮化硼等超硬刀具一起成為高速切削、幹切削和硬切削的三種主要刀具。”

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目前國內外廣泛使用的陶瓷刀具材料以及正在開發的陶瓷刀具材料,基本上都是根據圖示方法組合,採取不同的增韌補強機制來進行顯微結構設計的,其中以氧化鋁(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4 )基陶瓷刀具材料的應用最廣泛。

氧化鋁(Al2O3)基陶瓷刀具材料

純氧化鋁陶瓷

純氧化鋁陶瓷中的Al2O3成份佔99.9%以上,多呈白色,俗稱白陶瓷。這是早期使用的陶瓷,由於其強度低,抗熱振性及斷裂韌性較差,切削時易崩刃,只適用於300HBW以下的鑄鐵和鋼的連續表面粗加工和半精加工,使用範圍非常有限,故目前已被其它各種Al2O3基複合陶瓷所取代。

氧化鋁-碳化物系複合陶瓷

它是在Al2O3基體中加入TiC或SiC等成份經熱壓燒結而成的陶瓷,是目前國內外使用最多的陶瓷刀具材料之一。氧化鋁-碳化物系複合陶瓷適於加工各種鋼材(碳素結構鋼、合金結構鋼、高強度鋼、高錳鋼、軸承鋼、不鏽鋼、淬硬鋼等)和各種鑄鐵(包括冷硬鑄鐵、高鉻鑄鐵等),也可加工銅合金、石墨、工程塑料和複合材料;加工鋼優於Si3N4 基陶瓷刀具;但它不宜用來加工鋁合金、鈦合金和鉭合金,否則容易產生化學磨損。 

納米金屬陶瓷刀具

它是在傳統的Al2O3 / TiC金屬陶瓷中通過加入納米材料TiN(氮化鈦)和AlN(氮化鋁),經改性而成的一種新型Al2O3基陶瓷刀具,可細化晶粒和優化材料力學性能。使用表明,這是高技術含量及高附加值的新型刀具,可部分取代K20(YG8)、P10(YT15)等面廣量大的硬質合金刀具,刀具壽命可提高2倍以上,生產成本則與K20(YG8)刀具相當或稍低。目前,納米陶瓷及納米複合陶瓷刀具已成為高技術陶瓷材料研究開發的一個前沿領域。

Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷

在Al2O3陶瓷基體中添加20%-30% SiCw晶須(是直徑小於0.6μm,長度為10?80μm的單晶,具有一定的纖維結構,抗拉強度為7 GPa,抗拉彈性模量超過700 GPa)而成的Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷,可有效地用於斷續切削及粗車、銑削和擴孔等工序,適於加工鎳基合金、高硬度鑄鐵和淬硬鋼等材料。SiCw晶須作用類似鋼筋混凝土中的鋼筋,能成為阻擋或改變裂紋發展的障礙,使其韌性大幅度提高。

Al2O3 /(W,Ti)C梯度功能陶瓷

它是通過控制陶瓷材料的組成分佈以形成合理的梯度,從而使刀具內部產生有利的殘餘應力分佈來抵消切削中的外載應力。具有表層熱導率高、有利於切削熱的傳出、熱膨脹係數小、結構完整性好、不易破損等特點。用其加工鋼鐵材料時的刀具壽命可比同類Al2O3/(W, Ti)C複合陶瓷SG-4高1-1.5倍,並且刀具有很好的自礪性,崩刃後仍能進行正常切削。

Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等複合陶瓷

在Al2O3中添加TiB2、Ti(C,N) 、ZrO2等成份的陶瓷可進一步提高材料的物理機械性能和切削加工性能,其中以Al2O3 / TiB2和Al2O3 / ZrO2使用較多。如用Al2O3/ TiB2陶瓷刀具加工40CrNiMoA鋼時,刀具壽命為Al2O3/ TiC刀具的3倍,加工4Cr5MoVSi鋼時,刀具抗邊界磨損能力為Al2O3 / TiC刀具的2倍。而Al2O3 / ZrO2陶瓷刀具材料的斷裂韌度、強度和耐磨性高,抗崩刃性能好。如用CC620刀片粗車和半精車鑄鐵和球墨鑄鐵等材料,切削速度可達900 m/min;用於加工合金鋼時,粗車切削速度可達200 m/min,精車切削速度可達800 m/min。

