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氮化硅陶瓷刀具(Si3N4)
一、前言
随着新技术革命的发展.要求不断提高切削加工生产率和降低生产成本.特别是数控机床的发展.要求开发比硬质合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。日前各 种高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨和耐高温的难以切削的新材料日益增多。据文献估计.这类材料己占国际上加工总数的50%以上.硬质合金刀具对其中不少新材 料的加工难以胜任。另一方面.现在国际上硬质合金产量己达20 000一 25 000 t.每年消耗大量的金属.如W ,Co ,Ta和Nb等。这些金属的矿产资源正日益减少.价格上涨.按日前消耗速度.用不了几十年.有些资源将耗尽。陶瓷刀具就是在这样的背景下发展起来的。
二、氮化硅陶瓷刀具的发展历史
早在1912-1913年.英国和德国己出现了氧化铝陶瓷刀具.但其在生产上的应用则始于 1950年。由于其强度、韧度低.较长时期内仅限于做连续切削精加工用.且切削速度和进给量都较低。直到1968年才出现第2代陶瓷刀具-复合氧化铝刀 具.在强度和韧度上较之氧化铝刀具有了明显提高.可以在较高的速度和较大的进给量下切削各种工件.得到了较广泛的应用。
20世纪70年代末80年代初国际出现了第3代陶瓷刀具-氮化硅陶瓷刀具。这类陶瓷刀具有比复合氧化铝刀具更高的韧性、抗冲击性、高温强度和抗热震性。陶瓷刀片在各工业发达国家的产量增长很快。
我国自20世纪60年代中开始批量生产复合氧化铝刀片.目前年生产量为14-15万片。氧化硅陶瓷刀片虽自20世纪70年代中就开始研究.由于性能欠 佳.不能满足需求。近几年来.随着对高温结构陶瓷领域研究的不断深入.使氮化硅陶瓷的性能有了很大提高.从而使氮化硅陶瓷刀具在我国迅速发展起来。
三、氮化硅陶瓷刀具的优点
1、 硬度高，一般为HRA93-94.因此耐磨性好.可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁。因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，处长机器设备的使用寿命；
2、 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；
3 陶瓷刀片切削时与金属摩擦力小.切削不易粘接在刀片上.不易产生积屑瘤.加上可以进行高速切削.所以在条件相同时.工件表而粗糙度比较低。
4、 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；
5、 耐高温.红硬性好.可在1 200℃下连续切削.所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬质合金高很多。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，达到节约工时、电力、机床数30-70%或更高的效果；
6、氮化硅陶瓷刀具主要原料是自然界很丰富的氮和硅.用它代替硬质合金.可节约大量W ,Co ,Ta和Nb等重要的金属。
四、陶瓷材料具有更优异的性能
传统的陶瓷材料一般取自自然界.如景德镇的土.经过混料、成形和焙烧等工序制成各种日用品。而现代高技术陶瓷.也称特种陶瓷.它的材料是人工合成的.如氮化硅粉.纯度高。利用现代粉末冶金工艺制造.制成的产品具有硬度高和耐高温等性能。
材料可分为金属材料和非金属材料.非金属材料又分为无机材料和有机材料。不论何种材料.其性质.如熔点、硬度和导电性等主要取决于内部微观结构.即取决 于内部质点的结合方式和结合力。有机材料靠较弱的分子结合力.所以熔点低、硬度小。金属材料靠金属键结合.它的结合力较分子键强.但较共价键和离子键弱. 因此熔点和硬度仍不算高。硬质合金采用金属将WC等硬质相联系起来.其性能介于金属和陶瓷之间。陶瓷材料主要是离子键和共价键结合.其结合力是比较强的正 负离子间的静电引力或共用电子对.所以熔点高、硬度高、具有好的绝缘性、化学稳定性和抗氧化性。这就是陶瓷材料能成为切削刀具的原因。
