氮化矽陶瓷刀具

氮化矽陶瓷刀具(Si3N4)隨著新技術革命的發展.要求不斷提高切削加工生產率和降低生產成本.特別是數控工具機的發展.要求開發比硬質合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。

基本信息

氮化矽陶瓷刀具(Si3N4)

前言

隨著新技術革命的發展.要求不斷提高切削加工生產率和降低生產成本.特別是數控工具機的發展.要求開發比硬質合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。日前各種高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨和耐高溫的難以切削的新材料日益增多。據文獻估計.這類材料己占國際上加工總數的50%以上.硬質合金刀具對其中不少新材料的加工難以勝任。另一方面.現在國際上硬質合金產量己達20 000一 25 000 t.每年消耗大量的金屬.如W ,Co ,Ta和Nb等。這些金屬的礦產資源正日益減少.價格上漲.按日前消耗速度.用不了幾十年.有些資源將耗盡。陶瓷刀具就是在這樣的背景下發展起來的。

發展歷史

早在1912-1913年.英國和德國己出現了氧化鋁陶瓷刀具.但其在生產上的套用則始於1950年。由於其強度、韌度低.較長時期內僅限於做連續切削精加工用.且切削速度和進給量都較低。直到1968年才出現第2代陶瓷刀具-複合氧化鋁刀具.在強度和韌度上較之氧化鋁刀具有了明顯提高.可以在較高的速度和較大的進給量下切削各種工件.得到了較廣泛的套用。

20世紀70年代末80年代初國際出現了第3代陶瓷刀具-氮化矽陶瓷刀具。這類陶瓷刀具有比複合氧化鋁刀具更高的韌性、抗衝擊性、高溫強度和抗熱震性。陶瓷刀片在各工業已開發國家的產量增長很快。

我國自20世紀60年代中開始批量生產複合氧化鋁刀片.目前年生產量為14-15萬片。氧化矽陶瓷刀片雖自20世紀70年代中就開始研究.由於性能欠佳.不能滿足需求。近幾年來.隨著對高溫結構陶瓷領域研究的不斷深入.使氮化矽陶瓷的性能有了很大提高.從而使氮化矽陶瓷刀具在我國迅速發展起來。

刀具的優點

1、硬度高，一般為HRA93-94.因此耐磨性好.可加工傳統刀具難以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度達HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵。因而可免除退火加工所消耗的電力；並因此也可提高工件的硬度，加長機器設備的使用壽命；

2、不僅能對高硬度材料進行粗、精加工，也可進行銑削、刨削、斷續切削和毛坯拔荒粗車等衝擊力很大的加工；

3、陶瓷刀片切削時與金屬摩擦力小.切削不易粘接在刀片上.不易產生積屑瘤.加上可以進行高速切削.所以在條件相同時.工件表而粗糙度比較低。

4、刀具耐用度比傳統刀具高几倍甚至幾十倍，減少了加工中的換刀次數，保證被加工工件的小錐度和高精度；

5、耐高溫.紅硬性好.可在1 200℃下連續切削.所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬質合金高很多。可進行高速切削或實現“以車、銑代磨”，切削效率比傳統刀具高3-10倍，達到節約工時、電力、工具機數30-70%或更高的效果；

6、氮化矽陶瓷刀具主要原料是自然界很豐富的氮和矽.用它代替硬質合金.可節約大量W ,Co ,Ta和Nb等重要的金屬。

優異性能

傳統的陶瓷材料一般取自自然界.如景德鎮的土.經過混料、成形和焙燒等工序製成各種日用品。而現代高技術陶瓷.也稱特種陶瓷.它的材料是人工合成的.如氮化矽粉.純度高。利用現代粉末冶金工藝製造.製成的產品具有硬度高和耐高溫等性能。

材料可分為金屬材料和非金屬材料.非金屬材料又分為無機材料和有機材料。不論何種材料.其性質.如熔點、硬度和導電性等主要取決於內部微觀結構.即取決於內部質點的結合方式和結合力。有機材料靠較弱的分子結合力.所以熔點低、硬度小。金屬材料靠金屬鍵結合.它的結合力較分子鍵強.但較共價鍵和離子鍵弱.因此熔點和硬度仍不算高。硬質合金採用金屬將WC等硬質相聯繫起來.其性能介於金屬和陶瓷之間。陶瓷材料主要是離子鍵和共價鍵結合.其結合力是比較強的正負離子間的靜電引力或共用電子對.所以熔點高、硬度高、具有好的絕緣性、化學穩定性和抗氧化性。這就是陶瓷材料能成為切削刀具的原因。

