陶瓷刀片材料的种类及发展趋势

陶瓷刀片材料的种类及发展趋势

在机械加工中,刀具一直被称作为“工业制造的牙齿”,而刀具材料的切削性能是决定其生产效率,生产成本和加工品质的关键因素之一,因此,正确的选用切削刀具材料是至关重要的,陶瓷刀具以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性,在高速切削领域和切削难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势,并且陶瓷刀具的主要原料Al 和si 在地壳中含量丰富,可以说取之不尽,用之不竭,因此新型陶瓷刀具应用前景十分广阔。

一、陶瓷刀具的种类

陶瓷刀具材料的进展集中在提高传统刀具陶瓷材料的性能、细化晶粒、组份复合化、采用涂层、改进烧结工艺和开发新品等方面,以期获得耐高温性能、耐磨损性能和抗崩刃性能优异且能适应高速精密切削加工的需求。河南超硬材料研究所把陶瓷刀具材料大致可分为氧化铝系、氮化硅和氮化硼(立方氮化硼刀具)三大类。在金属切削领域,氧化铝陶瓷刀片和氮化硅陶瓷刀片合称为陶瓷刀片;在无机非金属材料学中,立方氮化硼材料归于陶瓷材料大类。以下是三类陶瓷的特点。

(1)氧化铝(Al2O3)基陶瓷:碳化物系陶瓷中添加Ni 、Co 、W 等作为粘结金属,可提高氧化铝与碳化物的结合强度。具有良好的耐磨性、耐热性,且其高温化学稳定性好,不易与铁元素之间发生相互扩散或化学反应,所以氧化铝基陶瓷刀具的应用范围最广,适于对钢材、铸铁及其合金的高速切削加工;由于抗热振性能提高,也可用于断续切削条件下的铣削或刨削,但它不宜用来加工铝合金、钛合金和钽合金,否则容易产生化学磨损。

(2)氮化硅(Si3N4)基陶瓷刀具:是在氮化硅基体中添加适量金属碳化物及金属等复合强化剂,利用复合强化效应(又称弥散强化效应) 制成的一种陶瓷。特点是硬度高,耐磨性好,耐热性、抗氧化性好,氮化硅与碳和金属元素化学反应较小,摩擦因数也较低。适宜精车,半精车,精铣或半精铣。

(3)氮化硼陶瓷(立方氮化硼刀具):硬度高,耐磨性,耐热性好,好的热稳定性,具有良好的导热性,较低的摩擦系数,线膨胀系数小。如华菱立方氮化硼刀具BN-S20牌号用于粗加工淬硬钢,BN-H10牌号牌号用于高速精加工淬硬钢,BN-K1牌号加工高硬度铸铁,BN-S30牌号高速切削灰口铸铁均比陶瓷刀片更能取得良好的经济效益。

二、陶瓷刀具的特性

陶瓷刀具的特性:(1)耐磨性好;(2)耐高温,红硬性好;(3)刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍,减少了加工中的换刀次数,保证被加工工件的小锥度和高精度;(4)不仅能对高硬度材料进行粗、精加工,也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工;(5)陶瓷刀片切削时与金属摩擦力小,切削不易粘接在刀片上,不易产生积屑瘤,加上可以进行高速切削。

陶瓷刀片与硬质合金刀片相比,可承受2000℃的高温,而硬质合金在800℃时则变软;所以陶瓷刀具更具有高温化学稳定性,可高速切削,但其缺点是陶瓷刀片的强度和韧性很低,容易破碎。之后推出了氮化硼陶瓷(以下通称为立方氮化硼刀具),主要应用于车削,铣削,镗削超硬材料。立方氮化硼刀具的硬度比陶瓷刀片高很多,由于硬度高,与金刚石并称为超硬材料,常用来加工硬度高于HRC48的材料,它有极好的高温硬度--高达2000℃,尽管比硬质合金刀片脆,但与氧化铝陶瓷刀具相比,冲击强度和抗破碎性能有明显提高。此外,一些特制的立方氮化硼刀具(例如华超超硬BN-K1牌号和BN-S20牌号)能抵御大余量粗加工的切屑负荷,并能承受间断切削加工时的冲击以及精加工时的磨损和切削热,这些特点可以满足用立方氮化硼刀具粗加工淬火钢和高硬度铸铁等难加工材料。

以下以华菱品牌立方氮化硼刀具为例简单介绍一下它的应用范围。

三、华菱超硬品牌立方氮化硼刀具的应用范围

华菱超硬前身是河南超硬材料研究所,是专业生产立方氮化硼刀具等超硬材料制品的高新技术企业,在业内最先针对灰铸铁,各种耐磨铸铁/铸钢,淬火钢等材质进行刀具研发。尤其在间断切削淬火钢、高铬白口铸铁加工等诸多领域,引领着世界一流水平, 在超硬刀具学术界享有很高声誉, 作为超硬刀具国产化先驱,是硬材料加工和高速加工中最知名的刀具品牌。

华菱品牌立方氮化硼刀具成功采用非金属陶瓷作为粘合剂,进一步平衡了立方氮化硼刀具的脆性和韧性,是此刀具品牌独特的优势之一。作为机夹可转位数控刀片结构,如表中所示刀片样式,立方氮化硼刀片分为焊接式立方氮化硼刀片和整体聚晶立方氮化硼刀片,其中焊接式立方氮化硼刀片一般适用于精加工,吃刀量一般在0.3mm 以下,而整体烧结立方氮化硼刀片可以大余量切削加工难加工材料,特别在在强断续切削加工中领先于整个超硬材料刀具行业,华菱立方氮化硼作为民族超硬刀具品牌名扬海外,在世界超硬刀具界独树一帜。以下是焊接式立方氮化硼刀片和整体式立方氮化硼刀片的应用范围表:

焊接式立方氮化硼刀片的牌号及应用范围表

华菱整体聚晶立方氮化硼刀片的牌号及应用范围表

四、结语

目前,我国陶瓷刀具的发展十分迅速,研究与开发水平与国际相当。陶瓷刀具通过对陶瓷刀具材料组分、制备工艺与材料设计的研究可以在保持高硬度、高耐磨性和红硬性的基础上,极大的提高刀具材料的韧性和抗冲击性能,制备符合现代切削技术使用要求的适宜材料。它实现以车代磨的高效“硬加工技术”及“干切削技术”,提高零件加工表面质量。实现干式切削,对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。


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