CN109734443A - 一种铣刀用陶瓷材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铣刀用陶瓷材料，该陶瓷材料由断裂韧性值大于5MPa·m^1/2的氧化锆陶瓷或氮化硅陶瓷组成。由本发明陶瓷材料制成的铣刀具有高的抗弯强度、优异的抗冲击特性，刀具具有在加工过程中不易断刀、不易崩刃、低磨损的特性，可以用于加工各种金属材料，具有低成本高寿命的特点。

Description

一种铣刀用陶瓷材料

技术领域

本发明涉及一种铣刀用陶瓷材料及由该材料制成的铣刀。

背景技术

高速切削加工技术作为一种先进制造工艺方法，已广泛用于各种机械加工，尤其是数控加工机床中，成为当今最重要的加工手段之一。

刀具作为高速切削中关键部件，在高速切削发展过程中起着重要作用。对刀具材料一般有如下要求：

1)高硬度和耐磨性：在常温下，切削部分材料必须具备足够的硬度才能切入工件；具有高的耐磨性，刀具才不磨损，延长使用寿命。

2)高的耐热性：刀具在切削过程中会产生大量的热量，尤其是在切削速度较高时，温度会很高，因此，刀具材料应具备好的耐热性，既在高温下仍能保持较高的硬度，有能继续进行切削的性能，这种具有高温硬度的性质，又称为热硬性或红硬性。

3)高的强度和高的韧性：在切削过程中，刀具要承受很大的冲击力，所以刀具材料要具有较高的强度，否则易断裂和损坏。由于铣刀会受到冲击和振动，因此，铣刀材料还应具备好的韧性，才不易崩刃，碎裂。

目前满足如上要求的材料，通常包括高速钢类材料和硬质合金类材料，其中硬质合金类材料具有更好的耐磨性和高刚度耐高温特性而成为越来越重要的铣刀用材料，但硬质合金通常以碳化钨为基体，而钨作为稀有资源价格昂贵，随着用量越来越大，价格越来越高，急需要由新型的替代来材料来满足市场的需求。

陶瓷材料由于具有高刚度高耐磨和耐高温则是替代材料的重要发展方向，而陶瓷材料除了具有高硬度难加工的特性外，由于韧性不够而难以大规模应用于刀具，本发明提供了一种陶瓷材料具有适当的技术指标，可以解决陶瓷刀具易断裂崩韧等缺点，而具有广泛的刀具应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种成本相对低廉且加工寿命长的陶瓷铣刀，而发明了一种高性能的陶瓷材料。

本发明提供的一种铣刀用陶瓷材料，其特征为材料材料的断裂性值大于5MPa﹒ m^{1 /2}，断裂韧性是衡量材料抗冲击能力的重要指标，是影响刀具崩刃的重要因素，本发明实验发现只有当断裂韧性值大于5MPa﹒m^1/2时，才能有效改善刀具刃口的稳定性和陶瓷刀杆的使用安全，从而不会导致刃口的崩裂和刀杆的断裂而引起刀具寿命的大幅降低甚至无法使用，进一步优选为大于6MPa﹒m^1/2。断裂韧性采用压痕法测量。

陶瓷材料的弯曲强度是衡量陶瓷作为结构材料承受外力的重要指标，对于陶瓷刀具而言，如果强度不够则很难承受大载荷大进给的切削加工，而且易于出现断刀的异常情况，在本发明中刀具陶瓷在400MPa抗弯强度即可满足铣刀一般情况下的切削加工，进一步优选为大于600MPa。抗弯强度的测试依据ISO 14704：2000标准，采用三点弯曲的方式进行测试，实验设备为万能力学试验机。

陶瓷材料的种类很多，作为本发明的铣刀用陶瓷，优选为氧化锆陶瓷或氮化硅陶瓷，其中经过增韧的氧化锆陶瓷具有很高的断裂强度和断裂韧性，是本发明的优选氧化锆陶瓷，增韧剂通常选用氧化钇、氧化镁、氧化钙、氧化铝中的一种或多种组合，作为氧化锆陶瓷的增韧补强添加剂还可以含有不超过10％重量比的其他添加剂。氮化硅陶瓷包含改性修饰的氮化硅陶瓷，具有高强度高韧性，并且具有高的抗热震性和切削自润滑性，是本发明又一种优选陶瓷材料。

