陶瓷刀具材料的新进展与应用

陶瓷刀具材料的新进展与应用切削加工生产率刀具寿命高低、加工成本多少、加工精度加工表面质量优劣等，很大程度上取决于刀具材料合理选择。目前应用刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷、TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)、硬质合金、高速钢及各种涂层刀具。它们各有各自特点，适应不同工件材料不同切削速度范围。工程技术界努力研制与推广陶瓷刀具主要原因于：(一)陶瓷刀具材料具有很高硬度、耐磨性能良好高温性能，与金属亲力小，不易与金属产生黏结，并且化学稳定好。近年来，通过控制原料纯度晶粒尺寸，添加碳化物、氮化物、硼化物、氧化物晶须等，采用多种增韧机制进行增韧补强，使得陶瓷刀具材料抗弯强度、断裂韧性抗冲击性能等有大幅度提高，应用范围日益广泛，可以用于高速切削、干切削、硬切削，切削效率大大提高。(二)构成高速钢与硬质合金主要成分钨资源全球范围内日趋枯竭，20世纪80年代初估计，全世界已探明钨资源仅够使用50年时间，钨已成为世界上最稀缺资源之一，但其切削刀具材料消耗却很大，从而导致钨矿价格不断攀升，几十年间已上涨好多倍，而陶瓷刀具材料使用主要原料氧化铝、氧化硅等地壳最丰富，这一定程度上也促进了陶瓷刀具研制与推广，陶瓷刀具材料研制开发与应用取得了许多令人瞩目成果。本文主要介绍陶瓷刀具材料发展概况、国内外刀具生产商主要陶瓷刀具产品及其合理选用，以推动陶瓷刀具得到更加广泛应用。一、陶瓷刀具材料发展概况早20世纪初，德国与英国已开始采用陶瓷刀具取代传统碳素工具钢刀具，但由于当时陶瓷脆性较大，所以其应用受到局限。如何克服陶瓷刀具材料脆性，提高其韧性，成为近百年来陶瓷刀具材料研究主要课题。20世纪50年代以前以纯Al2O3陶瓷为主，60年代至70年代以Al2O3/TiC复合陶瓷为主，70年代后期至80年代初期发展了氮化硅基陶瓷刀具材料及ZrO2相变增韧陶瓷刀具材料，80年代后期到90年代，发展了晶须增韧陶瓷刀具材料。进入21世纪，各种纳米增韧陶瓷刀具材料及陶瓷涂层刀具成为研究开发核心。事实上，硬度高材料往往强度韧性低，要想提高韧性往往以硬度下降为代价。陶瓷刀具材料这种硬度与韧性之间矛盾使得研究具有高硬度同时又具有高强度、高韧性陶瓷成为陶瓷刀具材料研究热点。超细晶粒技术发展纳米复合材料研究为陶瓷发展增添了新活力。根据Hall-petch关系，晶粒尺寸越小陶瓷材料硬度强度越高，当晶粒尺寸小到100nm左右时，强度硬度会有很大提高。纳米改性、纳米复合成功解决了晶粒异常长大问题，纳米级粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，导致基体晶粒细化。但纳米粉活性很大，界面反应激活能较低，烧结过程极易长大，尽管加入抑制剂，效果仍不理想，目前纳米级陶瓷刀具材料仍研制过程，开发出陶瓷刀具产品相对较少。纳米改性、纳米复合及超细晶粒陶瓷刀具材料研究与开发将今后陶瓷刀具材料发展主要方向。二、陶瓷刀具材料种类性能陶瓷刀具材料可分为四大类：CA氧化铝基氧化物陶瓷(白陶瓷)；CM氧化铝基金属碳化物复合陶瓷(黑陶瓷)；CN氮化硅基氮化物陶瓷(非氧化物陶瓷)；CC陶瓷涂层刀具。目前氧化铝基氮化硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。氧化铝系陶瓷刀具材料a.氧化铝陶瓷刀具：刀具材料采用纯Al2O3陶瓷及以Al2O3为主且添加少量其它元素陶瓷材料，如MgO、NiO、SiO2、TiO2Cr2O3等。这些添加物有利于加强Al2O3抗弯强度，但高温性能有所降低。Al2O3陶瓷室温硬度与高温硬度都高于硬质合金材料。Al2O3陶瓷室温与高温时抗压强度都很好，尤其可以克服一般高速钢刀具及硬质合金切削刀刃易形成变形及塌陷缺点。此外，Al2O3陶瓷抗氧化、抗粘结性及化学惰性都很好。氧化铝陶瓷刀具最适于高速切削硬而脆金属材料，如冷硬铸铁或淬硬钢；用于大件机械零部件切削及用于高精度零件切削加工。