陶瓷刀具加工难加工材料分析及前景展望

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1、陶瓷刀具加工难加工材料分析及前景展望1引言随着工业的发展，各种高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀的工程材料愈来愈多地被采用，目前难加工材料已占工程材料的40%以上。对难加工材料进行切削加工，刀具的材料是关键因素之一，除了要具备普通刀具的基本性能外，还要具备高的耐热性、抗热冲击性、化学稳定性及良好的高温力学性能和高的可靠性。陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性强、抗粘接性和高温力学性能好等特性。近30年来，新型陶瓷刀具材料的研究进展较快，陶瓷刀具的强度、韧性和抗冲击性能都有了大大提高。因此，在切削难加工材料的应

2、用中，受到了愈来愈多的关注。但每一种陶瓷刀具都有其特定的加工范围，存在着陶瓷刀具和切削对象的合理匹配问题。作者根据自己的研究并参考国内外相关文献报道，对适宜于陶瓷刀具加工的难加工材料的特性、切削性能及其与陶瓷刀具的匹配问题进行综述。2陶瓷刀具类型及性能2.1氧化铝基陶瓷刀具氧化铝陶瓷刀具：主要在上世纪50年代后期使用，材料中采用纯Al2O3陶瓷或Al2O3为主且添加少量MgO、Cr2O2、TiO2、NiO、SiO2等的陶瓷刀具材料。该类刀具室温硬度与高温硬度都高于硬质合金刀具，室温与高温抗压强度都很好，能克服

3、一般高速钢刀具及硬质合金刀具易变形及塌陷的缺点。虽然该类刀具室温下的抗弯强度较低，但随着使用中温度的上升，其抗弯强度却降低较少，所以氧化铝陶瓷刀具最适于高速切削硬而脆的金属材料。氧化铝—碳化物复合陶瓷刀具：是60～70年代主要的陶瓷刀具，以Al2O3为基加入TiC、WC、TaC、SiC、Cr3C2、M02C等，其中以Al2O3一TiC复合陶瓷用得最多。该陶瓷刀具的耐用度显著提高，而热裂纹深度较小，其抗弯强度、耐热冲击性等均优于Al2O3陶瓷刀具。另一类系在Al2O3-TiC中再添加少量的Mo、Ni、Co、W、

4、Cr等金属的陶瓷刀具，这类陶瓷刀具具有较高的联接强度，抗弯强度和抗震性能明显提高，具有较好的切削性能。2.2氮化硅基陶瓷刀具是70年代末80年代初期的主要陶瓷刀具，Si3N4-TiC-Co复合陶瓷性能好，具有很高的耐磨性、红硬性、抗热冲击性和抗机构冲击性。实践证明，加工冷硬铸铁轧辊，采用复合氮化硅陶瓷刀具比普通硬质合金刀具切削速度快5倍，刀具寿命提高20～30倍，能在间断切削工况下顺利工作，这是硬质合金刀具无法完成的；并且其韧性、抗弯强度、导热系数均高于Al2O3基陶瓷，应用较广泛。2.3Sialon陶瓷刀具

5、在80年代后期至90年代大量使用。Sialon陶瓷是一种新型复合陶瓷（Si3N4-Al2O3-Y2O3），具有很高的抗弯强度、硬度、耐热震性和较高的热硬度，韧性高于其它陶瓷，能在比热压陶瓷和涂层硬质合金刀具更高的切削速度和负载下进行切削。2.4增韧补强的陶瓷刀具陶瓷刀具虽然具有耐高温、耐磨损等优良性能，但由于其强度、韧性的不足，限制了其优良性能的发挥，为此，陶瓷刀具的强韧化便成为近年来研究的重点课题，晶须、颗粒强韧化陶瓷刀具应运而生。现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷，目前国内外广泛使用的以及正在开发的陶瓷刀具

6、材料基本上都是采取不同的强韧化机理来进行设计的，其中以氧化铝系和氮化硅系陶瓷刀具材料应用最为广泛。20世纪70年代投入使用的Al2O3/TiC热压陶瓷材料，强度、硬度和韧性均较高，仍是国内外使用最多的陶瓷刀具材料之一。此后在Al2O3中添加TiB、Ti（C，N）、SiC，、ZrO等的陶瓷刀具也相继研制成功，其力学性能进一步提高。3陶瓷刀具与难加工材料的匹配难加工材料种类繁多，性质迥异，选用陶瓷刀具切削难加工材料时，必须根据所加工的材料，依照刀具匹配原则，使刀具材料与被加工材料在力学、物理性能和化学性能等方面合

7、理匹配。3.1高强钢的切削加工高强钢因有很高的强度、硬度和很好的韧性、塑性，其切削特性主要是切削力大、切削温度高、形成的切削热较多，且导热性较差，对刀具的磨料磨损、扩散磨损及氧化磨损均较严重。因此，切削时要求刀具应具有较高的红硬性、耐磨性及冲击韧度，而且不易产生粘接和扩散磨损；粗加工和断续切削时，要求刀具具有抗热冲击性能。Al2O3-TiC系列陶瓷刀具具有较高的抗弯强度、抗冲击性和耐磨性。对比用YW和AT6加工35CrMnSiA（σb≥1650MPa，45～48HRC）钢，发现AT6的耐用度平均提高4倍以上；

8、通常该系列陶瓷刀具的耐用度、加工效率、硬度和耐热性高于硬质合金刀具。目前用陶瓷刀具切削高强钢时，主要用于半精加工和精加工。经比较，切削高强钢相匹配的陶瓷刀具主要为Al2O3-TiC系列陶瓷刀具，推荐AT6、AG2、T8、LT35、LT55等。3.2高锰钢的切削加工高锰钢具有铸造性能好、价格低廉以及特优的耐磨性等，其切削难度大，主要表现在加工硬化严重、导热性差，切削温度高、韧性大，伸长率大、切屑变形大