金属陶瓷推广应用中的限制因素

作者：山特维克可乐满

欢迎访问e展厅 展厅 11 纳米材料/工业陶瓷展厅 空心微珠, 金刚石微粉, 纳米金, 纳米铂金, 纳米铜, ... 金属陶瓷的成分为何必须如此复杂，具有那么多种组成元素？原因非常明显，是由于过去应用试凑法寻求具体的应用解决方案，而不是依据有效的科学原理。山特维克可乐满在2O世纪80年代中就决定开始分析金属陶瓷中各种成分所起的作用，之后对各种成分进行组合，研制新牌号金属陶瓷材料。与此同时，在制造工艺开发方面，也投入了大量的人力、物力与财力。因此，公司在各成分功能与刀具材料的工艺研究方面具有极深的造诣。 早期金属陶瓷的成分通常包含诸如Ti、Ta、V、Nb、Mo、W、C、N、Ni与Lo等元素，这些金属陶瓷通常是特殊解决方案。在此方案中，总是同时对材料与工艺两个方面进行综合研究，直到二者组合达到符合要求的程度时为主。我们的最新～代牌号金属陶瓷，主要成分为Ti、W、C、N与Lo等，研制中没有采用传统的解决方法，而是对需要的金属成分种类、成分含量以及最重要的工艺编制等方面进行综合研究的基础上研制出的。 掌握烧结工艺是制造硬质合金的基本条件，据此，我们制定出正确方向，投入了大量的人力、物力与财力，对硬质合金进行定义与控制——力求完全分析透彻，不允许存在任何的疏漏之处。在研制金属陶瓷的同时，山特维克公司的研究与外发部门研制出适用于钢材机加工的GC4000牌号碳化钨/钴硬质合金。烧结工艺也是研制成功的基本因素。两种硬质含金材料在材料、工艺与性质方面已逐渐相互接近。这种产品实现了二者的完美结合。 最新成果 尽管表面上看起来金属陶瓷的成分要比传统硬质合金更为复杂，但是它作为一种刀具材料，具有特定的性能，在用于精加工时具有许多优点。其一是好切削刃均匀磨损时，切削刃有再磨锐效应；其二是化学性能稳定性；另外，刀片上无浸润效应与刀具其他部分材料向切削转移可以忽略入计。最近进行的一项研究的最直接成果是采用了最新一代牌号的金属陶瓷牌号。在这种材料中，Co用作金属粘贴物，取代了Ni与Co混合物。除了无污染外，还具有许多从传统硬质合金上借鉴来的优点。 这种新研制出的牌号主要在下列方面有了较大的改进： 更高的加工安全性 应用领域更广阔 保持表面光洁度与精度的能力更强。 间歇加工能力加强 这种材料的性能得到提高，主要是通过改善下列方面实现的：抗塑性变形与韧性之间的平衡；更精细更耐久的切削刃线；抗热胀冷缩破裂性能等。在过上，金属陶瓷给人们的印象不好，主要是由于在机加工过程易突然断裂，但是，现在通过提高韧性可以尽量减少这种危险，提高了安全性。过去为解决这个问题，一些供应商研制出耐磨性极强但韧性较差的牌号和韧性极好但性能较差的牌号。介于这两种材料之间的牌号即使有也不多。这些都不是能够真正解决问题的现代最佳解决方案。 许多精加中中仅包含连续切削，可以使用金属陶瓷刀具。但是，实践中许多类型的精加工中都包含间歇切削。对于金属陶烧来说，该领域也不再是一个真中地带。事实上，金属陶瓷也经常被视为是解决这些问题的一种方法。GC1525是一种经过PVD涂层的牌号，之所以涂层，是因为PVD涂层的研制成功对于金属陶瓷的推广应用具有极大的推动作用。 为什么会产生涂层金属陶瓷牌号？ 由于通过涂层，可以增强对片的耐磨性与抗塑性变形能力，因此使制造出韧性较好的金属陶瓷成为一种可能。通过增加涂层，可以制造出切削速度高于160Sfm的韧性较好的现代金属陶瓷刀片。而且，从材料学角度分析，刀片基体与涂层材料能够结合是一种非常理想的方式。但是，为保证加工出最佳的、极高的表面质量，非涂层切削刃仍是一种最佳选择。 在金属陶瓷与碳化钨硬质合金牌号之间进行选择仍是最主要的并且有时会存在一定的特有矛盾类型(冲突特征化)的问题——金属陶瓷仍然是较适合进行精加工的刀片材料，尤其适用于可以充分发挥其保持极小尺寸与最佳表面质量方面的应用环境中。上述两个条件仍然是选择两种刀具材料所考虑的关键因素。 注意负载因素 尽管现在金属陶瓷的应用领域已相当广泛，并已使用的安全性也较高，但是切削对负载仍然是一个存在疑惑的问题。特别是与切削深度数倍于进给率，产生的负载较大时，应特别注意。在这种情况下，切屑截面积大小是决定是否选择金属陶瓷刀片的主要因素。 对于切削深度小的加工，负载出现问题的可能性更大，也可以应用较高的进给率，保持较高的生产率。