五、陶瓷刀具的合理使用
陶瓷刀具虽然有很多优点.但性能脆。近年来.人们从陶瓷刀具的制造、使用和刃磨等方而采取了许多措施.使其脆性得到抑制.从而使陶瓷刀具进入了实用阶段。
(1)在原料上尽可能使用超细粉.在生产工艺上采取各种措施抑制晶粒长大.从而得到尽可能高的强度和韧性。
(2)刀片形状尽量简单如不开断屑槽.这样有利于生产使用和提高刀具寿命。降低刀片表而粗糙度可抑制微裂纹生长。采用负倒棱可增大刀刃强度。选择刀具角度可参考表1。
(3)在使用上对不同材料的工件.合理地使用不同的切削参数.可提高刀具的耐用度。选择切削用量见表2
(4)选择转数高、功率大、工件-机床-刀具系统刚性好的机床进行加工.以减小振动.采用高速切削充分发挥陶瓷刀具的性能。
六．氮化硅陶瓷刀具的实际应用
虽然我国陶瓷刀具的研究水平不比国外差，但实际应用发展较慢。据有关资料报导，目前国内陶瓷刀具占总刀具使用量的比例不超过1%。氮化硅陶瓷刀具是近年 来才在生产中推广使用的一种新型刀具。因此，不论在刀具的几何参数、切削用量以及使用技术方面，均缺乏成熟的经验。陶瓷刀具的实际应用是一项需要综合各方 面技术的系统工程，决不是只要买了陶瓷刀具换上就可以解决问题。加之陶瓷刀具本身所具有的物化特性、加工时的切削性能与普通刀具有着相当大的差别，因此在 应用时，必须考虑以下几个方面的问题。
3.1 对机床的要求 陶瓷刀具材料对冲击和振动载荷比较敏感，这是陶瓷刀具材料在耐冲击和抗振性方面的最大弱点。机床—工件—刀具工艺系统刚性弱是促使陶瓷刀具寿命降低或崩刃 的主要原因。其中除工件和刀具本身的刚性因素外，机床刚性愈小，则振动愈大，而刀具寿命也就愈低。需要特别指出，在分析机床刚性时，一定要综合考虑机床— 工件—刀具工艺系统的刚性，而不是孤立地考虑机床的刚性，必须同时考虑工件、夹具、顶尖及刀具的刚性等。任何环节的刚性不足都将大幅度地降低陶瓷刀具的切 削性能和效率。实践证明，适于陶瓷刀具加工的机床必须具有良好的刚性、足够的功率和高的转数。 分析国内目前机床情况可以看出，中型机床在精、半精加工时这三方面都基本满足要求。对淬硬钢或硬镍铸铁等难加工材料的加工，由于其选用的切削速度较低，即 使采用陶瓷刀具来加工，其功率也是足够的，而在普通钢材或铸铁粗加工时往往这三方面都不容易满足。重型机床的刚性好，有足够的转速及功率，只要使用得当， 在重型工件的加工中，采用陶瓷刀具的成功率往往较高。
3.2 对被加工零件的要求
（1）虽然陶瓷刀具对大多数铸、锻件不退火就能进行毛坯扒荒加工，但硬铸件毛坯上的严重夹砂和砂眼将会引起许多不必要的打刀，增加了陶瓷刀具的消耗。如果能在切削加工前对毛坯进行适当处理，如切削前先用手砂轮对缺陷部分进行清理、修正，就会得到比较好的加工效果。
（2）高速转动的高硬毛坯的任何一点毛边都有可能打坏陶瓷刀具，而从已车圆了的毛坯开始切削，却可以长期稳定地切削。因此对于那些硬度高而形状不规则的 毛胚，应注意必须先倒角后再用陶瓷刀具切削。毛坯切入处的倒角，可避免陶瓷刀具刚接触工件时承受过大的冲击载荷。毛坯切出处的倒角，主要是为避免陶瓷刀具 切离零件时被留下的一圈料边打坏。
（3）机床与被加工零件的情况要匹配，避免“小马拉大车”等现象。
3.3 氮化硅陶瓷刀具合理几何参数的选择 虽然氮化硅陶瓷刀具是一种切削性能优良的刀具，但是如果不能在使用中合理地选择其几何参数，仍然不能很好地发挥其作用。所谓刀具的合理几何参数，是指能保 证粗加工或半精加工刀具有较高的生产率和刀具寿命，精加工刀具能保证加工出符合预定尺寸精度和表面质量的工件，同时也具有较高的刀具寿命相应的刀具几何参 数。 在选择陶瓷刀具的合理几何参数时，除要考虑刀具的一般规律外，同时也必须考虑某些属于陶瓷刀具所特有的规律。氮化硅陶瓷刀具是一种硬而脆的刀具，如何保证 其使用的稳定可*、不发生崩刃仍然是选择氮化硅陶瓷刀具合理几何参数的主要依据；氮化硅陶瓷刀具的结构主要是机夹可转位刀具，所以必须结合其结构特点来考 虑选择合理几何参数。
