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陶瓷材料在切削加工領域的蓬勃發展

近年來中國的切削加工行業蓬勃發展,已超過德國和美國成為世界上最大的切削刀具消費國,傳統的刀具材料因其局限性已無法勝任現代科技發展所需要的各種高強、高硬及高速工程材料的切削加工,陶瓷刀具則以其優異的耐熱性、耐磨性和化學穩定性,在高速切削領域和切削難加工材料方面顯示了傳統刀具無法比擬的優勢。

陶瓷材料具有很高的硬度、耐磨性和紅硬性,與鋼的親和力小,化學穩定性好,當切削溫度高于800℃時,傳統刀具刀刃的強度和硬度大幅下降,磨損加劇。陶瓷材料1200℃仍能正常切削,因此在高速高溫干切削上占有很大優勢,廣泛應用于高錳鋼、高鉻、鎳、鉬合金鋼、冷硬鑄鐵、各類淬硬鋼(HRC50以上)、各類鑄鐵等,并已在汽車齒輪、飛輪、軸、軸承等、軋輥、模具、缸套等零部件加工中廣泛使用,解決了各行各業中高硬度難加工材料的切削加工,提高工作效率。

陶瓷材料在切削加工領域的蓬勃發展

圖1 陶瓷刀具via網絡

1.陶瓷刀具的優勢

陶瓷材料在機械加工中的優越性有:可加工傳統刀具難以加工或根本不能加工的高硬材料;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沖擊力很大的加工;刀具耐用度比傳統刀具高幾倍甚至幾十倍,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;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。

2.陶瓷刀具的發展歷程

早在20世紀30年代,工業強國德國和英國就著手研究陶瓷刀具,用以取代碳素工具鋼,但由于脆性較大,應用受到限制。近幾十年通過復合及增韌手段,使其性能滿足使用要求,陶瓷刀具才被人們廣泛使用。

表1 陶瓷刀具成分的發展

陶瓷材料在切削加工領域的蓬勃發展

硬度高的材料韌性往往低,因此高強度、高韌性的陶瓷材料成為了陶瓷刀具的研發熱點。超細晶材料具有雙高特征,因而超細晶、納米復合、納米改性陶瓷是未來陶瓷刀具的發展方向。通過材料組分設計、制備工藝的研究,可以在保持高硬度、高耐磨性和紅硬性的同時,提高陶瓷材料的韌性、抗彎強度和抗沖擊性。新型刀具的出現,有力促進了機床及高速切削技術的發展,它又反過來推動新型刀具材料的使用。

陶瓷材料在切削加工領域的蓬勃發展

3.國內外陶瓷刀具技術發展水平

上世紀 90 年代,國外就有陶瓷專利出現,并開始有陶瓷刀具產品。隨著材料科學與制造技術的進步,通過添加助燒劑、采用熱壓燒結或熱等靜壓等燒結方式、添加晶須或其他增韌方式,使陶瓷刀具斷裂韌性、抗彎強度大幅提升。氮化硅陶瓷和sialon陶瓷的出現豐富了陶瓷刀具種類,極大地擴大了陶瓷刀具的應用領域。

國外切削刀具的知名廠家都有自己的陶瓷牌號,如美國Kennametal、瑞典Sandvik、日本Kyocera等。日本陶瓷刀片在產品種類、產量及質量上均具國際先進水平,日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%~10%。美國在氧化物、碳化物、氮化物陶瓷刀具研制開發與應用方面一直占世界領先地位。

中國陶瓷刀具開發應用也取得許多重大成果。多年來中國材料研究工作者,在先進結構陶瓷方面做了大量工作,在基礎理論研究、應用研究以及新材料、新產品開發等多方面都取得顯著的成果。開發出耐磨耐腐蝕零部件用陶瓷、陶瓷熱交換器、電光源透明陶瓷、陶瓷切削刀具、蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷、多孔陶瓷等多種陶瓷產品。在陶瓷刀具方面,不少單位都開展了新型陶瓷刀具的研究,取得顯著的效果。中國科學院院士、北京科技大學葛昌純教授認為,第三次工具革命即將興起,而在此次革命中,陶瓷材料的應用和開發將是重點。在先進陶瓷研究中,葛院士提出復合氮化物作為氮化硅的新型燒結助劑,提高了材料的高溫性能,并以此研制成功高性能的陶瓷刀具。

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