陶瓷刀具材料的研究進展

陶瓷是含有金屬氧化物的無色非金屬材料。化學穩(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的硬度可達到ha80，對應于200400的硬度。隨著現(xiàn)代制造技術的發(fā)展,各種新型難加工材料在產品中的大量應用,傳統(tǒng)的硬質合金刀具已難以滿足生產需要。在現(xiàn)代切削加工中,陶瓷材料以優(yōu)異的耐熱性、耐磨性和化學穩(wěn)定性在高速切削領域和切削難加工材料方面扮演著越來越重要的角色,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合金刀具相比,其硬度高、耐磨性好,切削壽命可比硬質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行切削,所具備的高溫性能使其能夠以比硬質合金刀具高3~10倍的切削速度進行加工。陶瓷刀具與鋼鐵金屬的親和力小、摩擦因數低、抗粘結和抗擴散能力強,故加工件的表面質量好。此外,陶瓷刀具的化學穩(wěn)定性好,其切削刃即使處于赤熱狀態(tài)也能長時間連續(xù)使用,這對金屬高速切削有著重要的意義。近年來,隨著材料科學與制造技術的進步,可通過添加碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善陶瓷的性能,還可通過顆粒、晶須、相變、微裂紋和增韌機理協(xié)同作用提高其斷裂韌性和抗彎強度,故其應用范圍日益擴大。當前,陶瓷刀具材料的研究進展主要集中在提高傳統(tǒng)刀具陶瓷材料的性能、細化晶粒、組分復合化及采用涂層、改進燒結工藝和開發(fā)新產品等方面,以期獲得更好的耐高溫性能、耐磨損性能和抗崩刃性能,滿足高速精密切削加工的要求。2陶瓷刀材料的類型和主要性能2.1復合陶瓷及熱壓陶瓷)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,俗稱白陶瓷。我國成都工具研究所生產的Pl牌號屬于此類,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。但因其強度低,抗熱振性及斷裂韌性較差,切削時易崩刃,故目前已被其他Al2O3復合陶瓷取代。(2)氧化鋁-碳化物系復合陶瓷。它是在Al2O3基體中加入TiC、WC、Mo2C、TaC、NbC、Cr3C2等成分經熱壓燒結而成,其中使用最多的是Al2O3-TiC復合陶瓷。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。我國生產的牌號有M16、SG3、SG4和AG2等,后兩種牌號中還含有WC的成分。(3)氧化鋁-碳化鈦-金屬系復合陶瓷。該陶瓷因在Al2O3-TiC陶瓷中加入了少量的粘結金屬如Ni和Mo等,從而提高了A12O3與TiC的連結強度和使用性能,故可用于粗加工。這類陶瓷又稱金屬陶瓷。我國生產的牌號有AT6、LT35、LT55、M4、M5、M6、LD-1等,用其切削調質合金鋼時的切削速度可達一般硬質合金刀具的1~3倍,刀具壽命為硬質合金刀具的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,用金剛石砂輪刃磨時,能獲得較好的表面質量。其中LD—1是在Al2O3-TiC系陶瓷的基礎上,通過添加少量的特殊微粉,利用多種增韌機制的協(xié)同作用而使斷裂韌性有較大提高,可達6.0~6.6MPa·m1/2,而普通熱壓Al2O3-TiC陶瓷斷裂韌性為4MPa·m1/2,用其端銑淬硬鋼時的刀片抗破損性能要比同類LT55牌號高出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,長度為10~80μm的單晶,具有一定的纖維結構,其抗拉強度為7GPa,彈性模量超過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9MPa·m1/2),適用于斷續(xù)切削及粗車、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。我國生產的JX—1、AW9、SG5及美國WG300、Kyon250和瑞典Sandvik公司CC670等牌號均屬于這一類。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HV1800~2000,且熱硬性好,能承受1300~1400℃的高溫,與碳和金屬元素化學反應較小,摩擦因數也較低。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(xù)切削。由于純Si3N4陶瓷刀具在切削長切屑金屬(如軟鋼)時,極易產生月牙洼磨損,所以新一代Si3N4陶瓷均為復合型。新開發(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%,與硬質合金相當,因此已可在生產線上應用,其缺點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度高于Al2O3基陶瓷,而硬度并未降低,熱導率亦高于Al2O3基陶瓷,故在生產中應用比較廣泛。我國生產的牌號有FD02、SM、HDM1、N5等。(2)si3n4和sw21刀具的車削冷硬鑄鋼它是在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,如我國北京方大高技術陶瓷有限公司生產的FD03刀片及湖南長沙工程陶瓷公司生產的SW21牌號均屬這一類。FD03刀片是在Si3N4陶瓷基體中加入了硬質彌散顆粒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。國外一些切削專家認為,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FD02、FD03和SW21切削淬硬鋼(HRC60~68)、高錳鋼、高鉻鋼和軸承鋼時,其效果較好。表1中列出了FD02和FD03刀片與其他刀具材料車削冷硬鑄鐵軋輥時(HS71~73)的切削性能對比。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21684m(461min),約為AT6(Al2O3-TiC)復合陶瓷刀具的6.38倍,進口Al2O3-ZrO2增強陶瓷刀具的8.2倍,K10(YG6)硬質合金刀具的78.3倍。(3)賽隆陶瓷siq-tp4它是以Si3N4為硬質相,Al2O3為耐磨相,并添加少量的助燒結劑和Y2O3經熱壓燒結而成,常稱賽隆(Sialon)。例如美國生產的Sialon牌號KY3000,其成分為:77%Si3N4,13%Al2O3,10%Y2O3;硬度達HV1800,抗彎強度達1.2GPa。