3.4 合理选择切削用量 合理选择切削用量，是充分发挥陶瓷刀具切削性能的基本问题之一。切削用量直接影响加工生产率、加工成本、加工质量和刀具寿命。因为陶瓷刀具具有硬度高、耐 磨性好、耐热性高等优点以及脆性较大、强度较低等缺点，所以必须充分考虑这些特点来选择合适的切削用量，以达到提高生产率、保证加工质量的目的。
（1）切削深度ap的选择 用陶瓷刀具加工时，为了缩短加工时间，应尽可能选择较大的切削深度，以便在一次走刀后切去大部分余量。由于切削深度受机床功率和工艺系统刚性的限制，一般 粗加工钢和铸铁时，允许的最大切削深度为2～6mm，通常取ap>1.5mm；精加工时取ap<0.5mm；加工淬硬钢时，一般都是半精加工 或精加工，余量和切削深度较小。当工艺系统刚性比较差时，应选取较小的切削深度，否则容易引起振动，使刀片破损。
（2）进给量f的 选择 合理选择进给量是成功应用陶瓷刀具的关键。进给量主要受陶瓷刀片强度及工艺系统刚性的影响，精加工时还要受被加工表面粗糙度的影响。 因为陶瓷刀片的强度比硬质合金刀片低，所以进给量也应低些。一般可预选得小一些，通过实践逐步增加。精车普通钢和铸铁，进给量f选取为 0.10～0.75mm/r；精加工选取f=0.05～0.25mm/r，端铣时可选取每齿进给量af=0.1～0.3mm/z。加工淬硬钢时根据硬度不 同而选取不同的进给量，一般车削选取f=0.1～0.3mm/r；端铣选取每齿进给量af=0.05～0.15mm/z。进给量对刀具破损的影响比切削速 度大，选取较小的进给量，有利于防止或减少刀具的破损，因此，对于陶瓷刀具应选用较小的进给量和尽可能高的切削速度。
（3）切削 速度v的选择 氮化硅陶瓷刀具适于高速切削。对一定的工件材料，切削速度主要受机床功率限制。结合已选定的切削深度ap和进给量f，如因机床功率不足，而使切削速度选得 过低，则不仅不利于发挥陶瓷刀具的优越性，而且容易发生崩刃。应当适应减少进给量，甚至是切削深度，以便提高切削速度。目前陶瓷刀具的切削速度，虽然有的 国家最高到1500r/min，但加工普通钢和铸铁，大多数仍然采用v=200～600m/min；加工硬度<65HRC的钢材时v=60～200 /min；铣削一般钢和铸铁时v=200～500m/min；铣削耐热合金v=100～250m/min。 切削速度对切削屑形状影响很大，特别在v=350～1500m/min范围内，往往可以获得良好的切削形状，如在高速车削淬硬钢时，可能形成酥化的易于碎 断的假带状切屑，而使切屑易于清理。用陶瓷刀具作低速切削时，不但与硬质合金刀具的切削性能相近，而且容易引起工艺系统的振动，使刀具发生崩刃。例如：在 v<50m/min时车削抗拉强度为800～850MPa的钢材，陶瓷刀具很容易发生崩刃，甚至无法切削。在一定速度范围内高速切削时，切削温度的 升高能改变工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韧性，从而减少其破损，所以一般陶瓷刀具均采用干切削。而用陶瓷刀具断续切削时，如果切削速度提高太多，温差很 大，产生的热应力会导致刀具破损。 使用复合氮化硅陶瓷刀具，可以解决难加工材料的切削加工问题，改变传统的机械加工工艺，提高加工效率，节约工时及电力，同时可节约大量的生产硬质合金刀具 所需要的贵重金属W、Co及Ti等，因此推广和应用新型陶瓷刀具具有广阔的发展前景.
七、我国陶瓷刀具的发展前景
我国陶瓷刀具在可转位刀具中比重很小.年产量不到硬质合金的0. 1%。从切削性能上看.我国陶瓷刀具正向高硬度合金铸铁粗加工、断续切削方向发展。北京科技大学研制的ST新型复合陶瓷刀具能断续切削HRC63以上的高 速钢滚刀。在刀具品种中除各种车刀外还正在开发铣刀和刨刀等。
林心海
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