陶瓷刀具材料的研究進(jìn)展

陶瓷刀具材料的研究進(jìn)展

陶瓷是含有金屬氧化物的無(wú)色非金屬材料?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，摩擦因素少，硬度高，是硬件的三倍。在高溫條件下，1200140的硬度可達(dá)到ha80，對(duì)應(yīng)于200400的硬度。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展,各種新型難加工材料在產(chǎn)品中的大量應(yīng)用,傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具已難以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。在現(xiàn)代切削加工中,陶瓷材料以?xún)?yōu)異的耐熱性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性在高速切削領(lǐng)域和切削難加工材料方面扮演著越來(lái)越重要的角色,且主要原料Al2O3和SiO2在地殼中非常豐富,因此其發(fā)展及應(yīng)用前景十分廣闊。1陶瓷刀具與鋼鐵金屬的配合性陶瓷刀具與硬質(zhì)合金刀具相比,其硬度高、耐磨性好,切削壽命可比硬質(zhì)合金高幾倍以至十幾倍。陶瓷刀具在1200℃以上的高溫下仍能進(jìn)行切削,所具備的高溫性能使其能夠以比硬質(zhì)合金刀具高3~10倍的切削速度進(jìn)行加工。陶瓷刀具與鋼鐵金屬的親和力小、摩擦因數(shù)低、抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散能力強(qiáng),故加工件的表面質(zhì)量好。此外,陶瓷刀具的化學(xué)穩(wěn)定性好,其切削刃即使處于赤熱狀態(tài)也能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用,這對(duì)金屬高速切削有著重要的意義。近年來(lái),隨著材料科學(xué)與制造技術(shù)的進(jìn)步,可通過(guò)添加碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善陶瓷的性能,還可通過(guò)顆粒、晶須、相變、微裂紋和增韌機(jī)理協(xié)同作用提高其斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度,故其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。當(dāng)前,陶瓷刀具材料的研究進(jìn)展主要集中在提高傳統(tǒng)刀具陶瓷材料的性能、細(xì)化晶粒、組分復(fù)合化及采用涂層、改進(jìn)燒結(jié)工藝和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品等方面,以期獲得更好的耐高溫性能、耐磨損性能和抗崩刃性能,滿(mǎn)足高速精密切削加工的要求。2陶瓷刀材料的類(lèi)型和主要性能2.1復(fù)合陶瓷及熱壓陶瓷)基陶瓷(1)純氧化鋁陶瓷。該陶瓷中Al2O3的成分大于99.9%,多呈白色,俗稱(chēng)白陶瓷。我國(guó)成都工具研究所生產(chǎn)的Pl牌號(hào)屬于此類(lèi),其耐磨性好,用于切削灰鑄鐵有較好效果,也可切削普通碳鋼。但因其強(qiáng)度低,抗熱振性及斷裂韌性較差,切削時(shí)易崩刃,故目前已被其他Al2O3復(fù)合陶瓷取代。(2)氧化鋁-碳化物系復(fù)合陶瓷。它是在Al2O3基體中加入TiC、WC、Mo2C、TaC、NbC、Cr3C2等成分經(jīng)熱壓燒結(jié)而成,其中使用最多的是Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷。隨著TiC含量(30%~50%)的不同,其切削性能也有差異,主要用于切削淬硬鋼和各種耐磨鑄鐵。我國(guó)生產(chǎn)的牌號(hào)有M16、SG3、SG4和AG2等,后兩種牌號(hào)中還含有WC的成分。(3)氧化鋁-碳化鈦-金屬系復(fù)合陶瓷。該陶瓷因在Al2O3-TiC陶瓷中加入了少量的粘結(jié)金屬如Ni和Mo等,從而提高了A12O3與TiC的連結(jié)強(qiáng)度和使用性能,故可用于粗加工。這類(lèi)陶瓷又稱(chēng)金屬陶瓷。