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2024.02.26

刀具材料-陶瓷刀具材料的分类和性能

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  陶瓷材料包括玻璃、陶瓷等传统陶瓷与耐热性、耐腐蚀性优异的高性能陶瓷。常用的陶瓷刀具材料是以AL2O3或Si3N4为基体成分在高温下烧结而成的。其硬度达91~95HRA,耐磨性比硬质合金高十几倍,适用于加工冷硬铸铁和淬硬钢;在1200℃高温下仍能切削,高温硬度可达80HRA,切削速度比硬质合金高2~10倍;具有良好的抗粘接性能,而且它与多种金属的亲和力小;化学稳定性好,即使在其熔化时,与钢也不起相互作用;同时具有很强的抗氧化性。

  1、陶瓷刀具材料的分类

  陶瓷刀具材料主要分为氧化铝系(AL2O3)、氮化硅系(Si3N4)、硅铝氧氮系(SiAION,赛隆陶瓷)

  (1)氧化铝系陶瓷

  ①纯氧化铝陶瓷(AL2O3)。这是最早发展起来的一种刀具陶瓷材料,它是加入质量分数为0.1%~0.5%的Mg0或其他玻璃氧化物如Cr3O3、TiO2等混合粉末,经冷压或热压制成的。

  ②氧化铝-碳化物陶瓷(AL2O3-TiC)。这种陶瓷是在氧化铝中添加百分之几到百分之几十的多种碳化物的组合陶瓷,如添加TiC、WC、SiC和TaC等,其中以添加TiC的AL2O3-TiC陶瓷应用最多,TiC的添加量(质量分数)在30%~60%之间,也有添加5%~10%的。

  ③氧化铝-氧化锆陶瓷(AL2O3-ZrO₂)。纯AL2O3AL2O3-TiC陶瓷是以提高组织的致密度,采用更细微的晶粒手段来增加陶瓷的密度,而AL2O3-ZrO₂陶瓷是在AL2O3基陶瓷中添加可诱导微观裂纹的ZrO₂形成的陶瓷,这种微观裂纹可以吸收断裂能,增加陶瓷的韧性。

  ④氧化铝-硼化钛陶瓷(AL2O3-TiB2)。在AL2O3基陶瓷中添加硼化钛(TiB2)作为粘结剂,用冷压或热压法制成的AL2O3-TiB2陶瓷。这种陶瓷组织中具有细晶粒AL2O3TiB2连续的粘结相,因而具有极好的韧性和耐磨性。

陶瓷刀具材料图片

  (2)氮化硅系陶瓷(Si3N4)

  ①氮化硅陶瓷(Si3N4)。它是将硅粉在1350~1400℃高温下通氮气氮化后进行球磨,并添加微量助烧结剂如MgO(氧化镁)、Al,O,或Y,0、(氧化钇)等然后经1700~1750℃的温度和20~30MPa的压力下热压烧结而成,呈灰白或黑灰色。

  ②组合氮化硅陶瓷。它包括两种组合氮化硅陶瓷,一种是在氮化硅中添加复合强化剂TiC、Co等烧结而成;另一种组合碳化硅陶瓷是在氮化硅陶瓷(体积分数92%)中添加6%和2%的其他成分构成组合碳化硅陶瓷的基体材料,以占总体积分数70%的基体材料再添加占总体积30%的强化剂TiC制成的一种无钴新型SiN4-TiC组合陶瓷。

  ③复合硅铝氧氮(SiN-AlO,SiAION,赛隆陶瓷)系陶瓷这是在1980年代末期发展起来的刀具材料,它是采用粉末冶金工艺在1600~2000℃高温下热烧结而成。具有极好的高温性能、抗热冲击和抗机械冲击韧性。它实际上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置换所形成的一大类固溶体的总称。

  2、陶瓷刀具的性能

  陶瓷刀具的硬度高,因此耐磨性好。可用于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65HRC的各类淬硬钢和硬化铸铁,因而可免除退火加工所消耗的能源,并因此也可提高工件的硬度,延长机器设备的使用寿命。陶瓷刀具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;陶瓷刀具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,所以在条件相同时,工件表面粗糙度值比较小。

  陶瓷刀具耐高温、热硬性好,可在1200℃下连续切削,所以陶瓷刀具的切削速度比硬质合金高很多,可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”。而且氮化硅陶瓷刀具的主要原料是自然界很丰富的氮和硅,用它代替硬质合金,可节约大量的W、Co、Ta和Nb等重要的金属。


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