2 Al₂O₃基陶瓷刀片的GPS+HIP生產(chǎn)工藝

1. 粉體情況
   Al₂O₃粉料采用美國CERALOX公司生產(chǎn)的造粒氧化鋁粉，其平均粒徑為0.46µm，比表面積為7.7m²/g，密度為3.96g/cm³，鈉鈣硅鐵含量均低于100ppm，其粒度分布如圖1所示。
   
   圖1 Al₂O₃粉料粒度分布圖
   圖2 TiCN粉料粒度分布圖T(iC/N)粉料采用德國H.C.Starck公司產(chǎn)品，C/N=7:3，平均粒徑為0.59µm，其粒度分布如圖2所示。
2. 混合配料
   本工序的目的是使各種原料充分均勻混合。粉料處理工藝為：球磨→振磨→球磨→加膠→球磨。球磨+振磨總時間應(yīng)控制在72小時左右，如時間過短，會造成粉料混合不充分；如時間過長，可引起球磨介質(zhì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象等。采用酒精作為分散劑，可使粉料分散均勻并有利于烘干。應(yīng)注意，漿料烘干前應(yīng)用80目篩子過篩，將球磨過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)濾掉。此外，陶瓷粉體應(yīng)置于密封容器內(nèi)，避免吸潮，保存時間最好不超過3個月。混合料的烘干應(yīng)在真空箱內(nèi)進(jìn)行，烘烤溫度不應(yīng)高于80℃，以便于酒精回收及防止粘接劑揮發(fā)。
   陶瓷刀片所用混合粉的制備通常為多批量、小分量，由于造粒較困難，故一般不采用噴霧造粒方法。常用的兩種造粒方法為：①先將粉料預(yù)壓成塊狀體，砸碎后分別用20目和40目的篩子過篩，將大于20目小于40目的粉體去掉；②采用滾筒式造粒法，使用現(xiàn)有球磨桶和球磨機(jī)(裝料高度為桶直徑的1/3)經(jīng)30～60分鐘連續(xù)滾動而成。造粒后的粉體以手指輕度用力能碾碎為佳，過軟或過硬均不好。
3. 坯體壓制
   陶瓷刀片的干粉壓制工序?qū)Ψ垠w形貌、粉體表面電荷狀況以及混合粉體的造粒要求都很高，故壓制工藝難度較大。如壓坯密度過低，燒結(jié)后難以達(dá)到所需致密度，同時燒結(jié)后坯體收縮過大會造成刀片刃磨余量不足；如壓坯密度過高，則會造成坯體內(nèi)部的隱性裂紋(燒結(jié)前這些裂紋很難檢測出來)。加入粘接劑可改善壓制性能，但粘接劑過多會增加刀片孔隙，使刀片性能下降；粘接劑不足或模具制作精度不高則會造成坯體分層現(xiàn)象。為減少壓制缺陷，可在制造模具時增大拔模斜度。壓制完成的壓坯應(yīng)及時送入排膠爐排膠，如不能及時排膠，壓坯應(yīng)注意防潮。#p#分頁標(biāo)題#e#
4. 坯體排膠
   陶瓷刀片的脫膠工藝與硬質(zhì)合金刀具生產(chǎn)工藝相似。我公司采用的PEG(聚乙二醇)排膠溫度控制在400℃。排膠時應(yīng)根據(jù)PEG的特點(diǎn)在其揮發(fā)點(diǎn)溫度附近保溫較長時間。為防止PEG氣化后進(jìn)入真空泵，影響真空泵的使用性能，可在泵前增加冷凝PEG回收裝置。在脫膠過程中，應(yīng)注意防范突然停電等意外情況，防止冷空氣進(jìn)入脫膠爐，否則會造成刀片氧化或粉碎。排膠后應(yīng)與排膠前的坯體重量進(jìn)行對比，以確定PEG是否排凈。排膠后的坯體應(yīng)及時燒結(jié)，如需放置較長時間，則應(yīng)注意防潮。
5. GPS+HIP處理
   燒結(jié)工藝采用氣氛保護(hù)燒結(jié)(GPS)+熱等靜壓(HIP)處理技術(shù)。GPS燒結(jié)是將坯體在真空狀態(tài)下升溫至1200℃，加入2MPa的氬氣保護(hù)；然后升溫至1850℃時，保溫30分鐘，再加入8MPa的氬氣，隨爐冷卻。在燒結(jié)期間，真空度的高低直接影響坯體水分的排除，真空溫度的高低則會影響刀片燒結(jié)后的硬度和強(qiáng)度。工藝數(shù)據(jù)表明：采用真空溫度分別為400℃和1200℃的工藝方案燒結(jié)的刀片其HV硬度相差約0.5GPa，強(qiáng)度相差50MPa以上。GPS燒結(jié)后的坯體密度應(yīng)控制在理論密度的93%～98%。如果繼續(xù)升溫或延長保溫時間，雖可提高坯體密度，但坯體強(qiáng)度會急劇下降。當(dāng)坯體密度>93%后，開口氣孔基本消除，燒結(jié)動力明顯不足，此時升溫或延長保溫時間可使晶粒增大，從而消除閉口氣孔，增大坯體密度。采用GPS方法燒結(jié)刀片時，若燒結(jié)保護(hù)氣壓<20MPa(一般GPS燒結(jié)爐的保護(hù)氣壓均低于20MPa)，則與低壓(2MPa)燒結(jié)效果無明顯區(qū)別。在燒結(jié)過程中采用氬氣保護(hù)，一方面可防止TiCN分解，另一方面可保證窯爐內(nèi)溫度的均勻性(因為爐內(nèi)的氬氣也可作為傳熱介質(zhì))。
   HIP處理技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域較廣(包括高溫合金、硬質(zhì)合金、陶瓷、合成材料、擴(kuò)散粘接、鑄件致密化及焊接等)，但由于設(shè)備昂貴、技術(shù)復(fù)雜，因此在國內(nèi)推廣應(yīng)用難度較大。采用GPS+HIP處理技術(shù)制造陶瓷刀片可使刀片質(zhì)量大幅度提高，同時保持了冷壓加工方法可制作形狀復(fù)雜或帶孔陶瓷刀片以及生產(chǎn)效率較高等特點(diǎn)。
   HIP處理前4.1419.155.69509HIP處理后4.2520.675.76726

