用于钢加工的C7X/C7Z金属陶瓷材料
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为了提高金属陶瓷刀具的切削性能、使用寿命及稳定性,日本特殊陶业株式会社应用自己的合金技术,成功开发了用于车削钢件、具有高抗热冲击性能的新型金属陶瓷材料C7X/C7Z,并已实现商品化。
由于金属陶瓷刀具能进行高速、高效切削加工,并能获得美观的高质量加工面,因此在日本很快得到普及应用,其销售额占到所有刀具销售额的近20%。但近年来,金属陶瓷刀具的市场占有率停滞不前,甚至有所下降,原因之一是金属陶瓷刀具的寿命不稳定,尤其是其抗热冲击性能在强力断续切削中可靠性较低,从而影响了其进一步普及应用。面对目前依靠自动化和刀具长寿命化来降低加工成本的市场要求,金属陶瓷刀具显然已无法满足。
为了提高金属陶瓷刀具的切削性能、使用寿命及稳定性,日本特殊陶业株式会社应用自己的合金技术,成功开发了用于车削钢件、具有高抗热冲击性能的新型金属陶瓷材料C7X/C7Z,并已实现商品化。现将其特长和切削性能简介如下。

(1)提高抗热冲击性能的探索

热冲击引起的破坏是由热循环导致热裂纹和交变应力导致热疲劳为破坏源而产生的。从机理上分析,为了具有良好的抗热冲击性,应具备以下三种特性:①抑制热裂纹产生的特性;②抑制热裂纹扩展的特性;③高的高温强度。利用以硬质相微细化为主的组织控制方法,可以改善材料特性,获得高强度。但是,在实际切削加工中,刀具损伤最重要的原因之一是刀尖在高温下工作所致。调查结果表明,热裂纹是由材料中耐热性较差的结合相引起的。特殊陶业株式会社从这种观点出发,认为金属陶瓷发生热冲击损伤、磨损等的重要原因在于其结合相,据此,对结合相进行了“特殊耐热合金化”处理。

图1 C7X的热裂纹扩展照片

(2)C7X/C7Z金属陶瓷的特点

具有高耐热性的合金都是高熔点合金,其制造难度很大。但在C7X新型金属陶瓷的开发中,采用了最新的合金技术,成功实现了结合相的特殊热合金化,获得了理想的金属陶瓷材料,提高了热传导性、硬质相与结合相的结合强度以及高温硬度。由于使结合相实现了高热传导率化,因此可防止热裂纹的产生;由于提高了硬质相与结合相的结合强度,因此能抑制热裂纹的扩展;由于提高了高温硬度,因此能提高高温耐磨性能。由C7X的热裂纹扩展情况见图1。由图可知,原有金属陶瓷的热裂纹在低强度硬质相与结合相的晶界面扩展;而C7X金属陶瓷由于提高了硬质相与结合相的强度而抑制了热裂纹扩展,从而可提高C7X的抗热冲击性能。此外,与原有金属陶瓷的结合相比,C7X的结合相与钢的亲和力较小,能大幅改善抗粘刀性能,从而可提高加工面质量。
针对切削加工对刀具耐磨性要求提高的需求,该公司成功开发了在C7X金属陶瓷刀具上涂覆自主开发的Z涂层的C7Z金属陶瓷刀具。Z涂层是一种具有优良的表面平滑性(见图2)和润滑性、与金属陶瓷基体结合强度高的涂层,涂覆Z涂层的C7Z金属陶瓷是一种加工面质量、耐磨性和抗热冲击性兼优的高性能涂层金属陶瓷。

C7X

其他公司的涂层金属陶瓷
图2 C7Z的表面组织

(3)C7X金属陶瓷刀具的切削性能

C7X金属陶瓷刀具的湿式断续切削评价结果表明,其他公司的金属陶瓷在冲击次数达到1000次时产生了由热裂纹导致的崩损,而C7X金属陶瓷的破坏冲击次数为2000次,其寿命是其他公司金属陶瓷的2倍。由图3中冲击次数达1200次时的刀尖损伤图像可以看出,其他公司产品的刀尖因热裂纹而导致崩损,而经特殊耐热合金化的C7X未产生热裂纹,属于正常磨损。从这种损伤状况的差异可知,C7X具有优良的抗热冲击性能。图4为耐磨性能的评比结果。与其他公司的金属陶瓷相比,C7X的磨损量约小25%,显示出优良的抗磨损性能。从以上的评价结果可以确定,由于特殊耐热合金化的效果,C7X是一种耐磨性能和抗热冲击性能兼优的金属陶瓷,从这两点可知,它能提高刀具的使用寿命。

图3 C7X的抗热冲击性能

图4 C7X的耐磨性能

(4)C7X/C7Z刀具的加工实例

①加工实例1:图5是用C7X切槽刀干式切槽的加工实例(被加工件材料:SUJ2),切削速度为70m/min,进给速度为0.1mm/r。由于交变热循环的作用,其他公司刀具的刀尖发生了崩刃,随着磨损的进展产生了毛刺,一个刀尖在切槽数为700时达到使用寿命;而C7X切槽刀未发生崩刃,由于磨损受到抑制,也未产生毛刺,一个刀尖的切槽数达到1500,刀具寿命是其他公司产品的2倍以上。

图5 加工实例1

图6 加工实例2
②加工实例2:用C7Z切槽刀湿式断续切槽的加工实例(被加工材料:S53C),切削速度为200m/min,进给量为0.07mm/r。其他公司的涂层金属陶瓷切槽刀因热裂纹、热疲劳而发生崩刃,故将加工数量设定为一个刀尖切300个槽,由于采用C7Z切槽刀,切槽寿命延长到一个刀尖能切500个槽。当切槽数达到300个后,其他公司切槽刀的刀尖产生了由热裂纹、热疲劳引起的较大崩刃,而C7Z切槽刀未产生热裂纹。由此可见,C7Z切槽刀能完成长时间稳定的强力断续加工。
具有优良抗热冲击性能和耐磨性能的C7X/C7Z刀具适用切削范围广,尤其在因崩刃导致刀具寿命不稳定的切削加工范围内,对要求刀具寿命稳定化(抗崩刃、抗磨损兼优)的加工能有效延长刀具寿命。C7X/C7Z刀具已获得市场用户的高度评价,不仅可用于轴承加工和切槽加工,还能用于普通车削刀具面向的加工,今后将在降低切削加工成本、提高加工质量方面发挥积极作用。
本文作者:廖先富(编译)
原载:《工具展望》2008年第6期
上载于:2011-1-21 21:04:58

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