增强陶瓷切削刀具制造技术

这里所公开的切削刀具是由混合体组成的，该混合体包括用陶瓷晶须增强的陶瓷基体．其中陶瓷基体可以是氧化铝或氮化硅，也可以含有韧化组分．其中晶须最好是碳化硅，但也可以其它已知陶瓷晶须．在混合物中晶须含量２～４０％，一般用于间歇切削条件下的刀具的晶须含量更高些，而用于连续切削条件下的刀具的晶须含量更低些．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本案是我们1985年3月14登记的共同未决美国专利申请06/711，695号的部分连续申请。 本专利技术涉及到切削工具，尤其涉及到改进的陶瓷切削工具。 金属切削即“切削加工”在金属加工业中被认为是最重要的和最广泛使用的方法之一。在普通的机械加工操作中，有成型加工、刨削加工、铣削加工、平面磨加工、拉削加工、研磨加工、锯切加工，车削加工、镗孔加工、钻孔加工以及铰孔加工，其中某些方法，例如锯切加工，可在工件的内，外表面上操作，而另外一些只能在工件的内表面上操作(如铰孔加工)，或只能在工件的外表面上操作(如表面磨平)。这些各种不同的加工方法，都在De Garmo，Materials and Processes in Manufacturing，3rd edn.，(1969)，特别是在第16章，“Metal Cutting”中作了详细地描述。 对一个确定的机械加工方法的生产率的衡量，是通过在一定的时间内，从工件上切掉的金属总量来确定的。为此，很多材料都曾被用作或被建议用作切削刀具，通常把这些材料分为工具钢，高速钢，非铁铸造合金，硬质合金和陶瓷(这里金钢石也有一些特殊的应用)，衡量切削刀具性能的参数有切削速度，切削深度，进给速度以及刀具耐用度。先有技术中每种切削工具材料都缺少一种或多种这些性能参数。工具钢，高速钢以及非铁铸造合金全都有临界温度的限制，这就限制使它们的切削速度在相当低的水平，这个速度是用每分钟呎(fpm)或每分钟米(m/min)来度量的，典型的高速钢刀具切削钢的深度限制到100-225fpm(30-70m/min)的范围内，切削有色材料切削速度被限制在250-300fpm(75-90m/min)范围内。有色铸造合金刀具可在比这种切削速度高达近两倍的条件下工作，碳化物材料，例如碳化钨，使钢的切削速度提高一至四倍，特别是用碳化物涂层刀具时更是如此。但是，碳化物不如钢那样具有韧性，而且对冲压破坏敏感。这就严重地影响它们在有冲击因素作用条件下，例如在进行间断切削或在加工硬工件时的应用。 人们发现陶瓷材料，例如氧化铝、可用来生产切削刀具，该刀具能在比常规刀具和碳化物刀具更高的切削速度条件下操作。例如，据报道，其切削的切削速度为500-1400fpm(150-430m/min)。但是，陶瓷刀具的耐用度还有严重的问题。因为陶瓷甚至比碳化物更脆，也更缺少韧性。当陶瓷材料经受冲击时，它那种预料不到的，而且是灾难性的断裂倾向是特别令人担心的，因此，当陶瓷材料刀具切削速度很高时，只可能在十分低的进给速度的条件下使用它们，即在大大低于使用钢制和碳化物制切削刀具时的进给速度下使用。 人们还发现，所有技术的切削工具的生产率都相当低，该生产率随切削速度和进给速度而变化。钢和碳化物刀具，虽然它们有较高的进给速度、但切削速度相当低，相反地，陶瓷刀具、虽然它们具有较高的切削速度，但只能在进给速度相当低的条件下工作。因此，以在一定的期间内切除金属总量来确定其生产率。与所使用的切削刀具的种类是关系不大的。 在涉及使用各种陶瓷作为切削刀具的参考文献中，包括授予Iycri et al等的美国专利4，543，343号，该专利对氧化铝、氧化锆及碳化钛与硼化钛组成的陶瓷切削刀具作了描述。 还有一些说法;碳化硅纤维增强陶瓷能用于各种机器零部件，使用的例子包括热交换器，模具，管咀，涡轮，阀门以及齿轮，请参看日本专利59-54680，及59-102681号。但这些公开的文献对这里描述的切削刀具的专利技术是无特殊关系的。