陶瓷刀具的发展与应用.doc

陶瓷刀具的发展与应用 李超 1110012128 （南通大学机械工程学院 江苏 南通） 摘 要: 综述了氧化铝系和氮化硅系两类陶瓷刀具的发展现状, 阐述了这两类陶瓷刀具的力学性能与切削性能, 讨论了它们的特点、加工范围以及适合的切削加工用量, 提出了刀具选择及使用要点。 关键词: 陶瓷刀具,氮化硅 , 氧化铝 Development and Application of Ceramic Cutting Tools Abstract:The current development situation of Al2O3 and Si3N4 matrix ceramic cutting tools is summarized. The mechanical property and cutting performance of the two kinds of cutting tools are represented. The characteristics, cutting ranges and suitable machining values of Al2O3 and Si3N4 matrix ceramic cutting tools are discussed emphatically. Some gists of selecting and using ceramic cutting tools are also presented. Keywords: ceramic cutting tools,Si3N4 , Al2O3 0 前言 随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展, 目前切削加工已进入了一个以高速、高效和高精度为标志的高速加工发展新阶段, 高速切削已成为当前切削技术的重要发展趋向。然而, 由于切削速度的提高相应地产生了更多的切削热和更大的切削力, 这些都会使刀具的切削性能大大降低。因此, 影响高速切削刀具材料切削性能好坏的关键在于其高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。基于这一要求, 近几十年来, 世界各工业发达国家相继开发了一批适于高速切削的新型刀具材料。其中, 陶瓷材料由于其优异的物理力学性能和切削性能在高速切削领域占据了举足轻重的地位。 1 陶瓷刀具材料的基本特点 陶瓷刀具与硬质合金刀具相比, 其硬度高、耐磨性好, 切削寿命可比硬质合金高几倍以至十几倍。陶瓷刀具在1 200 e 以上的高温下仍能进行切削,所具备的高温性能使其能够以比硬质合金刀具高3~ 10 倍的切削速度进行加工。陶瓷刀具与钢铁金属的亲和力小、摩擦因数低、抗粘结和抗扩散能力强, 故加工件的表面质量好。此外, 陶瓷刀具的化学稳定性好, 其切削刃即使处于赤热状态也能长时间连续使用, 这对金属高速切削有着重要的意义[ 4] 。近年来, 随着材料科学与制造技术的进步, 可通过添加碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善陶瓷 的性能, 还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和增韧机理协同作用提高其断裂韧性和抗弯强度, 故其应用范围日益扩大。当前, 陶瓷刀具材料的研究进展主要集中在提高传统刀具陶瓷材料的性能、细化晶粒、组分复合化及采用涂层、改进烧结工艺和开发新产品等方面, 以期获得更好的耐高温性能、耐磨损性能和抗崩刃性能, 满足高速精密切削加工的要求[ 5, 6] 。 2 陶瓷刀具的性能 陶瓷刀具多为高硬度的细微晶粒经高温烧结而成, 具有高硬度和高耐磨性, 其高温性能和化学稳定性也大大高于其它刀具。因此, 总体上讲, 陶瓷刀具具有良好的切削性能。 2.1 陶瓷刀具的力学性能 陶瓷刀具材料的力学特性是其优良的切削性能的根本所在。 2. 2 陶瓷刀具的切削性能 2.2.1氮化硅陶瓷刀具的性能优点 Si3N4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。 2.2.2 氧化铝陶瓷刀具的性能优点 Al2O3 陶瓷刀具的切削性能Al2O3 系陶瓷刀具的硬度达91~ 95HRA, 在高温下有较好的化学稳定性、耐磨性和耐热性, 高温硬度高, 在1200 e 高温下仍能进行切削( 此时硬度为80HRA) , 如果加入一定的稳定剂并采用热压成形技术, 可使刀具在1800 e 高温下仍能保持硬度和耐磨性, 且高温时刀具与工件间不产生化学反应, 月牙洼磨损率较低, 表面粗糙度小。 3 氮化硅基陶瓷刀具的发展概况 氮化硅基陶瓷是20 世纪70 年代出现的新刀具材料, 它以高纯度的Si3N4 粉末为原料, 添加Y2O3、MgO、ZrO2 和HfO2