-新_型_陶_瓷_刀_具_及_其_涂_层_技_术

1、新 型 陶 瓷 刀 具 及 其 涂 层 技 术,（材料物理 基维静 041191006） 2007.3,生活中的一些陶瓷刀具制品,高纯超细氧化锆粉,新型陶瓷刀具已在冶金、机械、轴承、汽车、军事等许多行业得到广泛的应用。针对陶瓷刀具的种类、性能和应用进行了简要介绍并且介绍陶瓷刀具制造中涂层技术的重要地位及其应用和发展。,切削加工是工业生产中最基本、最普通和最重要的方法之一，它直接影响工业生产的效率、成本和能源消耗。刀具的性能是影响切削加工效率、精度、表面质量等的决定性因素之一。在现代化加工过程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技术；越来越多的超硬难加工材料被用于提高机器设备的使用寿命

2、和工作性能。传统的硬质合金刀具很难胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬度材料的加工，而陶瓷刀具由于具有很好的耐磨性、高硬度，适于加工高硬材料，且与金属亲和力小，切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度值小。它还可以进行高速切削，减少换刀次数和由于刀具磨损而引起的尺寸误差，大大提高生产率和产品质量 。并且陶瓷刀具的主要原料在自然界中含量丰富，因此新型陶瓷刀具的应用前景十分广阔。,一、几种陶瓷刀具的性能和特点二 、新型陶瓷刀具的应用及要求三 、刀具涂层材料及制备技术四、 结语,一、几种陶瓷刀具的性能和特点：（一）氮化硅基陶瓷刀具,优点: (1) 由于Si3N4陶瓷以共价键结合，晶粒是长柱状的，

3、因此有较高的硬度、强度和断裂韧性，同时它有较小的热膨胀系数(=310-6/)，所以有较好的抗机械冲击性和抗热冲击性。 (2) Si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。能加工出良好的表面质量，特别适合于车削易形成积屑瘤的工件材料，如铸造硅铝合金等。 缺点（不足）：Si3N4陶瓷的硬度并不是特别高(HRA92.5)，在加工硬度较高的工件时，如冷硬铸铁(HS65-80)、高铬铸铁(HS80-90)等，陶瓷刀具的耐用度是较低的。,复合Si3N4陶瓷刀具,在单一Si3N4陶瓷刀具的基础上加人TiCN、TiCN+TiN作为硬质弥散相，以提高刀具材料的硬度，同时

4、保留较高的强度和断裂韧性。与单s3N4陶瓷刀具相比，复合氮化硅陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力和耐磨性都有了很大提高，且易于制造和烧结。是今后陶瓷刀具的重点发展方向。,Sialon陶瓷刀具,赛隆刀具是一种单相陶瓷刀具，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，有很高的强度和韧性(抗弯强度可达1200MPa，硬度达1800HV)，Sialon陶瓷刀具具有良好的抗热冲击性能。与Si3N4陶瓷相比，Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能更高。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

5、于湿式切削Sialon陶瓷可成功地用于铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的加工，是高速加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料。不足之处：由于它和钢的化学亲和性大，Sialon陶瓷刀具不适合加工钢。,（二）金属陶瓷刀具 Ti(CN)基金属陶瓷刀具,金属陶瓷也叫硬质合金或烧结碳化物，它是陶瓷-金属复合材料以TiC为主要成分的合金。其硬度与耐热性接近陶瓷而抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高，其中金属碳化物是硬质相，一般占80%以上；其余为铁、钴、镍等金属相。作为粘结剂。 优点：金属陶瓷硬度高，金属陶瓷的导热性、耐热性、抗粘结性和化学稳定性比高速钢好得多，因此。在刀具材料中获得了广泛应用。 缺点（不足）：强度低，韧

6、性低，因此不宜在有强烈冲击和振动的情况下使用。,图1 Si3N4 加入量对TiCN金属陶瓷材料的力学性能的影响。,金属陶瓷的发展方向,（1）超细晶粒化 （2）进行表面涂层 （3）涂层纳米改性,（三）氧化铝及氧化铝复合陶瓷,Al2O3具有高硬度、高耐磨性，被用于复合陶瓷刀具的原料。 氧化铝陶瓷:采用纯Al2O3陶瓷及以Al2O3为主且添加少量其它元素的陶瓷材料，如MgO、Ni0、Si0：、Ti0 和Cr20。等。添加物有利于增加A1203抗弯强度，但高温性能有所降低，因此还是以纯氧化铝陶瓷材料为佳。A1203陶瓷的室温硬度与高温硬度都高于硬质合金材料。 氧化铝一金属系陶瓷:为提高Al2O3陶瓷刀