   表1 HIP處理前后陶瓷刀片的性能對比

   性能指標(biāo)	密度 (g/cm3)	HV硬度 (GPa)	韌性 (Mpa·m½)	強(qiáng)度 (MPa)

   
   圖3 HIP處理后YA-1刀片微觀結(jié)構(gòu)的SEM照片 LT55Al₂O₃-TiC-Mo-Ni93.7～94.81000～1200山東工業(yè)大學(xué)AT6Al_{2#p#分頁標(biāo)題#e#}O₃-TiC+金屬93.5～94.5880～930冷水江陶瓷工具廠T2Al₂O₃-TiC-ZrO₂HR15N≥96.5900～1000成都工具研究所CC650Al₂O₃-TiC93.5～94.5—瑞典Sandvik公司YA-1Al₂O₃-TiCNHV20～21>700重慶渝倫公司

   表2幾種典型陶瓷刀片的性能指標(biāo)

   刀片 牌號	材料成分	硬度 (HRA)	抗彎強(qiáng)度	生產(chǎn)單位

   由于HIP處理技術(shù)對包套材料及操作技術(shù)要求較高，因此通常用于制造形狀簡單的產(chǎn)品且生產(chǎn)效率較低。利用HIP爐處理經(jīng)過GPS燒結(jié)的陶瓷刀片則不需要包套，這是因為當(dāng)?shù)镀黧w密度>93%時，開口氣孔已完全消除，可在坯體表面自然形成包套，因此刀片坯體可不加任何包套裝置直接置于HIP爐內(nèi)進(jìn)行處理。在處理過程中，以氬氣作為加壓介質(zhì)，加壓150MPa，升溫至1760℃，保溫1小時，隨爐冷卻。經(jīng)HIP處理后，刀片坯體密度可達(dá)理論密度的99%以上，坯體強(qiáng)度在GPS燒結(jié)的基礎(chǔ)上可增加50～200MPa，刀片顯微硬度可提高0.5～1GPa。HIP處理前后陶瓷刀片的性能對比見表1(表中數(shù)據(jù)為一組12根試件的平均值)。
   經(jīng)HIP處理后，陶瓷刀片的顯微結(jié)構(gòu)基本不會發(fā)生變化，這是由于刀片坯體的閉口氣孔在高壓(150MPa)下被強(qiáng)行消除，晶粒由于溫度較低而發(fā)育較好，因此刀片的整體性能顯著提高。
   目前公司生產(chǎn)的YA系列刀片密度>99.2%，硬度HV>20.5GPa，韌性K_ic>5.5MPa·m^½，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度>700MPa。刀片微觀結(jié)構(gòu)的SEM照片如圖3所示，材料組織中TiCN呈彌散分布，晶粒平均尺寸約2µm。表2列出了幾種典型陶瓷刀片的性能指標(biāo)。
6. 刀片刃磨
   陶瓷刀片的刃磨質(zhì)量對刀具使用性能影響很大，在刀片刃磨工序應(yīng)注意以下問題：

   1. 砂輪的選擇
      陶瓷刀片的刃磨應(yīng)選用樹脂結(jié)合劑砂輪。雖然樹脂結(jié)合劑砂輪的自銳性較差、刃磨效率較低，但不會破壞刀片強(qiáng)度；而金屬結(jié)合劑砂輪雖然自銳性好、刃磨效率高，但會降低被刃磨刀片的強(qiáng)度，即砂輪越“軟”，刃磨刀片的表面質(zhì)量越好。金剛石砂輪的磨料粒度越細(xì)，磨削效率越低，但刀片表面缺陷越少；磨料粒度越粗，磨削效率越高，但刀片表面缺陷也越多。為兼顧磨削效率和表面質(zhì)量，可在粗磨時選用粒度較粗的砂輪，預(yù)留很小的加工余量；精磨時則選用粒度較細(xì)的砂輪。砂輪形狀的選擇也很重要，應(yīng)盡量采用平面砂輪，碗形砂輪和碟形砂輪加工的刀片表面質(zhì)量稍差。
   2. 磨削液的選用
      陶瓷刀片的刃磨難度較大，對磨削液的要求也較高。磨削液的作用除冷卻外，還要通過及時清洗粘在砂輪表面、具有較大粘性的陶瓷磨屑來保證砂輪的自銳性。美國Master化學(xué)公司的C18WC磨削液應(yīng)用效果較好，如同時在該磨削液中添加清洗劑，效果可進(jìn)一步提高。
   3. 刀片負(fù)倒棱的刃磨要求
      不同的加工場合、工件材料和切削參數(shù)對刀片的負(fù)倒棱有不同要求。負(fù)倒棱的方式主要有單一倒棱和組合倒棱。一般情況下，要求保證刀片負(fù)倒棱角度和寬度的一致性。為減小刀片的初期磨損，在負(fù)倒棱基礎(chǔ)上可增加“鈍化”工序。
7. 試刀
   對于不同批次、不同時間生產(chǎn)的陶瓷刀片，除監(jiān)控其性能指標(biāo)外，在出廠前還應(yīng)進(jìn)行試刀，以檢驗刀片的切削性能。試刀一般在工廠的機(jī)床上完成。