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黑瓷、白瓷…氧化铝基刀具还能这么分?
2022年08月04日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:33
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随着材料科学及刀具工艺的发展,具有高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的陶瓷材料已经成为新一代高性能刀具的主要原材料,除了应用于食器、装饰上以外,在工业发展中也起着十分重要的作用。

陶瓷刀具

陶瓷刀具(来源:ngkntk.com)

在这些陶瓷刀具中,氧化铝(Al2O3)刀具是被应用得很广的一类,具有物美价廉的优势,被大量应用于硬材料切割、高速钢切割、超高速切割等一些难加工材料的切割。由于氧化铝陶瓷刀具的最佳切削速度比一般的硬质合金刀具高,因此可大幅提高对不同材料的切削效率。

各类型的氧化铝基陶瓷刀具

不过就像做菜一样,调味不一样时成品出来的效果也会大不同。通过对粉体配方的调整,氧化铝刀具其实也有很多种玩法!

1、白陶瓷

当Al2O3基陶瓷中的杂质含量不足0.1%时,称为白陶瓷,它的纯度比较高,其中杂质的成分多为氧化镁或者是氧化钛等,它的耐磨性非常好,主要应用于高速切削灰铸铁等材料,然而,它的强度很低,韧性以及抗热性能都比较差。

白陶瓷组织图

来源:ntkcuttingtools.com

为了提高韧性,一是可以通过制备出粒径尺寸在100 am以下的单分散α-Al2O3纳米粉,利用纳米氧化铝的高活性,采用先进的烧结技术在较低的制备温度得到细晶氧化铝陶瓷;二是在纯Al2O3陶瓷中添加ZrO2作为烧结助剂来提高它的断裂韧性。这些技术都可以弥补原先氧化铝陶瓷的不足,提高它的切削性能和耐用度。

不过也因为纯Al2O3陶瓷刀具高温性能、耐磨损性较好,但抗弯强度较低、抗抗冲击能力差的特点,目前它越来越多地被各种复合Al2O3陶瓷刀具所替代。

2、黑陶瓷

当Al2O3基陶瓷中的其他物质的含量达到20%~30%时,因其颜色多为黑色而被称为黑陶瓷,其他物质的成分多数为碳化钛(TiC),一般和Al2O3经过加热压制而成,形成复合陶瓷。

黑陶瓷组织图

来源:ntkcuttingtools.com

由于添加了碳化钛,所以这种复合陶瓷的硬度要比白陶瓷的硬度大,它的强度、耐磨性以及热硬性都比白陶瓷要好,即使在高温下也能抑制因热量引起的刀尖变形。充分利用这个性质,可进行高硬度材料(高强度钢等,最高至HRC65)的高速精加工。

3、金属陶瓷

在黑陶瓷中加入微量的镍或是钼等金属,经过加热压制处理而形成的陶瓷叫做金属陶瓷。金属陶瓷的抗弯性以及刚度都比较强,主要应用于切削调制合金钢,它的切削速度以及刀具的使用寿命都比一般的刀具要强,并且因为金属陶瓷中含有少量的金属成分,从而可以获得较细的表面质量。

4、晶须增强陶瓷

晶须增强陶瓷是最近发展起来的一类陶瓷材料,这类材料中大多含有线状的碳化硅纤维,在Al2O3陶瓷中添加了碳化硅纤维以后,陶瓷的耐磨性以及强度都会有所提高,并且它的断裂韧性是以前的陶瓷断裂韧性的二倍。研究发现,采用SiC晶须增韧的氧化铝陶瓷刀具材料的断裂韧度可达8.10MPa·m1/2,而采用TiC、TiN以及SiC等第二相颗粒弥散增韧时的断裂韧度一般很难达到7MPa·m1/2以上。

晶须增强陶瓷组织图

来源:ntkcuttingtools.com

由于添加SiC晶须能够有效提高氧化铝陶瓷刀具材料的断裂韧度、抗弯强度和硬度,因此从20世纪80年代开始,随着SiC晶须商业化生产的实现,国内外各种牌号的SiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料也得以研制成功并投入使用,目前主要应用于切削淬火钢以及工具钢等。

总结

不看不知道,原来单纯氧化铝一种材料在刀具上就有这么多的玩法。不过随着陶瓷材料不断深入的研究与开发,陶瓷刀具在金属切削加工业中的应用还会不断地扩展。为了满足现代社会对制造业发展的需要,一定还会有更多性能更加优良的陶瓷复合材料刀具问世,就让我们拭目以待。


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