为了进一步改善本发明陶瓷材料的耐用性，本发明的铣刀用陶瓷材料表面覆盖有涂层，该涂层根据加工材料的不同，可以为氮化物、碳化物、硫化物、金刚石中的一种或多种组合，其中氮化物优选为氮化钛、氮化钛铝、立方氮化硼中的一种或多种组合，碳化物主要为碳化钛，涂层还可以为氮化物和碳化物的复合体，如氮碳化钛。硫化物优选为硫化钼。本发明所选择的涂层材料与氧化锆相近的相近的膨胀系数或稍小的膨胀系数，具有和基体氧化锆优异的结合强度，可以进一步提高氧化锆基体的耐磨损性或耐高温特性，可以极大的提高陶瓷铣刀的使用寿命。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)采用了资源丰富且具有特定性能的陶瓷替代传统的刀具材料，一方面降低了生产成本，另一方面提高了刀具的使用寿命；

2)通过在陶瓷刀具表面覆盖特定的涂层，进一步提升了刀具寿命，降低了生产成本，而且可以适用更多的材料加工，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为压痕法测量断裂韧性示意图；

图2为实施例1制得的陶瓷铣刀刀具示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例和对比例采用的测试条件如下：

陶瓷的断裂韧性采用压痕法测量获得，采用烧结制成的陶瓷测试样，用金刚石刀具将试样切成5mm×5mm×10mm的块状，经400#、800#、1200#、1600#和2000# 砂纸研磨并抛光后，在HBV-30A布维硬度计下(加载时间为10s)进行断裂韧性测试，载荷为12Kg，压痕的示意图如图1所示，断裂韧性采用如下公式计算得到K_IC＝0.023(E·P) ^1/2(a/c^3/2)，其中P-载荷，N；E-弹性模量，N/m²；c-裂纹半长，mm；a-压痕半长，mm。

陶瓷的抗弯强度采用三点弯曲的方式测试获得，采用烧结制成的陶瓷测试样，用金刚石刀具将试样切成3mm×4mm×35mm的试样条，经400#、800#、1200#、1600#和 2000#砂纸研磨并抛光后，抗弯强度测试在Instron1195万能材料试验机上进行。采用三点弯曲法测量，跨距为30mm，加载速率为0.5mm/min。每个数据测试5根试条，然后取平均值。

制备得到的铣刀进行不锈钢(1Cr13)的铣削加工测试，测试条件为：机床为XH714，铣刀直径为8mm，切削速度80m/min，每齿进给量0.3mm，轴向切深1mm，加工时长60 分钟，测试刀具的断裂情况，崩刃情况及磨损情况，列于表1中。

实施例1

采用市售氧化锆粉体进行制备，市售粉体型号OZ-3Y，三氧化钇含量为重量百分比5.25％，三氧化二铝含量为重量百分比0.23％，按成分配比称量粉料并添加适量粘结剂，充分混合均匀造粒后，在50MPa下干压成型，并干燥排胶，1560～1640℃无压烧结制备得到陶瓷试样，并采用金刚石刀具切割成压痕样块和抗弯测试样条以及铣刀棒材，并采用磨削加工的方式制备得到铣刀，如图2所示，1为铣刀的刀头，2为铣刀的刀杆，断裂韧性和抗弯强度测试获得列于表1中。制备得到的陶瓷铣刀进行不锈钢的铣削加工测试，铣刀的寿命测试结果列于表1中。

实施例2

采用市售氧化锆粉体进行制备，市售粉体型号OZ-3Y，三氧化钇含量为重量百分比5.25％，三氧化二铝含量为重量百分比0.23％，按成分配比称量粉料并添加适量粘结剂，充分混合均匀造粒后，在50MPa下干压成型，并干燥排胶，1560～1640℃无压烧结制备得到陶瓷试样，并采用金刚石刀具切割成压痕样块和抗弯测试样条以及铣刀棒材，并采用磨削加工的方式制备得到铣刀，如图2所示，1为铣刀的刀头，2为铣刀的刀杆，断裂韧性和抗弯强度测试获得列于表1中。铣刀的陶瓷表面进行氮化钛镀膜以便获得涂层，涂层制备采用真空磁控溅射获得，条件为：将陶瓷铣刀放入磁控溅射镀膜设备真空室当中，将真空室的气压抽至5×10^-4Pa，然后通入高纯氩气至真空室内，调节真空度至0.35Pa。开启偏压电源，对陶瓷铣刀表面进行偏压清洗15分钟，随后关闭偏压电源，通入高纯氮气，开启装有钛靶溅射源，并通过调节电流来改变溅射功率控制溅射速率，通过改变溅射时间控制沉积薄膜的厚度，其中溅射温度为室温：基体与靶材的距离为90mm：负偏压300V：合金靶边用直流脉冲电源，溅射功率80W，溅射时间360分钟，最后获得的复合薄膜的厚度为10um。制备得到的陶瓷铣刀进行不锈钢的铣削加工测试，铣刀的寿命测试结果列于表1中。

