陶瓷材料具有很高的硬度、耐磨性和红硬性,与钢的亲和力小,化学稳定性好,当切削温度高于800℃时,传统刀具刀刃的强度和硬度大幅下降,磨损加剧。陶瓷材料1200℃仍能正常切削,因此在高速高温干切削上占有很大优势,广泛应用于高锰钢、高铬、镍、钼合金钢、冷硬铸铁、各类淬硬钢(HRC50以上)、各类铸铁等,并已在汽车齿轮、飞轮、轴、轴承等、轧辊、模具、缸套等零部件加工中广泛使用,解决了各行各业中高硬度难加工材料的切削加工,提高工作效率。
1.陶瓷刀具的优势
陶瓷材料在机械加工中的优越性有:可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料;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;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;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。
2.陶瓷刀具的发展历程
早在20世纪30年代,工业强国德国和英国就着手研究陶瓷刀具,用以取代碳素工具钢,但由于脆性较大,应用受到限制。近几十年通过复合及增韧手段,使其性能满足使用要求,陶瓷刀具才被人们广泛使用。
表1 陶瓷刀具成分的发展
上世纪 90 年代,国外就有陶瓷专利出现,并开始有陶瓷刀具产品。随着材料科学与制造技术的进步,通过添加助烧剂、采用热压烧结或热等静压等烧结方式、添加晶须或其他增韧方式,使陶瓷刀具断裂韧性、抗弯强度大幅提升。氮化硅陶瓷和sialon陶瓷的出现丰富了陶瓷刀具种类,极大地扩大了陶瓷刀具的应用领域。
国外切削刀具的知名厂家都有自己的陶瓷牌号,如美国Kennametal、瑞典Sandvik、日本Kyocera等。日本陶瓷刀片在产品种类、产量及质量上均具国际先进水平,日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%~10%。美国在氧化物、碳化物、氮化物陶瓷刀具研制开发与应用方面一直占世界领先地位。
中国陶瓷刀具开发应用也取得许多重大成果。多年来中国材料研究工作者,在先进结构陶瓷方面做了大量工作,在基础理论研究、应用研究以及新材料、新产品开发等多方面都取得显著的成果。开发出耐磨耐腐蚀零部件用陶瓷、陶瓷热交换器、电光源透明陶瓷、陶瓷切削刀具、蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、多孔陶瓷等多种陶瓷产品。在陶瓷刀具方面,不少单位都开展了新型陶瓷刀具的研究,取得显著的效果。中国科学院院士、北京科技大学葛昌纯教授认为,第三次工具革命即将兴起,而在此次革命中,陶瓷材料的应用和开发将是重点。在先进陶瓷研究中,葛院士提出复合氮化物作为氮化硅的新型烧结助剂,提高了材料的高温性能,并以此研制成功高性能的陶瓷刀具。