新型陶瓷刀具材料具有无可比拟的优势（二）

HEATS · 发表于 2010-9-12 10:51:40

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　　Sialon陶瓷刀具适用于高速切削、强力切削、断续切削；不仅适合于干切削，也适合于湿式切削Sialon陶瓷可成功地用于铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的加工，是高速加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料。由于它和钢的化学亲和性大，Sialon陶瓷刀具不适合加工钢。

　　1.4Si3N4晶须增韧陶瓷刀具

　　晶须增韧陶瓷是在Si34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。如我国北京方大高技术陶瓷有限公司生产的FD03刀片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陶瓷基体中加入了硬质弥散颗粒TiC，SW21刀片是在si3N4中加入了一定量的SiC晶须，故有较好的使用性能。国外一些切削专家认为，用siN4基陶瓷切削钢材效果不如Al2O3基复合陶瓷，故不推荐用其加工钢材。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬钢(6068HRC)、高锰钢、高铬钢和轴承钢时具有较好的效果。

　　2金属陶瓷刀具

　　2.1Ti(C.N)基金属陶瓷刀具

　　金属陶瓷也叫硬质合金或烧结碳化物，它是陶瓷一金属复合材料以TiC为主要成分的合金，其硬度与耐热性接近陶瓷而抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高，其中金属碳化物是硬质相，一般占80%以上；其余为铁、钴、镍等金属相。作为粘结剂。日本对金属陶瓷特别青睐，如今，在日本的金属切削领域中。金属陶瓷刀片已占可转位刀片总数的30%，迄今仍在扩大应用范围。而美国却只占5%，但有人预示美国制造业中已经能看到大量应用金属陶瓷的前景。

　　金属陶瓷硬度高，强度低，韧性低，因此不宜在有强烈冲击和振动的情况下使用。金属陶瓷的导热性、耐热性、抗粘结性和化学稳定性比高速钢好得多，因此。在刀具材料中获得了广泛应用。

　　现在，金属陶瓷的发展方向是超细晶粒化和对其进行表面涂层。超细晶粒金属陶瓷可以提高切削速度，也可用来制造小尺寸刀具。以纳米TiN占2%～15wt%改性的TiC或Ti(CN)基金属陶瓷刀具，硬度高、耐磨性好，其热稳定性、导热性、耐蚀性、抗氧化性及高温硬度、高温强度等都有明显优势。与硬质合金刀具相比，该刀具的耐用度和使用寿命提高1—5O倍，切削速度提高1.5—3倍，成本与其相当或略高，而金属切削加工费用下降20%一40%与普通Ti(C，N)基金属陶瓷刀具相比，该刀具可靠性更高。金属陶瓷的基本性能如表1所示。

　　2.2涂层金属陶瓷刀具

　　涂层金屑陶瓷目前发展速度非常迅速。涂层分为硬涂层和软涂层，前者主要是金属碳氮化物，包括TiN、TiC、Ti(CN)、TiAIN、CrC、CrN等。其中TiN的工艺最成熟。应用最广泛硬涂层主要是提高其硬度和耐磨性。一般可进行多层复合涂层。后者主要是Mos基涂层，可以降低摩擦系数。另外，软硬涂层可以复合使用。

　　2.3纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具

　　最近由美国学者开发的纳米涂层刀具是利用纳米技术的一种新刀具。这种涂层方法采用多种材料的不同组合(如金属／金属组合、金属／陶瓷组合、陶瓷／陶瓷组合、固体润滑剂／金属组合等)，以满足不同的功能和性能要求。其中TiC／TiN复合涂层是典型涂层材料，它相对于在TiC基加入TiN硬质合金而言，其抗弯强度得到进一步的提高，刀具的硬度和韧性显著增加。又因其具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能，十分适合于于切削。但纳米涂层的涂覆必须采用先进的工艺，如封闭场不平衡磁溅射法(CFUMS)它要求精确的参数控制和先进的设备等，必然造成刀具成本的大幅提高。同时受工艺和切削条件的影响，涂层的粘结强度可能不足，切削时涂层容易脱落。切削性能迅速降低或失效。

　　纳米金属陶瓷刀具成分为：53TiC一10TIN(砌)一18Mo一18Ni一1C，TiN纳米粉粒度为3O一50nm。实验表明，各力学性能的峰值分别对应一定的纳米TiN的添加量。据合肥工业大学试验，当添加量体积数6%一8%时。可获得较优的综合物理力学性能。

　　3陶瓷刀具材料的研究思路和展望

　　根据Hall—petch关系，晶粒尺寸越小陶瓷材料的硬度和强度越高。当晶粒尺寸小到100nm左右时，强度和硬度会有很大突破。但是纳米粉的活性很大，界面反应激活能较低，在烧结过程中极易长大，尽管加入抑制剂，效果仍不理想，因此目前还没有纳米级陶瓷刀具材料研制成功的报道。纳米改性、纳米复合成功解决了晶粒的异常长大问题，纳米级粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，导致基体晶粒细化。纳米改性、纳米复合及超细晶粒陶瓷刀具材料的研究与开发将是今后刀具材料发展的主要方向。

　　陶瓷刀具材料是一种最有前途的高速切削刀具材料，在生产中有广泛的应用前景。目前，它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%一10%。我国陶瓷刀具的发展也十分迅速，研究与开发水平与国际相当。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬质合金有更好的化学稳定性，可在高速条件下切削加工并持续较长时问，比用硬质合金刀具平均提高效率3—1O倍。它实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。实现干式切削，对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。

　　4结语

　　新型陶瓷刀具材料具有其它刀具材料无法比拟的优势，其发展空问非常大。通过对陶瓷刀具材料组分、制备工艺与材料设计的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性和红硬性的基础上，极大的提高刀具材料的韧性和抗冲击性能，制备符合现代切削技术使用要求的适宜材料。可以预料，随着各种新型陶瓷刀具材料的使用。必将促进高效机床及高速切削技术的发展，而高效机床及高速切削技术的推广与应用，又进一步推动新型陶瓷刀具材料的使用。

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