工件材料不同，产生的负载也有所不同，低碳钢与高合金钢之间的差别相当大。当用于加工较软的、长切屑与易变形的钢材时，金属陶瓷刀片性能表现最好。但是，金属陶瓷也可以应用于加工铸铁与不锈钢。加工复合型工件时，金属陶瓷刀片已经过实践证明，具有多种优点。复合型工件是指软钢焊接到不锈钢上需要进行车削的工件。 在间歇加工与包含仿形切削的加工类型中，切削深度较大，通过减小进给率对以很好地完成加工。使用金属陶瓷刀片精加工之前在粗加工时就要考虑到精加工，例如，留下较少量的加工余量，从而限制精加工的切削深度，这样可以以提高加工质量。 刀片槽形对于刀具材料发挥正常功能具有重要的作用，同时对于机加工的安全性与刀具的使用寿命也具有重要影响。刀片槽形的不同，其强度也大为不同，同一种牌号材料，一种槽形与另一种槽形的变化引起性能差异要大于同一种槽形时牌号变化引起的性能差异。目前，金属陶瓷刀片大多数都是正前角，强度较小。 目前对于修光刃槽型刀片的安全性与生产率进行了专门的研究开发。对于这种型号的刀片，刀尖半径经过修正，切削刀强度相对较大，使用时能够大大增加进给率，也可以提高表面质量。从而，实现了不同金属陶瓷牌号之间的完美结合。 现代金属陶瓷刀片应用方法要点 金属陶瓷是一种适用于精加工的刀具材料，其中尺寸精度与表面粗糙度保持稳定是主要要求条件。 金属陶瓷主要应用于诸如低碳钢等软钢加工，长比屑，而已趋于研制组合刀刃用来加工铸铁与不锈钢。 切屑负载是金属陶瓷刀片应用的一种限制因素，表现为工件的切削深度与进给率之间的关系。 为获得最佳的生产率与安全性，进给率应尽可能加大，切削深度应尽可能最小。 在进行粗加工或半精加工时，留下最小的切削余量，为精加工作准备。 选择适当的强度最大的刀片，不会产生振动，而且刀片形状、刀尖半径与糟形都要适当。 考虑把金属陶瓷刀片应用于包含间歇切削的加厂类型。目前的应用领域已相当广泛。 修光刀刀片应当始终看作是用于精加工的刀片类型。在使用这种刀片进行加工时，进给率可以加倍，仍然可以得到同样的表面质量。同时对于长切屑材料，这种对片强度较大而且断屑性能良好。 金属陶瓷的使用历史 金属陶瓷长期以来给人们的印象是容易造成突发、不可预测的刀片故障，正因为如此，推广应用一直不太顺利。供应商的广告宣传经常是前后矛盾，一部分说明只能适用于精车削加工，另一部分又说明用途广泛，可以适用半精加工。而且，金属陶瓷刀具广泛应用于铣削加工——较为成功地适用于硬质工件材料加工。这样看来，各种全属陶瓷刀具应用的加工领域的划分没有明确的界限。 造成这种概念性模糊的一个直接性原因就是金属陶瓷在刀具材料行业中应用的迅猛发展。金属陶瓷的产生历史几乎与碳化钨/钴硬质合金一样长久。它是一种含钛的硬质合金。20世纪30年代中，研制出的第一种金属陶瓷(Ti/Ni）具有易脆性，抗塑性变形能力却极差。在40年代与50年代中，WC/Co硬质合金得到充分发展，在性能改进方面迈进了一大步。在试凑法中加入其他元素成分，同时通过改进烧结工艺，硬质合金的性能改善明显。 日本在70年代较早地使用金属陶瓷，并开始进行大规模的应用开发，包括在其中加入更多种数量的硬质元素成分。金属陶瓷迅速发展，销售量约占整个日本硬金属的1/3，主要原因包括机械加工清洁方法的发展，采用较小的切削参数，选择合适的刀具路径，以及使用更容易获取的原材料(钛与镍)替代传统的原材料成分(钨与钴)，甚至加入增强金属陶瓷其他性能的成分，改善了刀片抗塑性变形的能力。 80年代中，日本作为金属陶瓷制造的火车头，对其他国家的制造业产生了深刻的影响。众多制造商开始研究金属陶瓷牌号的更广泛用途可能是取得市场先机的因素之一。金属陶瓷增长与开发的需求推动了许多新型的具有较小晶粒的更加可靠的材料牌号的产生。90年代，金属成分更加复杂，加入成分量更大，从而研制出平衡性更好的耐磨刀具。 过去10年的发展主要包括材料成分与工艺技术两个方面，直接结果是诸如CT5015与涂层GC1525等新牌号材料的韧性大大增强。韧性是金属陶瓷推广应用的最主要的障碍，自从第一个刀片产生以后，人们就一直致力于韧性的提高。目前，加工包含间歇加工，要求生产安全性更高，随着工件材料与机床刀具技术的改进，对于精车削的要求也随之提高。正是在起种环境下，金属陶瓷牌号的种类越来越多。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/28/2004)