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氧化铝陶瓷刀具的发展及应用简述

平安
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楼主 发表于:2019-07-22 11:49:17
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陶瓷刀具的品种和牌号有很多,按其主要成分大致分为氧化铝基和氮化硅基两大类。大约在1911年~1913年,德国和英国最早采用Al2O3基陶瓷作为切削刀具,几经改进和提高,现已开发出多种性能优良的Al2O3基陶瓷刀具。目前世界上生产的陶瓷刀具大多属于氧化铝基陶瓷刀具。

Al2O3陶瓷以其高强度、高硬度、高耐磨、抗氧化及抗热震等优异性能,在机械、电子、化工等领域得到广泛应用。纯Al2O3陶瓷的高温性能好,但韧性不足,抗冲击能力差,切削时易发生轻微崩刃,通过在Al2O3基体中添加增韧材料,可明显改善这一现象。

氧化铝陶瓷刀具的发展概览

(1)纯Al2O3陶瓷刀具

这是第一代陶瓷刀具,材料中的Al2O3的含量占99%以上,通过添加微量助烧剂(如MgO、NiO、Cr2O3、TiO2等),经压烧结而成。纯Al2O3陶瓷抗弯强度较低,抗冲击能力差,切削刃容易微崩,但高温性能很好,适用于小进给量半精加工铸铁和钢材。由于其抗弯强度低,目前使用已较少。

(2)Al2O3-碳化物陶瓷刀具

在Al2O3中添加一定的碳化物可以提高陶瓷的强度和抗冲击性;其中以添加TiC的Al2O3陶瓷应用最多,其添加TiC的比例为30%-60%(有的为5%-10%),通过热压烧结而成。适于高速粗、精加工耐磨铸铁、淬硬钢及高强度钢等难加工材料。与纯Al2O3陶瓷相比,Al2O3-TiC陶瓷的抗弯强度无论在常温还是高温下,都高于纯Al2O3陶瓷。

(3)Al2O3-碳化物-金属陶瓷刀具

这类陶瓷是在Al2O3中除添加碳化物外,还添加少量粘结金属(Ni、Mo、Co、W等),热压烧结而成(亦称金属陶瓷)。由于加了金属,提高了Al2O3与碳化物的连结强度,改善了使用性能,适于加工淬火钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、镍基和钴基合金以及非金属材料。

(4)添加氮化物的Al2O3陶瓷刀具

在Al2O3中添加氮化物的Al2O3-氮化物组合陶瓷刀具,具有较好的抗热震性,其基本性能和加工范围与Al2O3-碳化物-金属陶瓷刀具相当,更适于间断切削,但其抗弯强度和硬度比Al2O3-TiC-金属陶瓷刀具低,有待进一步研究改善。

(5)添加硼化物的Al2O3陶瓷刀具

在Al2O3中添加TiB2作为粘结剂制成的陶瓷刀具,由于其组织成分为细晶粒的Al2O3及连续的TiB2粘结相,保持了硼化物的“三维连续性”,因此具有极好的耐冲击性和耐磨性。

(6)增韧的Al2O3陶瓷刀具

增韧的Al2O3陶瓷是指在Al2O3基体中添加增韧或增强材料。目前常用的增韧方法主要有:ZrO2相变增韧、晶须增韧及第二相颗粒弥散增韧等。ZrO2相变时会伴随体积变化,通过相变增韧机制提高陶瓷材料的强度和韧性,是一种有效的强韧化方法。晶须增韧是利用晶须的加强棒作用,常用的晶须有TiC晶须和Si3N4晶须。第二相颗粒弥散增韧是利用弥散第二相颗粒来阻碍位错的滑移和攀移,阻止裂纹扩展,达到增韧目的。

(7)石墨烯增韧氧化铝基陶瓷刀具

有研究者认为以上各种材料的增韧补强的幅度有限,需要考虑新的途径和方法。在表1中列出了国内外典型的氧化铝基陶瓷刀具材料的成分及性能。从中可以看出,尽管添加了不同的增韧颗粒,但材料的断裂韧性仍然较低,亟待提高,抗弯强度也远小于硬质合金刀具材料(2000-3500MPa)。



表1典型的氧化铝基陶瓷刀具及其性能
来源:李作丽.《石墨烯强韧化氧化铝基陶瓷刀具研制与切削性能研究》

相对于传统的强韧化相(微米级颗粒、晶须)和其它新型强韧化相(纳米颗粒、碳纳米管),石墨烯具有单原子层二维结构、很高的结构稳定性、超大的比表面积以及极高的力学、热学性能,将其加入到陶瓷刀具材料中,可引入裂纹分叉、裂纹偏转、石墨烯拔出、桥接等多种机制,有利于陶瓷刀具材料的增强补韧。



来源:网络

由于石墨烯拥有超大的比表面积,较少的添加量即可获得很好的强韧化效果。近年来,由于制备方法及工艺的革新,石墨烯能够较大批量生产,使得生产成本降低,有利于石墨烯的工程化应用,从而为石墨烯强韧化陶瓷刀具材料的开发提供了便利。

氧化铝陶瓷刀具的应用范围

Al2O3陶瓷刀具主要用于加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等)和种种钢料(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬硬钢等);也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。


来源:网络

由于铝元素的化学亲合作用,Al2O3陶瓷刀具不适合加工铝合金和钛合金。Al2O3陶瓷制造的滚刀、铰刀、成形车刀等刀具,不仅可用于普通车床加工,而且由于其稳定可靠的切削性能,特别适用于数控机床、加工中心和自动线加工,尤其对高精度、高硬度及大型工件的切削具有良好效果。

参考资料:

吴利翔等.氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具的制备及其切削性能

周彬等.氧化铝陶瓷刀具的发展和应用

李作丽.石墨烯强韧化氧化铝基陶瓷刀具研制与切削性能研究


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