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如何正確選用陶瓷刀具材料

作者:佚名  信息來源:無憂機械電子  2013-6-3

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陶瓷刀具材料是一種先進的切削刀具材料,因其優良的切削性能和高性價比而備受青睞。本文介紹了近十幾年來發展迅速的陶瓷刀具材料的性能及品種,并針對不同類型陶瓷刀具材料的性能優劣,給出選用建議。潛質巨大的新型刀具材料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...

  陶瓷刀具材料是一種先進的切削刀具材料,因其優良的切削性能和高性價比而備受青睞。本文介紹了近十幾年來發展迅速的陶瓷刀具材料的性能及品種,并針對不同類型陶瓷刀具材料的性能優劣,給出選用建議。

  潛質巨大的新型刀具材料

  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幾倍甚至十幾倍。在生產中它不但能用于一般的車、鏜和銑削加工,而且已成功地用于孔加工刀具上;除可在普通機床上使用外,也能有效地用于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,今后它將與涂層硬質合金刀具、金剛石和立方氮化硼等超硬刀具一起成為高速切削、干切削和硬切削的三種主要刀具。”圖1所示為用陶瓷刀具以硬車削出的而不是磨削出的滲碳淬硬傳動齒輪(57 HRC-59 HRC)的同步圓錐部分、內孔和背面的應用實例。

  陶瓷刀具材料的性能優劣

  與硬質合金刀具相比,陶瓷刀具硬度高達92-95 HRA,耐磨性好,在相同條件下加工鋼料時,它的磨損僅為P10(YT15) 硬質合金刀具的1/15,刀具壽命長。同時,陶瓷刀具與鋼鐵等金屬材料的親和力小,摩擦系數低,抗黏結和抗擴散能力強,切削時不易黏刀及產生積屑瘤,加工表面質量好。陶瓷刀具的耐熱性也很好,在1,200℃時仍能保持80HRA左右的高硬度,所以適合在高溫下進行高速切削和干切削,而價格又遠低于切削性能與之相近的金剛石和立方氮化硼刀具。表1中列出了陶瓷與常用硬質合金兩種材料性能的對比。

  從表1中可以看出,陶瓷刀具的主要缺點是抗彎強度、斷裂韌度和彈性模量低,脆性大。長期以來主要作為精加工刀具,占各類刀具材料中的比重很小。但近十幾年來,由于材料科學和制造技術的進步,通過控制原料純度和晶粒尺寸,采用了熱壓和熱等靜壓燒結工藝等方法(用熱壓燒結制成的陶瓷,其強度和硬度都比過去冷壓法好;而用熱等靜壓法制成的陶瓷,其組織致密,強度更高﹐抗崩刃性能好),添加各種碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善陶瓷的性能,并通過顆粒、晶修、相變、微裂紋和幾種增韌機制的協同作用提高其斷裂韌度和強度,不僅使陶瓷的抗彎強度提高到0.9-1.0 GPa(最高可達1.3-1.5 GPa,已與硬質合金相當),而且使其抗沖擊性能也有很大提高,應用范圍日益擴大,除可用于一般精加工與半精加工外,還可用于沖擊負荷下的粗加工。

  陶瓷刀具材料的品種分類

  現代陶瓷刀具材料大多數為復合陶瓷,其種類及可能的組合如圖2所示。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2所示方法組合,采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成份占99.9%以上,多呈白色,俗稱白陶瓷。這是早期使用的陶瓷,由于其強度低,抗熱振性及斷裂韌性較差,切削時易崩刃,只適用于300HBW以下的鑄鐵和鋼的連續表面粗加工和半精加工,使用范圍非常有限,故目前已被其它各種Al2O3基復合陶瓷所取代。

  氧化鋁-碳化物系復合陶瓷

  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-碳化物系復合陶瓷適于加工各種鋼材(碳素結構鋼、合金結構鋼、高強度鋼、高錳鋼、軸承鋼、不銹鋼、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、工程塑料和復合材料;加工鋼優于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,納米陶瓷及納米復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(是直徑小于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,可有效地用于斷續切削及粗車、銑削和擴孔等工序,適于加工鎳基合金、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布以形成合理的梯度,從而使刀具內部產生有利的殘余應力分布來抵消切削中的外載應力。具有表層熱導率高、有利于切削熱的傳出、熱膨脹系數小、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復合陶瓷SG-4高1-1.5倍,并且刀具有很好的自礪性,崩刃后仍能進行正常切削。

  Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等復合陶瓷

  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;用于加工合金鋼時,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,摩擦系數也較低。這類刀具適于切削鑄鐵、高溫合金和鎳基合金等材料,尤其適用于大進給量或斷續切削。由于純Si3N4 陶瓷刀具在切削長切屑(如軟鋼)時極易產生月牙洼磨損,所以新一代Si3N4 陶瓷均為Si3N4 復合陶瓷刀具。最新的Si3N4 復合陶瓷不僅可用于粗加工,而且可用于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,可以大量應用于生產線。該類陶瓷刀具的缺點是加工性比普通Al2O3陶瓷差。

  Si3 N4 / TiC復合陶瓷

  其韌性和抗彎強度高于Al2O3基陶瓷,而硬度卻不降低;熱導率亦高于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 基復合陶瓷,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,并添加少量助燒結劑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,熱膨脹系數小,抗熱振性好,適于粗車及銑削鑄鐵和鎳基高溫合金等難加工材料。除能采用較大的進給量及切削速度高速加工鑄鐵和高溫合金外,并可在面銑刀上采用雙正前角(側前角和背前角均為正值)。

  涂層Si3N4陶瓷刀具

  Si3N4基陶瓷的韌性優于Al2O3基陶瓷,但其耐磨性稍差。切削鑄鐵時,Si3N4陶瓷刀具的后刀面磨損大于Al2O3陶瓷刀具;切削鋼料時,Si3N4陶瓷刀具的月牙洼磨損較大。為此,國外在Si3N4基陶瓷表面上施以TiN、TiC、Ti(C﹐N)和Al2O3等涂層,可單涂層,也可用多涂層。經涂層后的Si3N4陶瓷刀具磨損量為未涂層的1/3,使加工普通鑄鐵的切削速度達到200?1,000 m/min,并且刀具壽命更長。比如Sandvik公司的GC1690涂層氮化硅陶瓷刀具,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)刀具公司的涂層氮化硅陶瓷刀具,切鋼時抗月牙洼磨損的能力強,其切削速度可達Al2O3基陶瓷刀具的切削速度,但進給量卻大于后者而接近涂層硬質合金刀具,使材料切除率大大提高。

  如何選用陶瓷刀具材料

  目前,Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷均已成功地用于制作車刀、鏜刀和銑刀等的切削部分材料。陶瓷刀具的結構目前大多采用機夾可轉位刀片的結構形式。刀片的形狀有三角形、正方形、長方形、棱形和圓形等。

  陶瓷刀片材料的品種多達幾十種,不同種類的陶瓷刀片有著不同的應用范圍,故須正確選擇刀具陶瓷的種類與牌號,使其與被加工材料相“匹配”。除需要滿足技術要求外,還應滿足經濟和環保性能的要求。

  氧化鋁(Al2O3)基陶瓷具有良好的耐磨性、耐熱性,且其高溫化學穩定性好,不易與鐵元素之間發生相互擴散或化學反應,其耐磨性和耐熱性均高于氮化硅(Si3N4)基陶瓷刀具,所以Al2O3基陶瓷刀具的應用范圍最廣,適于對鋼材、鑄鐵及其合金的高速切削加工;加工鋼優于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。

  氮化硅(Si3N4)基陶瓷刀具的斷裂韌性和抗熱振性高Al2O3基陶瓷刀具,最適于斷續加工鑄鐵和高溫合金等材料,一般不宜用來加工產生長切屑的鋼材(如正火和熱軋狀態),用Si3N4基陶瓷刀具切削45號鋼時的刀具磨損比切削灰鑄鐵時高得多。

  賽阿龍(Sialon)陶瓷最適于加工各種鑄鐵(如灰鑄鐵、球墨鑄鐵、冷硬鑄鐵、高合金耐磨鑄鐵等)和耐熱合金,通常不推薦用其加工鋼材。

  Inconel 718(GH169)鎳基合金是典型的難加工材料,具有較高的高溫強度、動態剪切強度,熱擴散系數較小,切削時易產生加工硬化,導致刀具切削溫度高、磨損速度加快。Al2O3 / SiCw晶須增韌陶瓷適合于加工硬度低的鎳基合金,當切削速度為100?300 m/min時可獲得較長的刀具壽命;ISCAR公司生產的一款IW7晶須增韌陶瓷(Al2O3 / SiCw)新牌號,來自加工Inconel 718、鎳基耐熱合金等高溫合金材質渦輪盤的報告顯示,相比于其它陶瓷刀片,切削性能和刀具壽命均有明顯提高。Si3N4基陶瓷也可用于Inconel 718合金的加工。而Sialon陶瓷的韌性高,適合于切削經過固溶處理的Inconel 718(45HRC)合金。