氧化铝陶瓷刀具短、小零件、钢件断续切削及Mg、Al、Ti及Be等单质材料及其合金材料切削加工时效果较差，容易使刀具出现扩散磨损或发生剥落与崩刃等缺陷。•氧化铝—金属系复合陶瓷刀具：为提高Al2O3陶瓷刀具韧性，材料引入10%以下Cr、Co、Mo、W、Ti、Fe等金属元素，由此形成Al2O3金属陶瓷。这样材料密度、抗弯强度及硬度均有提高，但由于氧化铝—金属陶瓷刀具抗蠕变强度低、抗氧性差，到目前为止，其推广使用情况不佳。•氧化铝—碳化物系复合陶瓷刀具：系将一定比例碳化物，如Mo2C、WC、TiC、TaC、NbCCr3C2等加入到Al2O3陶瓷，采用Mo、Ni(或Co、W)等金属作为粘结相热压而成陶瓷刀具材料。当TiC含量为30%时，陶瓷刀具耐用度获得显著提高，而热裂纹深度也较小。目前国际上生产热压Al2O3-TiC陶瓷刀具均采用此配方，如山东大学SG4陶瓷刀具、肯纳刀具公司KY1615等。Al2O3-TiC陶瓷抗弯强度，耐热冲击性等均优于纯Al2O3陶瓷刀具。Al2O3-TiC陶瓷材料，由于金属粘结Al2O3晶粒碳化物晶粒二者相互穿插骨架组成，具有较高联接强度，因此形成较好切削性能。这类陶瓷刀具最适用于加工淬硬钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、铸钢，镍基或镍铬合金，镍基钴基金合等，另外还可用于非金属材料如纤维玻璃，塑料夹层及陶瓷材料切削加工。由于氧化铝一碳化物金属陶瓷抗热震性能良好，故可适用于铣削，刨削，反复短暂切削或其它断续切削等，亦可采用切削液进行湿式切削等。•氧化铝—氮化物、硼化物金属复合陶瓷刀具：此种陶瓷刀具材料基本性能与加工范围与Al2O3一碳化物金属陶瓷材料相当，不过由于以氮化物、硼化物取代TiC，如Al2O3-TiN,Al2O3-Ti(C,N)，Al2O3-TiB2，因此它具有更好抗热震性能与更适用于间断切削。但其抗弯强度与硬度都比添加TiC金属陶瓷低一些，对它研究与开发仍继续。•SiC晶须增韧Al2O3陶瓷刀具：SiC晶须加入使Al2O3基陶瓷断裂韧性提高两倍多，同时保留了很高硬度，目前这种陶瓷刀具可用于淬硬钢、工具钢、冷硬铸铁镍基合金加工。如肯纳刀具公司KY4300为SiC晶须增韧Al2O3陶瓷刀具，具有良好韧性，可用于加工高温合金高硬度铸造材料。•AlON基陶瓷：氮氧化铝(AlON)基体添加碳化硅晶须，可使氮氧化铝陶瓷基体得到加强。对于传统高温合金精加工而言，这种刀具材料具有强韧性、抗磨损性抗热冲击性三者完美结合。与碳化硅晶须增强氧化铝基陶瓷相比，经碳化硅晶须增强氮氧化铝陶瓷已被证明可以提高其抗破损能力。•氮化硅系陶瓷刀具材料a.单一Si3N4陶瓷刀具：此类陶瓷刀具主要以MgO为添加剂热压陶瓷。由于Si3N4陶瓷以共价键结合，晶粒长柱状，因此有较高硬度、强度断裂韧性，其硬度为91～93HRA，抗弯强度为0.7～0.85GPa，耐热性可达1300～1400℃，具有良好抗氧化性。同时它有较小热膨胀系数(=3×10-6/℃)，所以有较好抗机械冲击性抗热冲击性。Si3N4刀具适合于铸铁、高温合金粗精加工、高速切削重切削，其切削寿命比硬质合金刀具高几倍至十几倍。此外，Si3N4陶瓷有自润滑性能，摩擦系数较小，抗粘接能力强，不易产生积屑瘤，且切削刃可磨得锋利。能加工出良好表面质量，特别适合于车削易形成积屑瘤工件材料，如铸造硅铝合金等，汽车发动机铸铁缸体等加工应用越来越普遍。b.复合Si3N4陶瓷刀具：单一Si3N4陶瓷硬度并不特别高(HRA92.5)，加工硬度较高工件时，如冷硬铸铁(HS65～80)、高铬铸铁(HS80～90)等，单一Si3N4陶瓷刀具耐用度较低，为改善其耐磨性，加人TiCN、TiCN-TiN作为硬质弥散相，以提高刀具材料硬度，同时保留较高强度断裂韧性，称为复合氮化硅陶瓷刀具。与单一Si3N4陶瓷刀具相比，复合氮化硅陶瓷刀具抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力耐磨性都有了很大提高，且易于制造烧结。c.赛隆Sialon陶瓷刀具：赛隆陶瓷以Si3N4为硬质相，Al2O3为耐磨相，并添加少量助烧剂Y203，经热压烧结而成，有很高强度韧性，Sialon陶瓷刀具具有良好抗热冲击性能。