氮化硅陶瓷刀具
一、前言
随着新技术革命的发展.要求不断提高切削加工生产率和降低生产成本.特别是数控机床的发展.要求开发比硬质合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。日前各种高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨和耐高温的难以切削的新材料日益增多。据文献估计.这类材料己占国际上加工总数的50%以上.硬质合金刀具对其中不少新材料的加工难以胜任。另一方面.现在国际上硬质合金产量己达20 000一 25 000 t.每年消耗大量的金属.如W ,Co ,Ta和Nb等。这些金属的矿产资源正日益减少.价格上涨.按日前消耗速度.用不了几十年.有些资源将耗尽。陶瓷刀具就是在这样的背景下发展起来的。
二、氮化硅陶瓷刀具的发展历史
早在1912-1913年.英国和德国己出现了氧化铝陶瓷刀具.但其在生产上的应用则始于1950年。由于其强度、韧度低.较长时期内仅限于做连续切削精加工用.且切削速度和进给量都较低。直到1968年才出现第2代陶瓷刀具-复合氧化铝刀具.在强度和韧度上较之氧化铝刀具有了明显提高.可以在较高的速度和较大的进给量下切削各种工件.得到了较广泛的应用。
20世纪70年代末80年代初国际出现了第3代陶瓷刀具-氮化硅陶瓷刀具。这类陶瓷刀具有比复合氧化铝刀具更高的韧性、抗冲击性、高温强度和抗热震性。陶瓷刀片在各工业发达国家的产量增长很快。
我国自20世纪60年代中开始批量生产复合氧化铝刀片.目前年生产量为14-15万片。氧化硅陶瓷刀片虽自20世纪70年代中就开始研究.由于性能欠佳.不能满足需求。近几年来.随着对高温结构陶瓷领域研究的不断深入.使氮化硅陶瓷的性能有了很大提高.从而使氮化硅陶瓷刀具在我国迅速发展起来。
三、氮化硅陶瓷刀具的优点
1、 硬度高，一般为HRA93-94.因此耐磨性好.可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁。因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，处长机器设备的使用寿命；
2、 不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；
3 陶瓷刀片切削时与金属摩擦力小.切削不易粘接在刀片上.不易产生积屑瘤.加上可以进行高速切削.所以在条件相同时.工件表而粗糙度比较低。
4、 刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；
5、 耐高温.红硬性好.可在1 200℃下连续切削.所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬质合金高很多。可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍，达到节约工时、电力、机床数30-70%或更高的效果；
6、氮化硅陶瓷刀具主要原料是自然界很丰富的氮和硅.用它代替硬质合金.可节约大量W ,Co ,Ta和Nb等重要的金属。
四、陶瓷材料具有更优异的性能
传统的陶瓷材料一般取自自然界.如景德镇的土.经过混料、成形和焙烧等工序制成各种日用品。而现代高技术陶瓷.也称特种陶瓷.它的材料是人工合成的.如氮化硅粉.纯度高。利用现代粉末冶金工艺制造.制成的产品具有硬度高和耐高温等性能。
材料可分为金属材料和非金属材料.非金属材料又分为无机材料和有机材料。不论何种材料.其性质.如熔点、硬度和导电性等主要取决于内部微观结构.即取决于内部质点的结合方式和结合力。有机材料靠较弱的分子结合力.所以熔点低、硬度小。金属材料靠金属键结合.它的结合力较分子键强.但较共价键和离子键弱.因此熔点和硬度仍不算高。硬质合金采用金属将WC等硬质相联系起来.其性能介于金属和陶瓷之间。陶瓷材料主要是离子键和共价键结合.其结合力是比较强的正负离子间的静电引力或共用电子对.所以熔点高、硬度高、具有好的绝缘性、化学稳定性和抗氧化性。这就是陶瓷材料能成为切削刀具的原因。
五、陶瓷刀具的合理使用
陶瓷刀具虽然有很多优点.但性能脆。近年来.人们从陶瓷刀具的制造、使用和刃磨等方而采取了许多措施.使其脆性得到抑制.从而使陶瓷刀具进入了实用阶段。
(1)在原料上尽可能使用超细粉.在生产工艺上采取各种措施抑制晶粒长大.从而得到尽可能高的强度和韧性。
(2)刀片形状尽量简单如不开断屑槽.这样有利于生产使用和提高刀具寿命。降低刀片表而粗糙度可抑制微裂纹生长。采用负倒棱可增大刀刃强度。选择刀具角度可参考表1。
(3)在使用上对不同材料的工件.合理地使用不同的切削参数.可提高刀具的耐用度。选择切削用量见表2
(4)选择转数高、功率大、工件-机床-刀具系统刚性好的机床进行加工.以减小振动.采用高速切削充分发挥陶瓷刀具的性能。
六、我国陶瓷刀具的发展前景
我国陶瓷刀具在可转位刀具中比重很小.年产量不到硬质合金的0. 1%。从切削性能上看.我国陶瓷刀具正向高硬度合金铸铁粗加工、断续切削方向发展。北京科技大学研制的ST新型复合陶瓷刀具能断续切削HRC63以上的高速钢滚刀。在刀具品种中除各种车刀外还正在开发铣刀和刨刀等。
中国陶瓷刀具行业信息网陶瓷刀具知识