因为这些零件并不像那种工作环境下的零件，承受冲击应力，在上述的文献中，既没有提及对韧性冲击阻抗的改进，也没有表现对这些性质的性趣。 这里还公开了陶瓷的断裂韧性可以通过在陶瓷中混入氮化硅晶须而得到改进。在Becher和wei的两篇文章中，描述了提高韧性与晶须含量及取向的关系机理，见“Toughening Behavior is SiC Whisker Reinforced Alumina”，Comm.Am.Cer.Soc.(Sept.，1984)和“Transformation Toughened and Whisker Reinfored Cer amics。”，Soc.Auto.Engrs.Proc.21st Auto.Tech.Dev.Mtg.，201-205(Mar.，1984)。但是这些文章只涉及其热应用和挠曲应用，而没有任何关于机械加工的内容。因此最好能有这样一种刀具，它既能在陶瓷所达到的高切速度下工作，同时又能允许在钢和碳化物所达到的高进给速度下工作。这样的刀具将会达到比任何先有技术刀具更高的生产率。 最笼统地说，本专利技术是一种切削刀具，该切削刀具是由在陶瓷基体中到处分布着陶瓷晶须强化物的混合物组成的。 在最佳实施方案中，陶瓷基体包括氧化铝，或者是纯的，或者加一些改进材料夹杂物。可代替陶瓷基体的材料包括氮化硅，它也可以加一些改进组分。 最好的增强陶瓷晶须是碳化硅晶须，其它可能合适的晶须包括氧化铝氮化铝，氧化铍，碳化硼，石墨及氮化硅。任何一种刀具中的晶须强化物，当然必须是一种与陶瓷体相适应的材料，而且它能与基体形成足够的强化粘合。 在陶瓷基体中晶须含量为2～40%(体积)我们发现含有25%体积碳化物晶须的配方，是一种特别出色的切削刀具材料。 图1和图2示出了本专利技术的切削刀具和常规切削刀具在平面磨削过程中所得到的比较结果。 切削刀具代表了独一无二的，高度专业化的工业种类，切削刀具的几何形状，使得强大的切削应力局部集中在刀具的刀刃上。使工件变形和产生切屑所需要的功以及在切屑和切削刀具表面之间的摩擦，都使切削刀具中产生相当大的热量，工件的性质，例如它的延性或硬度，都能更进一步激化切削刀具所承受应力和切削温度，同时，切削刀具还承受程度不断变化的冲击，特别是进行间歇式切削时，但也决定于产生的切屑是带状的还是非带状的，关于工作条件的种类的详细讨论，以及各种刀具几何形状的描述都可在前述的De Garmo参考文献中找到。把切削应力，温度及冲击严格的，独特的结合在一起，来决定适合于用作切削刀具的材料，这与决定作其它工业产品的材料，例如热交换或齿轮，有较大的不同。 本专利技术所依据的事实是，将确定含量的陶瓷强化晶须结合到一种陶瓷基体中去而产生一种切削刀具结构，它不仅保持了先有技术中的非增强陶瓷的那种高切削速度，而且意外地发现这种陶瓷可在较高进给速度条件下工作，此进给速度以前只有用钢和碳化物才能获得，而且甚至是在大大减小切削速度的代价下才能得到。 能形成切削刀具的陶瓷基体可以是以前发现的，在非强化条件下任何用作切削刀具的陶瓷材料。它们中最重要的一种就是氧化铝。氧化铝可以单独使用(即不含有其它材料，除了那些被承认的杂质外)，或者也可以结合或加入少量的韧性成分，例如氧化锆，氧化钇、氧化铪、氧化镁，氮化硅以及碳化钛或它们的混合物(其加入量约小于30%)，上面引证的Becher et al SAE的文章指出了典型含氧化锆可高达30%(体积)的混本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切削刀具，该切削刀具是由一种混合物组成，该混合物包括在陶瓷基体中到处分布着含量为２～４０％（体积）的陶瓷晶须强化体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯F霍迪斯，查斯特J德茨德茨克，罗纳德L比蒂，
申请(专利权)人：高级合成材料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]