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金属陶瓷刀具材料在工业领域的新应用
时间:2015-3-4  关键词:用朴精密  浏览量:1487

金属陶瓷用于切削刀具始于上世纪20年代对TiC化合物的试验研究。上世纪50年代,TiC-Mo-Ni金属陶瓷作为刀具材料用于钢的高速精密切削。TiC基金属陶瓷的一些优异特性(如高硬度、低比重和高温下的化学稳定性)使其有可能成为WC基硬质合金的替代材料而倍受瞩目。但在当时,TiC基金属陶瓷并没有作为一种工业切削刀具材料被广泛应用,因为它虽然具有与硬质合金不相上下的高强度和高硬度,但其韧性比较差。

上世纪70年代,为了提高金属陶瓷的韧性,改善其切削性能,人们进行了大量研究,开发出了一种韧性很好的细颗粒TiC-TiN基金属陶瓷。从那时以来,金属陶瓷在刀具开发中的应用日趋广泛。

金属陶瓷材料非常适合精密切削加工和近净成形加工,其应用范围正在不断扩大,并已成为一类基本的切削刀具材料。如今,这种材料在精密加工中显示出优异的切削性能。

WC是硬质合金的主要成分,被认为是一种具有战略意义的原材料。随着全球钨价的急剧上涨,作为一种可部分替代硬质合金的刀具材料,金属陶瓷正受到越来越多的关注。

金属陶瓷材料的特点

工业用金属陶瓷材料具有复杂的化学成分。这种刀具材料是在TiC-TiN基体中加入作为结合剂的二次碳化物(如WC、Mo2C、TaC和Co-Ni)制成的。商品化的金属陶瓷材料硬度很高,并具有可与硬质合金媲美的强度和韧性。随着金属陶瓷性能的不断改进,它已成为一种很受欢迎的金属切削刀具材料。

金属陶瓷适用于各种钢件和铸铁件的中等负荷加工、半精加工和精加工。当切削深度(ap)在2.5mm以下、每转进给量(fn)在0.25mm/r以下、每齿进给量(fz)在0.20mm/齿以下时,金属陶瓷刀具具有出色的切削性能。

金属陶瓷可以切削加工各类钢铁材料(如碳素钢、合金钢、低碳钢、铸钢、铸铁等),也适用于某些加工方法(如车削、铣削和端面铣削)。根据其材料性质,金属陶瓷非常适合高速切削,而不容易产生积屑瘤,这将确保用户能获得非常精确的加工结果。

用金属陶瓷刀具切削时,为了获得较好性能,用户必须考虑以下要点:车削加工时,需要采用与切削量相适应的断屑台;铣削或端铣加工时,选用适当的刀具几何形状至关重要。

与其他刀具材料相比,金属陶瓷的较大优势在于其化学性能稳定,在切削加工中,这种稳定性可抑制刀具与工件之间的化学反应。

金属陶瓷的化学稳定性使其能获得很高的加工精度和良好的表面光洁度。当用户希望通过精加工或中等负荷加工完成其加工流程时,金属陶瓷的稳定性可确保高水平的加工质量。在切削温度高且加工精度至关重要的阀门加工或断续内孔加工中,金属陶瓷刀具表现出色。

金属陶瓷材料本身具有很好的耐热性和耐磨性,因此,与能够长时间保持其物理形状的硬质合金刀具相比,金属陶瓷刀具可以相对更容易地长时间保持切削刃的锋利性。与硬质合金刀具相比,金属陶瓷刀具切削出的工件表面更光滑。

迄今,金属陶瓷已被广泛用于加工各种钢件,而近年来,它又成为精密切削铸铁和球墨铸铁的选择刀具材料。加工铸铁时容易产生高频振动,而其副作用则是产生破裂状切屑,因为高频振动会造成金属陶瓷切削刃发生崩刃或破损。不过,如今的金属陶瓷牌号都经过增韧补强,其韧性和强度足以在加工铸铁时保持切削刃的稳定性。

此外,无论是切削普通工件材料,还是加工各种合金钢和硬度低于HRC45的淬硬钢,金属陶瓷都可以提供稳定的刀具寿命和良好的表面光洁度。作为当前切削加工的发展趋势,经济可行性和高速切削变得越来越重要,而金属陶瓷刀具在大约500m/min的切削速度下,其刀具寿命能力可提高15分钟以上,且刀具寿命更均衡。