我國(guó)生產(chǎn)的牌號(hào)有AT6、LT35、LT55、M4、M5、M6、LD-1等,用其切削調(diào)質(zhì)合金鋼時(shí)的切削速度可達(dá)一般硬質(zhì)合金刀具的1~3倍,刀具壽命為硬質(zhì)合金刀具的6~10倍,由于其含有金屬成分,所以能用電加工切割成任意形狀,同時(shí),用金剛石砂輪刃磨時(shí),能獲得較好的表面質(zhì)量。其中LD—1是在Al2O3-TiC系陶瓷的基礎(chǔ)上,通過(guò)添加少量的特殊微粉,利用多種增韌機(jī)制的協(xié)同作用而使斷裂韌性有較大提高,可達(dá)6.0~6.6MPa·m1/2,而普通熱壓Al2O3-TiC陶瓷斷裂韌性為4MPa·m1/2,用其端銑淬硬鋼時(shí)的刀片抗破損性能要比同類(lèi)LT55牌號(hào)高出30%~110%。(4)Al2O3-SiC晶須增韌陶瓷。它是在Al2O3陶瓷基體中添加20%~30%的SiC晶須(一種直徑小于0.6μm,長(zhǎng)度為10~80μm的單晶,具有一定的纖維結(jié)構(gòu),其抗拉強(qiáng)度為7GPa,彈性模量超過(guò)700GPa)而成。SiC晶須的作用猶如鋼筋混凝土中的鋼筋,它能成為阻擋或改變裂紋發(fā)展方向的障礙物,使陶瓷的韌性大幅度提高(可達(dá)9MPa·m1/2),適用于斷續(xù)切削及粗車(chē)、銑削和鉆孔等加工及鎳基合金、高硬度鑄鐵和淬硬鋼等材料的加工。我國(guó)生產(chǎn)的JX—1、AW9、SG5及美國(guó)WG300、Kyon250和瑞典Sandvik公司CC670等牌號(hào)均屬于這一類(lèi)。2.2si3n4基陶瓷刀具Si3N4陶瓷是一種非氧化物工程陶瓷,其硬度可達(dá)HV1800~2000,且熱硬性好,能承受1300~1400℃的高溫,與碳和金屬元素化學(xué)反應(yīng)較小,摩擦因數(shù)也較低。這類(lèi)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(jìn)給量或斷續(xù)切削。由于純Si3N4陶瓷刀具在切削長(zhǎng)切屑金屬(如軟鋼)時(shí),極易產(chǎn)生月牙洼磨損,所以新一代Si3N4陶瓷均為復(fù)合型。新開(kāi)發(fā)的Si3N4基陶瓷不僅可用于粗加工,而且可用于斷續(xù)切削和有冷卻液的切削,如日本京陶公司的KS6000牌號(hào)就是其中的一種。目前,Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率為2%~3%,與硬質(zhì)合金相當(dāng),因此已可在生產(chǎn)線上應(yīng)用,其缺點(diǎn)是磨加工性較普通陶瓷差。下面列舉幾種主要的Si3N4基陶瓷。(1)al2o3基陶瓷該陶瓷的韌性和抗彎強(qiáng)度高于Al2O3基陶瓷,而硬度并未降低,熱導(dǎo)率亦高于Al2O3基陶瓷,故在生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。我國(guó)生產(chǎn)的牌號(hào)有FD02、SM、HDM1、N5等。(2)si3n4和sw21刀具的車(chē)削冷硬鑄鋼它是在Si3N4基體中加入一定量的碳化物晶須而成,從而提高了陶瓷刀具的斷裂韌性,如我國(guó)北京方大高技術(shù)陶瓷有限公司生產(chǎn)的FD03刀片及湖南長(zhǎng)沙工程陶瓷公司生產(chǎn)的SW21牌號(hào)均屬這一類(lèi)。FD03刀片是在Si3N4陶瓷基體中加入了硬質(zhì)彌散顆粒TiC,SW21刀片則是在Si3N4中加入了一定量的SiC晶須,故有較好的使用性能。國(guó)外一些切削專(zhuān)家認(rèn)為,用Si3N4基陶瓷切削鋼材的效果不如Al2O3基復(fù)合陶瓷,故不推薦用其加工鋼材。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬鋼(HRC60~68)、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時(shí),其效果較好。表1中列出了FD02和FD03刀片與其他刀具材料車(chē)削冷硬鑄鐵軋輥時(shí)(HS71~73)的切削性能對(duì)比。由表1可知,FD03刀具的最佳切削速度要比其他刀具材料的高,而且其切削壽命高達(dá)21684m(461min),約為AT6(Al2O3-TiC)復(fù)合陶瓷刀具的6.38倍,進(jìn)口Al2O3-ZrO2增強(qiáng)陶瓷刀具的8.2倍,K10(YG6)硬質(zhì)合金刀具的78.3倍。(3)賽隆陶瓷siq-tp4它是以Si3N4為硬質(zhì)相,Al2O3為耐磨相,并添加少量的助燒結(jié)劑和Y2O3經(jīng)熱壓燒結(jié)而成,常稱(chēng)賽隆(Sialon)。