发展历史
随着新技术革命的发展,要求不断提高切削加工生产率和降低生产成本.,特别是数控机床的发展,要求开发比硬质合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。日前各种高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨和耐高温的难以切削的新材料日益增多。据文献估计,这类材料己占国际上加工总数的50%以上.,硬质合金刀具对其中不少新材料的加工难以胜任。另一方面,现在国际上硬质合金产量己达20000-25000t。每年消耗大量的金属,如W、Co、Ta和Nb等。这些金属的矿产资源正日益减少,价格上涨,按日前消耗速度,用不了几十年.有些资源将耗尽。陶瓷刀具就是在这样的背景下发展起来的。
早在1912-1913年.英国和德国己出现了氧化铝陶瓷刀具,但其在生产上的应用则始于1950年。由于其强度、韧度低,较长时期内仅限于做连续切削精加工用.,且切削速度和进给量都较低。直到1968年才出现第2代陶瓷刀具-复合氧化铝刀具,在强度和韧度上较之氧化铝刀具有了明显提高,可以在较高的速度和较大的进给量下切削各种工件.得到了较广泛的应用。
20世纪70年代末到80年代初国际出现了第3代陶瓷刀具-氮化硅陶瓷刀具。这类陶瓷刀具有比复合氧化铝刀具更高的韧性、抗冲击性、高温强度和抗热震性。陶瓷刀片在各工业发达国家的产量增长很快。
中国自20世纪60年代中开始批量生产复合氧化铝刀片,目前年生产量为14-15万片。氧化硅陶瓷刀片虽自20世纪70年代中就开始研究,由于性能欠佳,不能满足需求。随着对高温结构陶瓷领域研究的不断深入,使氮化硅陶瓷的性能有了很大提高,从而使氮化硅陶瓷刀具在中国迅速发展起来。
结构性能
传统的陶瓷材料一般取自自然界,如景德镇的土,经过混料、成形和焙烧等工序制成各种日用品。而现代高技术陶瓷,也称特种陶瓷,它的材料是人工合成的,如氮化硅粉,纯度高。利用现代粉末冶金工艺制造,制成的产品具有硬度高和耐高温等性能。
材料可分为金属材料和非金属材料。非金属材料又分为无机材料和有机材料。不论何种材料.其性质.如熔点、硬度和导电性等主要取决于内部微观结构.即取决于内部质点的结合方式和结合力。有机材料靠较弱的分子结合力,所以熔点低、硬度小。金属材料靠金属键结合,它的结合力较分子键强,但较共价键和离子键弱,因此熔点和硬度仍不算高。
硬质合金采用金属将WC等硬质相联系起来.其性能介于金属和陶瓷之间。陶瓷材料主要是离子键和共价键结合,其结合力是比较强的正负离子间的静电引力或共用电子对,所以熔点高、硬度高、具有好的绝缘性、化学稳定性还有氧化性。这就是陶瓷材料能成为切削刀具的原因。
发展前景
虽然中国陶瓷刀具的研究水平不比国外差,但实际应用发展较慢。据有关资料报导,目前国内陶瓷刀具占总刀具使用量的比例不超过1%。氮化硅陶瓷刀具是近年来才在生产中推广使用的一种新型刀具。因此,不论在刀具的几何参数、切削用量以及使用技术方面,均缺乏成熟的经验。
中国陶瓷刀具在可转位刀具中比重很小,年产量不到硬质合金的0.1%。从切削性能上看,中国陶瓷刀具正向高硬度合金铸铁粗加工、断续切削方向发展。北京科技大学研制的ST新型复合陶瓷刀具能断续切削HRC63以上的高速钢滚刀。在刀具品种中除各种车刀外还正在开发铣刀和刨刀等。
特点
1、一般为HRA93-94.因此耐磨性好.可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HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁。因而可免除退火加工所消耗的电力;并因此也可提高工件的硬度,延长机器设备的使用寿命;
2、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;
3、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.所以在条件相同时.工件表而粗糙度比较低。
4、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;
5、耐高温.红硬性好.可在1200℃下连续切削.所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬质合金高很多。可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”,切削效率比传统刀具高3-10倍,达到节约工时、电力、机床数30-70%或更高的效果;
6、氮化硅陶瓷刀具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W、Co、Ta和Nb等重要的金属。