合理使用

陶瓷刀具雖然有很多優點.但性能脆。近年來.人們從陶瓷刀具的製造、使用和刃磨等方而採取了許多措施.使其脆性得到抑制.從而使陶瓷刀具進入了實用階段。

(1)在原料上儘可能使用超細粉.在生產工藝上採取各種措施抑制晶粒長大.從而得到儘可能高的強度和韌性。

(2)刀片形狀儘量簡單如不開斷屑槽.這樣有利於生產使用和提高刀具壽命。降低刀片表而粗糙度可抑制微裂紋生長。採用負倒棱可增大刀刃強度。選擇刀具角度可參考表1。

(3)在使用上對不同材料的工件.合理地使用不同的切削參數.可提高刀具的耐用度。選擇切削用量見表2

(4)選擇轉數高、功率大、工件-工具機-刀具系統剛性好的工具機進行加工.以減小振動.採用高速切削充分發揮陶瓷刀具的性能。

實際套用

雖然我國陶瓷刀具的研究水平不比國外差，但實際套用發展較慢。據有關資料報導，目前國內陶瓷刀具占總刀具使用量的比例不超過1%。氮化矽陶瓷刀具是近年來才在生產中推廣使用的一種新型刀具。因此，不論在刀具的幾何參數、切削用量以及使用技術方面，均缺乏成熟的經驗。陶瓷刀具的實際套用是一項需要綜合各方面技術的系統工程，決不是只要買了陶瓷刀具換上就可以解決問題。加之陶瓷刀具本身所具有的物化特性、加工時的切削性能與普通刀具有著相當大的差別，因此在套用時，必須考慮以下幾個方面的問題。

3.1 對工具機的要求陶瓷刀具材料對衝擊和振動載荷比較敏感，這是陶瓷刀具材料在耐衝擊和抗振性方面的最大弱點。工具機—工件—刀具工藝系統剛性弱是促使陶瓷刀具壽命降低或崩刃的主要原因。其中除工件和刀具本身的剛性因素外，工具機剛性愈小，則振動愈大，而刀具壽命也就愈低。需要特別指出，在分析工具機剛性時，一定要綜合考慮工具機—工件—刀具工藝系統的剛性，而不是孤立地考慮工具機的剛性，必須同時考慮工件、夾具、頂尖及刀具的剛性等。任何環節的剛性不足都將大幅度地降低陶瓷刀具的切削性能和效率。實踐證明，適於陶瓷刀具加工的工具機必須具有良好的剛性、足夠的功率和高的轉數。分析國內目前工具機情況可以看出，中型工具機在精、半精加工時這三方面都基本滿足要求。對淬硬鋼或硬鎳鑄鐵等難加工材料的加工，由於其選用的切削速度較低，即使採用陶瓷刀具來加工，其功率也是足夠的，而在普通鋼材或鑄鐵粗加工時往往這三方面都不容易滿足。重型工具機的剛性好，有足夠的轉速及功率，只要使用得當，在重型工件的加工中，採用陶瓷刀具的成功率往往較高。

3.2 對被加工零件的要求

（1）雖然陶瓷刀具對大多數鑄、鍛件不退火就能進行毛坯扒荒加工，但硬鑄件毛坯上的嚴重夾砂和砂眼將會引起許多不必要的打刀，增加了陶瓷刀具的消耗。如果能在切削加工前對毛坯進行適當處理，如切削前先用手砂輪對缺陷部分進行清理、修正，就會得到比較好的加工效果。

（2）高速轉動的高硬毛坯的任何一點毛邊都有可能打壞陶瓷刀具，而從已車圓了的毛坯開始切削，卻可以長期穩定地切削。因此對於那些硬度高而形狀不規則的毛胚，應注意必須先倒角後再用陶瓷刀具切削。毛坯切入處的倒角，可避免陶瓷刀具剛接觸工件時承受過大的衝擊載荷。毛坯切出處的倒角，主要是為避免陶瓷刀具切離零件時被留下的一圈料邊打壞。

（3）工具機與被加工零件的情況要匹配，避免“小馬拉大車”等現象。

3.3 氮化矽陶瓷刀具合理幾何參數的選擇雖然氮化矽陶瓷刀具是一種切削性能優良的刀具，但是如果不能在使用中合理地選擇其幾何參數，仍然不能很好地發揮其作用。所謂刀具的合理幾何參數，是指能保證粗加工或半精加工刀具有較高的生產率和刀具壽命，精加工刀具能保證加工出符合預定尺寸精度和表面質量的工件，同時也具有較高的刀具壽命相應的刀具幾何參數。 在選擇陶瓷刀具的合理幾何參數時，除要考慮刀具的一般規律外，同時也必須考慮某些屬於陶瓷刀具所特有的規律。氮化矽陶瓷刀具是一種硬而脆的刀具，如何保證其使用的穩定可、不發生崩刃仍然是選擇氮化矽陶瓷刀具合理幾何參數的主要依據；氮化矽陶瓷刀具的結構主要是機夾可轉位刀具，所以必須結合其結構特點來考慮選擇合理幾何參數。

