陶瓷刀具材料的现状

时间：2021-01-07 20:05:21　来源：雅意学习网本文已影响人

　　【摘要】介绍了现阶段使用的陶瓷刀具的分类、陶瓷刀具的各方面性能和陶瓷刀具的实际应用范围，回顾了部分陶瓷刀具的发展历史，展望了陶瓷刀具未来的发展方向。认为陶瓷材料在今后的工业生产中依然拥有较大的发展空间。
　　【关键词】陶瓷；刀具；赛阿龙；立方氮化硼
　　0 引言
　　随着工业水平的提升，科学技术的不断发展，随着数控机床的迅速升级，出现了各种各样传统的硬质合金刀具难以加工的高硬度、高强度、耐磨、耐高温等特性的具有高难度的新型加工材料。而陶瓷刀具作为新型的切削刀具材料，由于其不但拥有良好的高速切削性能，还能进行干切削，满足了实际的生产需求，使得陶瓷刀具在切削加工中起到了越来越重要的作用。陶瓷刀具的大量应用也印证了新技术的不断进步。
　　1 氧化铝基陶瓷
　　氧化铝基陶瓷是目前市面上应用最广的陶瓷刀具材料。该系列刀具以氧化铝为主体，通过添加的成分不同可分为纯氧化铝陶瓷、氧化铝-碳化物系陶瓷、氧化铝-金属系陶瓷和氧化铝-碳化物-金属系陶瓷。其中的纯氧化铝陶瓷由于性能较差，切削时易崩刃，已逐渐被其他氧化铝复合陶瓷取代。氧化铝-碳化物系陶瓷是一种发展速度快、使用性能好的陶瓷刀具材料，具有相当高的硬度和抗弯强度，而氧化铝-金属系陶瓷由于其抗氧化性差所以极少被采用。氧化铝基陶瓷具有良好的耐高温性和耐磨性，在高温下仍可保持稳定的化学性能，具有良好的抗粘结能力，工件表面粗糙度低。但是由于氧化铝基陶瓷中含有大量铝元素，使其与金属铝有较强的亲和力，在加工铝合金工件时会出现较大的磨损，故氧化铝基陶瓷刀具不适合加工切削铝合金工件。[1]
　　2 氮化硅基陶瓷
　　氮化硅基陶瓷刀具是从20世纪80年代发展起来的非氧化物工程陶瓷刀具材料。它是以高纯度的氮化硅为原料，添加MgO、AL2O3，Y2O3等为助烧结剂，通过热压成型烧结而成。具有较高的强度和抗弯强度、良好的耐磨性、耐热性、化学稳定性和耐热冲击性，相对于以往陶瓷刀具要搞的疲劳强度，以及良好的断裂韧性。在许多方面其性能都超过了氧化铝陶瓷，但是在切削钢材方面不如氧化铝陶瓷效果好，因此不适合加工钢材。现阶段应用较为广泛的氮化硅基陶瓷种类有单一氮化硅陶瓷及氮化硅复合陶瓷。[1，4]
　　3 复合氮化硅—氧化铝陶瓷
　　Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷叫赛阿龙（Sialon）。最初由英国研制成功，是将氧化铝和氮化硅热压烧结产生的固溶体。相比于氮化硅陶瓷，具有更好的耐热性、耐磨性、化学稳定性、抗蠕变能力、抗塑性变形和抗氧化性。赛阿龙陶瓷刀具适合进行高速切削、强力切削、断续切削，而且不仅适合于干切削，也适合于湿切削。赛阿龙陶瓷是加工铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的理想道具。因为与钢的化学亲和力大，赛阿龙陶瓷刀具不适合加工钢材。目前国际上对于该陶瓷刀具的研究非常活跃，在各个方面的研制都取得了良好的成果。[2-5]
　　4 钛基金属陶瓷