实施例3

以α-Si3N4为原料(纯度>99％)，Al2O3(纯度>99.5％)、Y2O3(纯度>99.9％)、La2O3(纯度>99.5％)为烧结助剂，重量百分比分别为88％，4％，4％，4％，各粉料配好并添加适量粘结剂，充分混合均匀造粒，经50Mpa干压成型，干燥排胶后，置于真空碳管烧结炉内，在氮气气氛下1760℃时保温2h烧结制备得到试样，并采用金刚石刀具切割成压痕样块和抗弯测试样条以及铣刀棒材，并采用磨削加工的方式制备得到铣刀，断裂韧性和抗弯强度测试获得列于表1中。制备得到的陶瓷铣刀进行不锈钢的铣削加工测试，铣刀的寿命测试结果列于表1中。

对比例1

采用市售99.5％纯度的氧化铝粉体及适量粘结剂进行制备，粉体充分混合均匀造粒后，在50MPa下干压成型并排胶，1650～1700℃无压烧结成陶瓷试样，并采用金刚石刀具将试样切割成压痕样块和抗弯测试样条以及铣刀棒材，并采用磨削加工的方式制备得到铣刀，断裂韧性和抗弯强度测试获得列于表1中。制备得到的铣刀进行不锈钢的铣削加工测试，铣刀的寿命测试结果列于表1中。

对比例2

采用市售氧化锆粉体进行制备，三氧化钇含量为重量百分比2.25％，三氧化二铝含量为重量百分比0.1％，各粉体安重量配比并添加适量粘结剂充分混合均匀造粒，在50MPa下干压成型，1560～1640℃无压烧结成陶瓷测试样，用金刚石刀具将试样切成压痕样块和抗弯测试样条以及铣刀棒材，并采用磨削加工的方式制备得到铣刀，断裂韧性和抗弯强度测试值列于表1中。制备得到的陶瓷铣刀进行不锈钢的铣削加工测试，铣刀的寿命测试结果列于表1中。

从以上实施例和对比例可以看出，相对于对比例1和2普通的陶瓷铣刀，本发明的实施例1陶瓷铣刀表现出较好的抗折弯性能和耐磨损性，尤其经过涂层处理后的铣刀，如实施例 2，耐磨损特性进一步提高，对于加工不锈钢(1Cr13)这种难加工材料表现出了优异的刀具寿命和较低的加工成本。从实施例3可以看出，本发明所涉及的氮化硅陶瓷，由于具有高强度和高的断裂韧性，且具有自润滑特性，具有更加优异的刀具使用特性。因此，从实施例和对比例可以看出，本发明的铣刀用陶瓷材料用于铣削加工，表现出广阔的应用前景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

表1

Claims (8)

1.一种铣刀用陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料的断裂韧性值大于5MPa﹒m^1/2。

2.如权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料的断裂韧性值进一步优化为大于6MPa﹒m^1/2。

3.如权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料的抗弯强度大于400MPa。

4.如权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料为氧化锆陶瓷或氮化硅陶瓷的一种或两种组合。

5.如权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料表面覆盖有涂层。

6.如权利要求5所述的陶瓷材料，其特征在于，该涂层为氮化物、碳化物、硫化物、金刚石中的一种或多种组合。

7.如权利要求6所述的陶瓷材料，其特征在于，该氮化物和碳化物进一步优化为氮化钛、碳化钛、氮碳化钛、氮化钛铝、立方氮化硼中的一种或多种组合。

8.如权利要求6所述的陶瓷材料，其特征在于，该硫化物进一步优化为二硫化钼。