与Si3N4相比，Sialon陶瓷刀具抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能更高，耐热温度较高达1300℃以上，具有较好抗塑性变形能力，其冲击强度接近于涂层硬质合金刀具。赛隆(Sialon)陶瓷材料有2种晶体结构，a-Sialon为等轴晶，具有较高硬度耐磨性能，b-Sialon为柱状晶，断裂韧性热传导能力相对较好，a+b-Sialon复相陶瓷刀具综合了两相优点，切削性能更优异，重载条件下其耐磨性能优于单相陶瓷刀具。Sialon陶瓷刀具适用于高速切削、强力切削、断续切削，不仅适合于干切削，也适合于湿式切削。如肯纳刀具公司开发Sialon陶瓷刀具KY1540可用于铸铁、镍基合金、钛基合金硅铝合金高速切削加工。由于它钢化学亲性大，Sialon陶瓷刀具不适合加工钢。•Si3N4晶须增韧陶瓷刀具：该类陶瓷Si3N4基体加入一定量碳化物晶须而成，从而可提高陶瓷刀具断裂韧性。北京方大高技术陶瓷有限公司生产FD03刀片及湖南长沙工程陶瓷公司生产SW21牌号均属这一类。FD03刀片Si3N4陶瓷基体加入了硬质弥散颗粒TiC，SW21刀片Si3N4加入了一定量SiC晶须，故有较好使用性能。•陶瓷涂层刀具涂层技术可提高刀具耐磨性而不降低其韧性，较好解决了刀具材料存强度韧性之间矛盾，切削刀具发展一次革命。常用涂层方法PVDCVD，陶瓷涂层以CVD法为主，最近WALTER刀具公司世界上首次开发出了硬质合金基体上PVD氧化铝陶瓷涂层刀具。PVD氧化铝陶瓷涂层刀具既具有较好韧性，又具有良好抗磨损性能，适用于难加工材料、不锈钢普通钢高效切削加工。涂层方式有单涂层，、多涂层、纳米涂层等。陶瓷单涂层刀具如Ingersoll公司IN6510(K15-K20硬质合金基体)、IN6515(K15-K35，P20-P30硬质合金基体)、IN6530(P25-P45，M25-M40，K20-K50硬质合金基体)。厚膜氧化铝涂层对于提高加工效率很有帮助，但通常涂层技术膜厚增厚同时会降低涂层与基体结合力，肯纳刀具公司通过技术改进，不降低结合力前提下，已将KC9110氧化铝涂层厚度从12µm先增加到182µm，后又提高到242µm，使该刀具切削性能大大提高。多层陶瓷涂层可阻挡裂纹扩展，提高刀具寿命，近年来发展较快。如山高刀具公司钻削用T2000D(涂层材料Ti(C,N)-Al2O3-TiN)，T3000D刀具(涂层材料Ti(C,N)-Al2O3)；铣削用T150M(涂层材料Ti(C,N)-Al2O3)，T350M(涂层材料Ti(C,N)-Al2O3/TiN)，T200M(涂层材料Ti(C,N)-Al2O3-TiN)，T250M(涂层材料Ti(C,N)-Al2O3/TiN)；车削用TP1000、TP2000(涂层材料Ti(C,N)-Al2O3-Ti(C,N)-TiN)，TP3000、TP200、TP400、TK1000、TK2000(涂层材料Ti(C,N)-Al2O3-TiN)，山高刀具公司还开发了a-Al2O3与k-Al2O3相互交替涂层刀具。WALTER刀具公司开发生产了氧化铝多层涂层刀具：WAP系列(涂层材料TiCN-Al2O3-TiN)，WAK系列(涂层材料TiCN-Al2O3/TiN)，WAM系列(涂层材料TiCN-Al2O3-HfN)。纳米涂层材料每一个颗粒尺寸都非常小，因此晶粒边界非常长，从而具有很高高温硬度、强度断裂韧性，已开发出400层TiAlN-TiAlN/Al2O3纳米涂层刀具。氮化硅基陶瓷韧性优于氧化铝基陶瓷，但其耐磨性稍差。切削铸铁时，氮化硅基陶瓷刀具后刀面磨损大于氧化铝基陶瓷刀具，切削钢料时，氮化硅基陶瓷刀具月牙洼磨损较大。为此，国外氮化硅基陶瓷表面上施以Al2O3涂层，经Al2O3涂层后氮化硅刀具其磨损量为未涂层1/3。如Sandvik公司GC1690山高(日本)刀具公司氮化硅基涂层陶瓷刀具，肯纳刀具公司最近开发氮化硅基CVD氧化铝涂层陶瓷刀具KY3400可用于球墨铸铁高速加工，也可用于灰口铸铁、延展铸铁或球墨铸铁通用加工。肯纳刀具公司还PCBN基体上研制了