例如美國(guó)生產(chǎn)的Sialon牌號(hào)KY3000,其成分為:77%Si3N4,13%Al2O3,10%Y2O3;硬度達(dá)HV1800,抗彎強(qiáng)度達(dá)1.2GPa。美國(guó)Greeleaf公司生產(chǎn)的Grern4B和瑞典Sandvik公司CC680刀片,以及我國(guó)生產(chǎn)的TP4、SG3等均為賽隆陶瓷。KY3000陶瓷刀片在高速下切削鎳基高溫合金時(shí),加工效率是涂層硬質(zhì)合金刀具的7倍,除能采用較大的進(jìn)給量和切削速度來(lái)高速加工鑄鐵和高溫合金外,還可在面銑刀上采用雙正前角(側(cè)前角和背前角均為正值)加工鑄鐵。2.3tic,n基金屬陶瓷的制備和加工Ti(C,N)基金屬陶瓷具有非常獨(dú)特的性能組合,與硬質(zhì)合金刀具材料相比,金屬陶瓷可有效地用于高速切削加工,最佳切削速度可比硬質(zhì)合金刀具高3~10倍,并具有更高的耐磨性能,切削壽命是硬質(zhì)合金的5~10倍,不僅已用于鋼材的車(chē)削,而且也已用于鋼和鑄鐵的銑削加工。WC-Co類(lèi)硬質(zhì)合金刀具耐磨性和強(qiáng)韌性難以兼得,且鎢、鈷資源短缺,促使了無(wú)鎢金屬陶瓷的研究與開(kāi)發(fā);TiC基硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性較低。因此,這兩種硬質(zhì)合金已逐步向金屬陶瓷方向發(fā)展。通過(guò)優(yōu)化成分,改進(jìn)制備技術(shù),及納米改性、納米復(fù)合、超細(xì)晶粒材料的研究開(kāi)發(fā),使得Ti(C,N)基金屬陶瓷的綜合性能有了很大提高。合肥工業(yè)大學(xué)利用粉末冶金工藝制取納米TiN改性TiC基金屬陶瓷刀具,通過(guò)在TiC基金屬陶瓷中加入30~50nm的TiN粒子,硬度達(dá)到HRA92.9,抗彎強(qiáng)度1360MPa,斷裂韌性13.2MPa·m1/2,與普通金屬陶瓷相比均有明顯提高,其抗崩刃性、耐磨性和使用壽命較普通金屬陶瓷亦有較大幅度提高。采用真空燒結(jié)方法,可使超微級(jí)Ti(C,N)金屬陶瓷的硬度在不低于HRA90時(shí),其抗彎強(qiáng)度達(dá)到2200MPa以上,真空燒結(jié)的納米復(fù)合金屬陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)到2884.7MPa,硬度達(dá)HRA90.5。表2列出了部分具有優(yōu)良性能的日產(chǎn)Ti(C,N)基金屬陶瓷刀片的物理力學(xué)性能,從中可看出其抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他陶瓷。金屬陶瓷作為刀具材料使用,具有非常大的發(fā)展?jié)摿?完全可以在某些領(lǐng)域作為鎢鈷硬質(zhì)合金的替代材料。2.4抗熱沖擊性能好的其他方面的應(yīng)用功能梯度材料應(yīng)用于刀具近幾年才有所發(fā)展。將功能梯度的設(shè)計(jì)思想引入到陶瓷刀具材料的制造過(guò)程,給提高刀具性能尤其是抗熱沖擊性能提供了一種新的方法。Al2O3/(W,Ti)C梯度功能陶瓷通過(guò)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(nèi)部產(chǎn)生有利的殘余應(yīng)力分布來(lái)抵消切削中的外載應(yīng)力,它具有表層熱導(dǎo)率高、有利于切削熱的傳出,熱膨脹系數(shù)小,結(jié)構(gòu)完整性好,不易破損等特點(diǎn)。如艾興等研究的基于對(duì)稱(chēng)分布梯度模型,經(jīng)單向熱壓成形的功能梯度刀具FG-1(Al2O3-TiC)、FG-2[Al2O3-(W,Ti)C],均比勻質(zhì)材料的抗熱沖擊性能要好,使用壽命也有較大提高。通過(guò)表面氮化處理可制備Ti(C,N)基功能梯度刀具材料。金屬陶瓷在表面氮化處理時(shí),表面N的活度較高,促使富W、Mo環(huán)型相的不斷溶解,W、Mo原子向材料內(nèi)部擴(kuò)散,Ti原子向材料表面擴(kuò)散,形成成分梯度,且由于環(huán)形相的溶解,聚積長(zhǎng)大的大顆粒分解為小顆粒,使晶粒細(xì)化,提高了材料表面硬度,降低了材料表面與金屬之間的摩擦因數(shù)。瑞典J.Zackrisson等首先研究了金屬陶瓷的表面氮化處理技術(shù),發(fā)現(xiàn)在高速軸向干車(chē)削鋼材時(shí),刀具的表面抗塑性變形力較表面有涂層的同類(lèi)材料提高了大約50%,韌性亦有所提高。