7、具的韧性，材料中引人10以下的cr、co、Mo、w、Ti、Fe等金属元素，由此形成氧化铝金属陶瓷，使材料密度、抗弯强度及硬度均有提高。 另外，氧化铝和氮化物、碳化物的复合陶瓷业得到了开发和应用。,图2几种刀具材料切削冷硬铸铁时耐用度的比较,二、 新型陶瓷刀具的应用及要求,长期以来，应用切削液一直是提高刀具寿命和加工质量的重要工艺因素，但也导致了生态环境的恶化，而且也增加了制造成本。因此，未来切削加工的发展方向是尽量少用切削液。近年来，特别是工业发达国家，非常重视干式切削，为了贯彻环保政第，更是大力研究、开发和实施这种新型加工方法。 虽然干式切削具有低污染、低成本的优点，但是矛盾总是存在的。由于

8、没有切削液的作用，使得加工过程中的冷却、润滑和排屑成为较大的问题。刀具与切屑间摩擦力增大，致使切削力增大、切削温度增高、生产效率降低、表面品质变差、刀具磨损严重、刀具寿命变短。因而，对所使用的刀具、机床和工艺都提出了相应的新技术要求。,综合看来，切削刀具必须满足下面的条件：,1、良好的耐热性和耐磨性；2、切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小； 3、刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热； 4、刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。,三 、刀具涂层材料及制备技术,刀具涂层可起到明显作用：,1、在刀具与被切削材料之间形成隔离层； 2、通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低热冲击； 3、减少摩擦力及摩擦热。刀具

9、通过涂层处理，可实现固体润滑，减少摩擦和粘结，使刀具吸收热量减少，可承受较高切削温度。,纳米复合膜可作为涂层材料，它是由两种不同材料组成，这两种材料可以是纳米晶和纳米晶，也可以是纳米晶和非晶态，每种材料的粒子尺寸在310nm。研究表明，制备纳米复合膜关键在于快速形成晶核的同时保证晶粒尺寸的低速增长。,涂层与基体的结合强度、涂层及界面组织结构、择优取向、各单层厚度和总厚度等是决定涂层刀具性能的重要因素。目前CVD（化学气相沉积法）和PVD（物理气相沉积法）是普遍使用的涂层制备方法。,（1） CVD技术实现了TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2和 2()3等单层及多元多层复合涂层的沉积。涂

10、层与基体结合强度较高，薄膜厚度可达79微米。不足之处在于：1、处理温度过高，刀具材料抗弯强度下降；2、涂层内部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹；3、CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染。 因此自20世纪90年代中期以来，高温CVD技术的发展和应用受到一定的制约。MTCVD（中温化学气相沉积）新技术的出现使CVD技术发生了革命性变革。采用MTCVD技术获得的致密纤维状结晶形态的涂层结构具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性。MTCVD涂层刀片适于在高速、高温、大负荷和干式切削条件下使用，其寿命可比普通涂层刀片约提高一倍。另外，采用CVD技术还可实现aA1，03涂层，这是PVD技术目前难

11、以实现的，因此在干式切削加工中，这种涂层技术仍占有极为重要地位。,（2）由于PVD技术的工艺处理温度可控制在500 以下，因此可作为最终处理工艺被广泛应用于高速钢类刀具的涂层。大幅度地提高了高速钢刀具的切削性能，得到了迅速推广。 同时，与CVD工艺相比，由于PVD工艺处理温度低，在600度以下时对刀具材料的抗弯强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。,四、 结语 新型陶瓷刀具的出现，是人类首次通过运用陶瓷材料改革机械切削加工的一场技术革命的成果。相信在将来的研发中它们的优越性能能过越来越多地被人们发现和利用，而不足之处也应随着研究的深入和技术的进步得到弥补。,参考文献：1黄云战 新