  此外,航空航天用的Kevlar和石墨類復合材料,用陶瓷刀具可實現切削速度300 m/min左右的高速切削加工。

  必須指出,陶瓷刀片不像硬質合金那樣在國際上有統一的分類,各生產廠都有各自的品種與牌號,不同廠生產的同類刀片性能上也有一定的差異,使用時須參照廠家產品樣本來選擇。為此,刀片牌號選定后必須在機床上先進行試切削,合格后方可以正式應用。

  陶瓷刀具的應用建議

  陶瓷刀具改變了傳統的機械加工工藝,解決了生產中以前很多難以解決的加工問題。目前廣泛應用于機械、治金、礦山、高速列車、風電、汽車、拖拉機、軸承、水泵、交通、能源、精密儀器、航空航天等行業并取得了顯著的經濟效益。

  中國在陶瓷刀具的研究與開發方面具有優勢,早在20世紀50年代就已在生產中使用。例如,中國開發的陶瓷與硬質合金復合刀片(FH系列),工件表面既有陶瓷材料高的硬度與耐磨性,而基體又有硬質合金較好的抗彎強度,其等效抗彎強度比同類陶瓷刀片平均提高20%,斷裂韌度平均提高8.5%,而其抗破損能力提高更大,故能承受沖擊負荷,并解決了陶瓷刀片鑲焊困難等問題。此外,近幾年國內外開發的刀具陶瓷新品種,比如適于加工各種鋁合金(包括硅含量高的鋁合金)的ZrO2基陶瓷、TiB2基陶瓷(硬度是氮化硅的2倍,其性能介于硬質合金和超硬材料CBN之間,用其加工淬硬鋼和高溫合金等材料時的刀具壽命可比硬質合金刀具長5-6倍),盡管它們的生產至今還未形成規模,但因性能優異﹐有廣泛的用途,今后必將迅速發展。

  使用陶瓷刀具的機床必須具有高剛度、大功率、高轉速和高精度特點,這樣才能充分發揮陶瓷刀具材料的性能,取得好的經濟效益。此外,裝夾工件的夾具和夾緊裝置,必須可靠性強,以免加工時產生振動,使刀具破損。必須指出的是,目前生產中不少機床設備還不能滿足陶瓷刀具的加工要求,所以它們的潛力未能得到充分發揮,今后隨著數控機床和加工中心等高效設備應用的增多,必將進一步推動陶瓷刀具的使用。

  由于陶瓷刀具材料的脆性較大,強度較低,故刀具前角通常取0°-10°,后角5°-12°。為了提高切削刃強度,刃口上須磨出負倒棱,倒棱寬度可取b =0.1-0.8 mm,倒棱前角 -10°- -20°;刀尖需適當修圓,修圓半徑r =0.2-1.0mm。但刀尖修圓半徑和負倒棱越大,會使切削力增大,發生顫振的機會也增多。因此當機床—夾具—刀具—工件的系統剛性不足時,尤其是在加工細長工件時,不宜采用過大的刀尖半徑和負倒棱。

  由于陶瓷刀具有良好的耐熱性和耐磨性,故切削用量對刀具磨損影響比硬質合金刀具小。因此,切削時應根據被加工工件材料性質,在機床功率、工藝系統剛性和刀片強度允許前提下,盡量選用較大的背吃刀量(吃深)和切削速度進行切削,以充分發揮陶瓷刀具材料高溫性能好的特點。而部分企業在使用陶瓷刀具時,認為采用較低切削速度可延長刀具的使用壽命。切削速度﹐車削普通鋼和鑄鐵,一般Vc=200-600 m/min;加工硬度小65HRC的高硬度鋼Vc=60-200 m/min;銑削鋼和鑄鐵Vc=200-500 m/min;銑削耐熱合金Vc=100-250 m/min,進給量0.05-0.08 mm/z 。

  陶瓷刀具的刃磨應在工具磨床上用夾具刃磨,以保證刃磨質量。刃磨陶瓷刀具目前大多采用樹脂結合劑的金剛石砂輪,其磨削質量對刀具切削性能有很大影響。對于可轉位陶瓷刀片,原則上是不重磨的,因為重磨后其刀片的裝夾尺寸及定位尺寸都會發生變化,在CNC機床加工中就要重新調整進刀尺寸,以保證工件尺寸的一致性。但一些工廠為了降低消耗,物盡其用,也可在工具磨床或刀具刃磨機上用金剛石砂輪進行刃磨,粗磨選用F80-F120粒度號,精磨、細磨用F180?F400粒度號,濃度為50%-100%,硬度為K-P級。刃磨時的切削用量可取:磨削速度20-30m/s,磨削深度f =0.005-0.02 mm/雙行程(粗磨時取大值,精磨、細磨時取小值),工作臺速度為V =10-15 m/min。

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