氮化硅(Si3 N4)基陶瓷刀具材料

Si3N4陶瓷是一種非氧化物工程陶瓷,其硬度可達1,800-2,000 HV,熱硬性好,能承受1,300-1,400℃的高溫,與碳和金屬元素化學反應較小,摩擦係數也較低。這類刀具適於切削鑄鐵、高溫合金和鎳基合金等材料,尤其適用於大進給量或斷續切削。由於純Si3N4 陶瓷刀具在切削長切屑(如軟鋼)時極易產生月牙窪磨損,所以新一代Si3N4 陶瓷均為Si3N4 複合陶瓷刀具。最新的Si3N4 複合陶瓷不僅可用於粗加工,而且可用於斷續切削和有冷卻液的切削。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率為2%-3%,與硬質合金相當,可以大量應用於生產線。該類陶瓷刀具的缺點是加工性比普通Al2O3陶瓷差。

Si3 N4 / TiC複合陶瓷

其韌性和抗彎強度高於Al2O3基陶瓷,而硬度卻不降低;熱導率亦高於Al2O3基陶瓷,故在生產中應用比較廣泛。

Si3 N4 / SiCw晶須增韌陶瓷

它是在Si3N4基體中加入一定量的碳化物晶須而成,從而可提高陶瓷刀具的斷裂韌度。中國生產的牌號有SW21(Si3N4/ SiCw)與FD03(Si3N4/TiCw)等。一些國外切削專家認為,用Si3N4基陶瓷切削鋼材的效果不如Al2O3 基複合陶瓷,故不推薦用其加工鋼材。但用FD03刀片切削淬硬鋼(60-68HRC)、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時也有較好的效果。

賽阿龍(Sialon)陶瓷

它是以Si3N4為硬質相,Al2O3 為耐磨相,並添加少量助燒結劑Y2O3,經熱壓燒結而成,常稱賽阿龍(Sialon)。Sialon實際上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置換所形成的一大類固溶體的總稱,主要有β-Sialon、α-Sialon、O-Sialon 3種,尤以前兩種最為常見。這種陶瓷的抗彎強度和斷裂韌度較高,抗氧化能力和高溫抗蠕變能力好,熱導率高,熱膨脹係數小,抗熱振性好,適於粗車及銑削鑄鐵和鎳基高溫合金等難加工材料。除能採用較大的進給量及切削速度高速加工鑄鐵和高溫合金外,並可在面銑刀上採用雙正前角(側前角和背前角均為正值)。

塗層Si3N4陶瓷刀具

Si3N4基陶瓷的韌性優於Al2O3基陶瓷,但其耐磨性稍差。切削鑄鐵時,Si3N4陶瓷刀具的後刀面磨損大於Al2O3陶瓷刀具;切削鋼料時,Si3N4陶瓷刀具的月牙窪磨損較大。為此,國外在Si3N4基陶瓷表面上施以TiN、TiC、Ti(C﹐N)和Al2O3等塗層,可單塗層,也可用多塗層。經塗層後的Si3N4陶瓷刀具磨損量為未塗層的1/3,使加工普通鑄鐵的切削速度達到200?1,000 m/min,並且刀具壽命更長。比如Sandvik公司的GC1690塗層氮化硅陶瓷刀具,在加工高強度灰鑄鐵時的進給量達0.4 mm/r,切削速度為500 m/min。山高(Seco)刀具公司的塗層氮化硅陶瓷刀具,切鋼時抗月牙窪磨損的能力強,其切削速度可達Al2O3基陶瓷刀具的切削速度,但進給量卻大於後者而接近塗層硬質合金刀具,使材料切除率大大提高。


鈦浩機械

陶瓷刀具具有硬度高,耐磨性好,化學性能穩定,抗粘結性和高溫力學性能好。因此,在切削難加工材料應用中,愈來愈受關注。但每一種陶瓷刀具都有其特定的加工範圍。

1、氧化鋁基陶瓷刀;該類刀具室溫和高溫硬度都高於硬質合金刀具,雖然該類刀具室溫下抗彎強度較低,但隨著使用溫度上升,其抗彎強度卻降低較少,所以氧化鋁陶瓷刀具適用於加工硬而脆的金屬材料,如鈦合金材料。

2、氮化硅基陶瓷刀具;氮化硅陶瓷刀具具有很高的耐磨性、紅硬性、抗熱衝擊性和抗機構衝擊性。如在加工冷硬鑄鐵軋輥要比硬質合金刀具快5倍,刀具使用壽命比硬質合金刀具提高20~30倍,能在斷續切削的情況下順利工作。

3、sialon陶瓷刀(塞隆):具有很高的抗彎強度,硬度、耐熱震性和較高的熱硬度,在熱壓下比硬質合金刀具具有更高的切削速度。

在加工材料範圍有,高硬度鋼、高錳鋼、高硬度脆性材料、高溫合金、熱噴焊(塗)材料還有許多應用在實踐當中去摸索。


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