氮化處理可充分提高前刀面的抗擴(kuò)散磨損和后刀面的抗磨蝕磨損能力。2.5tib2基復(fù)合陶瓷刀具TiB2具有高硬度、較高的強(qiáng)度和斷裂韌性,極好的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐磨等性能,較強(qiáng)的抗月牙洼磨損和抗粘著能力。具有單相Fe-Cr-Ni粘結(jié)劑或兩相Fe2B-Fe-Cr-Ni粘結(jié)劑的TiB2基復(fù)合陶瓷刀具材料具有較好的硬度與斷裂韌性組合,如TiB2-γ(Fe-Cr-Ni)的斷裂韌性達(dá)9.0MPa·m1/2,硬度HV1800,日本研制的TiB2+Ti(C,N)+Mo2SiB2復(fù)合陶瓷材料,其抗彎強(qiáng)度為1300MPa,硬度高達(dá)HV2300,比超細(xì)硬質(zhì)合金的硬度更高,是一類(lèi)極具發(fā)展前途的刀具材料。2.6模具材料的加工Hara和Yazu研制的新型CBN-TiN復(fù)合刀具材料,被證明是一種極好的用來(lái)加工模具鋼和彈簧鋼的刀具材料。XiaoZhengRong等在CBN-TiN系刀具材料中加入少量Al,熱壓燒結(jié)制得CBN-TiN-Al復(fù)合刀具材料,其硬度最高可達(dá)到30.7GPa,切削加工淬硬模具鋼時(shí)其性能比CBN-Al刀具更優(yōu)。2.7fe3a1與al2o3的匹配性Fe3Al金屬間化合物具有特殊的物理、化學(xué)和力學(xué)性能及獨(dú)特的形變特征和室溫脆性,被稱(chēng)為半陶瓷材料,是一種介于高溫合金與陶瓷之間的新型高溫材料。Fe3A1與Al2O3具有較好的適配性能,其復(fù)合材料界面不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),沒(méi)有界面相生成,具有較好的界面結(jié)合力。此刀具材料在切削鑄鐵和中碳鋼時(shí)顯示出優(yōu)良的特性,且成本低、功效高,具有廣闊的應(yīng)用前景。其他新型陶瓷刀具材料如ZrO2基陶瓷,因具有較高的斷裂韌性和較好的耐磨性能而受到人們的關(guān)注;有研究認(rèn)為,Y2O3陶瓷可作為一類(lèi)新型的陶瓷刀具材料使用;我國(guó)生產(chǎn)的陶瓷-硬質(zhì)合金刀具材料則具備了陶瓷和硬質(zhì)合金的綜合優(yōu)勢(shì)。2.8納米多層復(fù)合涂層近十年來(lái),刀具涂層技術(shù)發(fā)展迅速,刀具材料與涂層技術(shù)相結(jié)合為高速切削、硬切削和干切削的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件,涂層陶瓷刀具材料在涂層材料中占大多數(shù)。常用的涂層為T(mén)iC/TiN/Ti(C,N)/TiAlN系列,此類(lèi)涂層與基體有著較高的結(jié)合強(qiáng)度,并具有高硬度、高的耐磨性和切削速度。隨著PVD、CVD技術(shù)的發(fā)展,TiC、TiN、Ti(C,N)、TiB2和TiAlN由單層發(fā)展到多元多層復(fù)合涂層。如TiCN+TiN,其硬度為HV3100~3400,膜層綜合了TiN的耐沖擊和TiCN的高硬度、耐磨性的特點(diǎn);TiAlN的硬度高達(dá)HV3400~3600,耐磨性?xún)H低于類(lèi)金剛石膜,是目前國(guó)際工具行業(yè)中最為推崇的超硬涂層。Al2O3涂層常用作抗氧化保護(hù)膜,且常與TiC、TiN、Ti(C,N)聯(lián)合作為多層復(fù)合涂層使用,如廣泛應(yīng)用的TiC/Al2O3/TiN三涂層、TiC/Ti(C,N)/TiN/Al2O3四涂層,充分利用了各部分的優(yōu)勢(shì),即兼具TiC的高耐磨性、Al2O3的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化特性、TiN的耐沖擊性和高硬度、TiCN的高硬度和高耐磨性。納米涂層的發(fā)展非常活躍,已有的研究結(jié)果顯示,細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒涂層的性能有很大提高。MBirkho-lz等用GFS技術(shù)成功地沉積了以TiO2和Al2O3為陶瓷相、Cu和W為金屬相的納米TiO2、Al2O3涂層,顆粒尺寸不超過(guò)10nm,其硬度分別達(dá)到了24.1、14.8GPa,并且還表現(xiàn)出良好的切削性能。GSFoxRahinovich等研制的FADTiAlNPVD納米涂層刀具,顆粒尺寸約為60~80nm,涂層硬度達(dá)35GP