正确选择金属陶瓷刀具

切削加工时,用户必须精心选择适当的金属陶瓷刀具,因为其加工特点与涂层硬质合金大相径庭。与涂层硬质合金不同,金属陶瓷并不适合粗加工。当产生的切屑较大时,剪切作用和切削阻力会发生很大变化,这种连续冲击会造成加工尺寸超差,并导致刀具破损。

此外,在大切深加工中,大切屑卷对刀具后面的冲击会加剧刻划磨损,从而损坏金属陶瓷刀具。在切削难加工材料(如镍基、铁基和钴基耐热合金)时,更容易发生这种严重的刻划磨损。因此,金属陶瓷刀具不太适合切削难加工材料。由于这个原因,涂层硬质合金刀具比金属陶瓷刀具更适合用于切削难加工材料和粗加工。表1比较了车削碳钢时硬质合金、涂层硬质合金和金属陶瓷的刀具寿命和切屑切除量。可以看出,由于高速切削的切屑切除量更大,因此具有更好的经济性。与CVD涂层硬质合金刀具一样,金属陶瓷刀具也是一种经济性不错的高速切削刀具。

干切削和湿切削

随着粗加工的切削速度和进给率不断提高,金属陶瓷刀具适合采用干切削。使用冷却液的湿切削容易产生热裂纹,从而损坏金属陶瓷刀具的切削刃。

与硬质合金刀具相比,金属陶瓷刀具在干切削中的高温稳定性和加工性能更胜一筹。一般来说,金属陶瓷刀具用于湿切削时,需要采用较小的进给率和切削深度,以避免加工温度过高。不过,在刀具磨损速度很快的恶劣切削条件下,加工温度会因为切削刃磨损而急剧升高。在这种情况下,干切削有利于延迟热裂纹的产生,从而获得稳定的加工性能。

加工温度的高低首先取决于切削条件,此外,工件的热导率、韧性和硬度对热裂纹的产生也有影响。为了正确选择金属陶瓷刀具的切削条件,用户必须了解所有可供选择的加工方案。如果热膨胀或热变形对加工精度没有明显影响,则较好不要选择湿切削。

在铣削加工中,刀具切入工件时温度升高,切出工件空转时温度下降,这种温度变化周而复始,对刀具形成热冲击。与硬质合金刀具相比,金属陶瓷刀具对热冲击的抵抗能力较差。如果采用湿切削,刀具切削刃被冷却液快速冷却,这是在与切削刃垂直的方向上产生热裂纹,并导致刀具寿命缩短的主要原因。

近年来,涂层金属陶瓷刀具的使用一直在增加。现在,采用TiAlN、TiN和AlCrN涂层的PVD涂层金属陶瓷刀具已广泛用于切削加工。TiN涂层有助于防止产生积屑瘤;而TiAlN涂层可以提高刀具的抗热震性和耐磨性,从而延长刀具寿命。

提高金属陶瓷的韧性和耐磨性

在汽车和航空制造业,精密加工已成为一种发展趋势,对工件表面光洁度的要求也在不断提高。金属陶瓷刀具在这些行业的使用量正与日俱增。为了延长金属陶瓷刀具的寿命,关注的重点集中在如何提高其韧性和耐磨性。

对微细结构金属陶瓷(固溶体和高氮金属陶瓷)的研究开发已经取得了进展。例如,韩国特固克公司开发的CT3000金属陶瓷牌号可用于车削和铣削加工,其在车削加工中的切削性能和刀具寿命比传统的金属陶瓷牌号显著提高。该牌号采用细晶粒TiCN粉料和经过优化的合金设计技术制备而成,具有优异的合金性能和稳定的显微结构。较高的氮含量有助于提高细晶粒显微组织的均匀性,优化了刀具切削性能。

为了使金属陶瓷刀具兼具良好的韧性和耐磨性,有必要优化其切削刃的表层和内部结构。为此,减少表层的钴和氮化物结合剂含量有利于提高切削刃的硬度和耐磨性。另一方面,增加表层以下内部结构的结合剂含量可以提高韧性,从而延长刀具寿命。

通过将合金技术和烧结技术应用于PVD涂层金属陶瓷的制备,可以优化其表层和内部的结合剂含量,形成表层结合剂含量低、内部结合剂含量高的梯度功能结构。

与传统的金属陶瓷刀具相比,梯度功能金属陶瓷刀具的稳定性显著提高,刀具寿命也更长。但与硬质合金刀具相比,现有金属陶瓷刀具的韧性和导热性仍然略逊一筹,因此其使用范围仅局限于断续切削或热冲击条件下的切削加工。

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