美國Greeleaf公司生產的Grern4B和瑞典Sandvik公司CC680刀片,以及我國生產的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,加工效率是涂層硬質合金刀具的7倍,除能采用較大的進給量和切削速度來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特的性能組合,與硬質合金刀具材料相比,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,切削壽命是硬質合金的5~10倍,不僅已用于鋼材的車削,而且也已用于鋼和鑄鐵的銑削加工。WC-Co類硬質合金刀具耐磨性和強韌性難以兼得,且鎢、鈷資源短缺,促使了無鎢金屬陶瓷的研究與開發(fā);TiC基硬質合金的強度和韌性較低。因此,這兩種硬質合金已逐步向金屬陶瓷方向發(fā)展。通過優(yōu)化成分,改進制備技術,及納米改性、納米復合、超細晶粒材料的研究開發(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,通過在TiC基金屬陶瓷中加入30~50nm的TiN粒子,硬度達到HRA92.9,抗彎強度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。采用真空燒結方法,可使超微級Ti(C,N)金屬陶瓷的硬度在不低于HRA90時,其抗彎強度達到2200MPa以上,真空燒結的納米復合金屬陶瓷材料的抗彎強度最高可達到2884.7MPa,硬度達HRA90.5。表2列出了部分具有優(yōu)良性能的日產Ti(C,N)基金屬陶瓷刀片的物理力學性能,從中可看出其抗彎強度遠高于其他陶瓷。金屬陶瓷作為刀具材料使用,具有非常大的發(fā)展?jié)摿?完全可以在某些領域作為鎢鈷硬質合金的替代材料。2.4抗熱沖擊性能好的其他方面的應用功能梯度材料應用于刀具近幾年才有所發(fā)展。將功能梯度的設計思想引入到陶瓷刀具材料的制造過程,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,它具有表層熱導率高、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。如艾興等研究的基于對稱分布梯度模型,經單向熱壓成形的功能梯度刀具FG-1(Al2O3-TiC)、FG-2[Al2O3-(W,Ti)C],均比勻質材料的抗熱沖擊性能要好,使用壽命也有較大提高。通過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,表面N的活度較高,促使富W、Mo環(huán)型相的不斷溶解,W、Mo原子向材料內部擴散,Ti原子向材料表面擴散,形成成分梯度,且由于環(huán)形相的溶解,聚積長大的大顆粒分解為小顆粒,使晶粒細化,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。瑞典J.Zackrisson等首先研究了金屬陶瓷的表面氮化處理技術,發(fā)現(xiàn)在高速軸向干車削鋼材時,刀具的表面抗塑性變形力較表面有涂層的同類材料提高了大約50%,韌性亦有所提高。氮化處理可充分提高前刀面的抗擴散磨損和后刀面的抗磨蝕磨損能力。2.5tib2基復合陶瓷刀具TiB2具有高硬度、較高的強度和斷裂韌性,極好的化學穩(wěn)定性以及優(yōu)良的導熱、導電、耐磨等性能,較強的抗月牙洼磨損和抗粘著能力。具有單相Fe-Cr-Ni粘結劑或兩相Fe2B-Fe-Cr-Ni粘結劑的TiB2基復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9.0MPa·m1/2,硬度HV1800,日本研制的TiB2+Ti(C,N)+Mo2SiB2復合陶瓷材料,其抗彎強度為1300MPa,硬度高達HV2300,比超細硬質合金的硬度更高,是一類極具發(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復合刀具材料,被證明是一種極好的用來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,熱壓燒結制得CBN-TiN-Al復合刀具材料,其硬度最高可達到30.7GPa,切削加工淬硬模具鋼時其性能比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、化學和力學性能及獨特的形變特征和室溫脆性,被稱為半陶瓷材料,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,其復合材料界面不產生化學反應,沒有界面相生成,具有較好的界面結合力。此刀具材料在切削鑄鐵和中碳鋼時顯示出優(yōu)良的特性,且成本低、功效高,具有廣闊的應用前景。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注;有研究認為,Y2O3陶瓷可作為一類新型的陶瓷刀具材料使用;我國生產的陶瓷-硬質合金刀具材料則具備了陶瓷和硬質合金的綜合優(yōu)勢。2.8納米多層復合涂層近十年來,刀具涂層技術發(fā)展迅速,刀具材料與涂層技術相結合為高速切削、硬切削和干切削的實現(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。常用的涂層為TiC/TiN/Ti(C,N)/TiAlN系列,此類涂層與基體有著較高的結合強度,并具有高硬度、高的耐磨性和切削速度。隨著PVD、CVD技術的發(fā)展,TiC、TiN、Ti(C,N)、TiB2和TiAlN由單層發(fā)展到多元多層復合涂層。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;TiAlN的硬度高達HV3400~3600,耐磨性僅低于類金剛石膜,是目前國際工具行業(yè)中最為推崇的超硬涂層。Al2O3涂層常用作抗氧化保護膜,且常與TiC、TiN、Ti(C,N)聯(lián)合作為多層復合涂層使用,如廣泛應用的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,即兼具TiC的高耐磨性、Al2O3的化學穩(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,已有的研究結果顯示,細顆粒、超細顆粒涂層的性能有很大提高。MBirkho-lz等用GFS技術成功地沉積了以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10nm,其硬度分別達到了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35GP