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陶瓷刀具的发展(二)

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发表于 2010-9-12 10:42:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  氮化硅(Si3N4)基陶瓷

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  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。

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  Si3N4-TiC-Co复合陶瓷

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  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。

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  Si3N4晶须增韧陶瓷

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  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。

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  Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷

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  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。

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  陶瓷刀具的新品

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  纳米金属陶瓷刀具

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  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。

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  涂层氮化硅陶瓷刀具

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  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。

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  多相复合陶瓷刀具

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  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。

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  陶瓷与硬质合金的复合刀片

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  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。

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  TiB2基陶瓷刀具

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  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。

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  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。

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  陶瓷刀具的应用

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  刀具陶瓷与工件材料匹配

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  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。

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