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。
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
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。