　　钛基金属陶瓷是陶瓷和金属的复合材料。作为以TiC为主要成分的合金，拥有和陶瓷相近的硬度和耐热性，但有着比陶瓷更高的抗弯强度和断裂韧性，而且化学稳定性好，具有良好的抗氧化性及抗月牙洼磨损和抗粘结能力。其中的80%是作为硬质相的金属碳化物，其余为作为粘结剂的铁、钴、镍等金属相。主要应用于数控领域中，其可加工范围覆盖了大部分的种类的铸铁、金属和非金属材料，以及各种钢材和耐热合金等。为了配合生产可以制作成各种机类可转位刀具或各种尺寸较小的整体复杂刀具使用。现在有着巨大潜力的钛基金属陶瓷，在将来也是数控领域中重要的刀具品种。[6]
　　5 氧化锆基陶瓷
　　选择二氧化锆作为提高陶瓷性能的原因是二氧化锆具有耐热，耐磨，耐高温，耐腐蚀，稳定性高，导电性好，热膨胀系数大等特点。氧化锆基陶瓷种类繁多，这是由于氧化锆具有多种相态，而以不同的形态存在时具有不同的性能造成的。目前应用最多有四方氧化锆多晶体（TZP）、部分稳定氧化锆（PSZ）、以TZP或PSZ为基体的增韧陶瓷和以氧化锆为分散相的复相陶瓷。这些不同种类的氧化锆基陶瓷因为其各异的优良性能在相应的场合有着广泛的应用。而氧化锆基陶瓷的优异性能使得其成为应用面最广的氧化物陶瓷之一。[7，9-10]
　　6 纳米陶瓷刀具
　　纳米复合材料陶瓷是以陶瓷为基体把纳米颗粒、纳米晶须及纤维扩散到其中来起到强化的作用，强化后的纳米复合材料它力学性能、蠕变强度、抗弯强度、断裂韧性和耐高温性能都得到了显著的提高。在切削性能方面纳米复合陶瓷刀具的耐磨性和切削速度显著增强。目前使用纳米技术制备的陶瓷刀具有：纳米复合陶瓷刀具材料和纳米涂层陶瓷刀具材料。其中纳米涂层陶瓷刀具的涂层方法可以采用多种材料的不同组合来满足不同的功能和性能的需求[11]。
　　7 涂层金属陶瓷刀具
　　涂层金属陶瓷刀具的涂层分为硬涂层和软涂层，目前硬涂层包括TiN、TiC、Ti（CN）、TiALN、CrN等一系列金属氮化物。其中TiN的应用最广泛。硬涂层是提高刀具的硬度和耐磨性。并且在一般情况下可进行多层复合涂层。软涂层主要以MoS为基的涂层。其作用是降低摩擦系数，且软硬涂层还能复合使用。涂层刀具的出现，使刀具的切削性能得到了很大的增强。应用领域不断扩大，特别应用于数控加工领域。目前涂层金属陶瓷刀具发展迅速，在陶瓷涂层的研究中，为了得到较厚的涂层，现在工业的一般做法是按照涂层的组分按一定的比例梯度配比进行涂层，来消除金属和陶瓷因为膨胀系数的不同而产生的应力，这样既能加厚了涂层还能保证涂层与金属的紧密结合以保证使用的可靠和稳定性。目前这类陶瓷也有了成果如山东大学机械工程学院已开发成功了陶瓷一硬质合金复合刀片FH-1和FH-2以及复相梯度陶瓷刀具材料FG-1、FG-2等[7]。
　　8 有机改性陶瓷
　　有机改性陶瓷又称为聚合陶瓷或有机改性硅酸盐是由无机盐和聚合物以分子和原子为基础聚合而形成的复合材料，它也是以纳米为基础的。它的特点是：复合尺度达到纳米水平，复合材料之间是以化学键相结合的，所以它的性能比起以往的陶瓷刀具可以说是又进了一个台阶。并且制备有机改性陶瓷的温度适中，最终产物的均匀融合度好，性能优良，已普遍得到人们的重视，不过要想得到更加优良的性能开发其潜在的用途还有待于进一步研究[7]。

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