3.4 合理選擇切削用量合理選擇切削用量，是充分發揮陶瓷刀具切削性能的基本問題之一。切削用量直接影響加工生產率、加工成本、加工質量和刀具壽命。因為陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐熱性高等優點以及脆性較大、強度較低等缺點，所以必須充分考慮這些特點來選擇合適的切削用量，以達到提高生產率、保證加工質量的目的。

（1）切削深度ap的選擇用陶瓷刀具加工時，為了縮短加工時間，應儘可能選擇較大的切削深度，以便在一次走刀後切去大部分餘量。由於切削深度受工具機功率和工藝系統剛性的限制，一般粗加工鋼和鑄鐵時，允許的最大切削深度為2～6mm，通常取ap>1.5mm；精加工時取ap<0.5mm；加工淬硬鋼時，一般都是半精加工或精加工，餘量和切削深度較小。當工藝系統剛性比較差時，應選取較小的切削深度，否則容易引起振動，使刀片破損。

（2）進給量f的選擇合理選擇進給量是成功套用陶瓷刀具的關鍵。進給量主要受陶瓷刀片強度及工藝系統剛性的影響，精加工時還要受被加工表面粗糙度的影響。? 因為陶瓷刀片的強度比硬質合金刀片低，所以進給量也應低些。一般可預選得小一些，通過實踐逐步增加。精車普通鋼和鑄鐵，進給量f選取為0.10～0.75mm/r；精加工選取f=0.05～0.25mm/r，端銑時可選取每齒進給量af=0.1～0.3mm/z。加工淬硬鋼時根據硬度不同而選取不同的進給量，一般車削選取f=0.1～0.3mm/r；端銑選取每齒進給量af=0.05～0.15mm/z。進給量對刀具破損的影響比切削速度大，選取較小的進給量，有利於防止或減少刀具的破損，因此，對於陶瓷刀具應選用較小的進給量和儘可能高的切削速度。

（3）切削速度v的選擇氮化矽陶瓷刀具適於高速切削。對一定的工件材料，切削速度主要受工具機功率限制。結合已選定的切削深度ap和進給量f，如因工具機功率不足，而使切削速度選得過低，則不僅不利於發揮陶瓷刀具的優越性，而且容易發生崩刃。應當適應減少進給量，甚至是切削深度，以便提高切削速度。目前陶瓷刀具的切削速度，雖然有的國家最高到1500r/min，但加工普通鋼和鑄鐵，大多數仍然採用v=200～600m/min；加工硬度<65HRC的鋼材時v=60～200/min；銑削一般鋼和鑄鐵時v=200～500m/min；銑削耐熱合金v=100～250m/min。切削速度對切削屑形狀影響很大，特別在v=350～1500m/min範圍內，往往可以獲得良好的切削形狀，如在高速車削淬硬鋼時，可能形成酥化的易於碎斷的假帶狀切屑，而使切屑易於清理。用陶瓷刀具作低速切削時，不但與硬質合金刀具的切削性能相近，而且容易引起工藝系統的振動，使刀具發生崩刃。例如：在v<50m/min時車削抗拉強度為800～850MPa的鋼材，陶瓷刀具很容易發生崩刃，甚至無法切削。在一定速度範圍內高速切削時，切削溫度的升高能改變工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韌性，從而減少其破損，所以一般陶瓷刀具均採用乾切削。而用陶瓷刀具斷續切削時，如果切削速度提高太多，溫差很大，產生的熱應力會導致刀具破損。 使用複合氮化矽陶瓷刀具，可以解決難加工材料的切削加工問題，改變傳統的機械加工工藝，提高加工效率，節約工時及電力，同時可節約大量的生產硬質合金刀具所需要的貴重金屬W、Co及Ti等，因此推廣和套用新型陶瓷刀具具有廣闊的發展前景.

陶瓷刀具

發展前景

我國陶瓷刀具在可轉位刀具中比重很小.年產量不到硬質合金的0. 1%。從切削性能上看.我國陶瓷刀具正向高硬度合金鑄鐵粗加工、斷續切削方向發展。北京科技大學研製的ST新型複合陶瓷刀具能斷續切削HRC63以上的高速鋼滾刀。在刀具品種中除各種車刀外還正在開發銑刀和刨刀等。