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陶瓷刀具范文1
关键词：金属陶瓷刀具；切削淬火钢；磨损机理；单元素；切削实验 文献标识码：A
中图分类号：TG714 文章编号：1009-2374（2015）05-0083-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.0373
金属陶瓷作为一种在刀具生产当中广泛运用的材料，经常用于铸铁与钢材的加工。不仅如此，金属陶瓷还经常用于干切削，刀削面的温度通常较高，当中的强度与硬度必须有相应的平衡。目前陶瓷金属摩擦损伤的研究在摩擦领域当中是重点研究的课题之一。淬火钢在金属切削的实验当中，硬度与强度均是9A级，属于比较难切削的材料之一，对陶瓷金属进行切削实验的研究，可以让陶瓷金属的实用价值提高。本文当中使用的真空加工形成的陶瓷金属刀片，对其进行了单元素的切削实验，并对其中的问题作出阐述，从而找出解决的办法。
1 实验
实验当中所使用刀具的材料为Tinc-Tin-MO2系金属陶瓷，主要的成分为Tic粉与Tnc纳米结合物，使用常见的真空烧制工艺，然后再将刀片放入到打磨机床当中进行加工，最终形成刀片。
切削实验是在C012sxs号机床上进行的。实验刀片的型号为SUNM5122，刀片的安装角度为d=45°，y=0°，a=6°，r=-6°。采用多重切削的方式。检测实验过后刀片的磨损值。被切削材料的淬火钢硬度为56与66HRC之间。
使用Jda-5700lc观察镜观察刀片磨损后的表面形态，同时使用Naosh-694A能谱仪对刀片表面进行全方面的分析，最后将刀具放入到Ksoini648电子定点仪当中，对刀具面与点进行统计分析，工作的电压不能超过16kV。
2 实验结果与分析
2.1 切削实验
通过实验结果得到的数据来看，具有纳米复合金属的刀具在初期阶段的磨损规律是相同的，随着时间的延长，刀具的磨损率会渐渐加大，从正常磨损阶段转换为疲劳磨损。另外，当磨损速度加快的时候，刀具的耐磨度会大打折扣，最后总让刀具的表面失效。随着进量的加大，刀具的耐磨度比实验初期的耐磨度有所降低，当S=0.26mm/r情况下，刀具磨损表面会产生明显的初期磨损现象，当S=0.53mm/r时，刀具表面的曲线会呈现一线型曲线，这个时候刀具表面就开始进入了疲劳磨损期。当刀具切削度增加时，刀具表面不会出现明显的初期磨损现象，但是刀具的耐久度会快速下降。
图1
图1是通用合金刀片YT15与TN20的切削性能的对比图。从对比图当中我们可以很清楚地看到，切削实验当中的淬火钢金属陶瓷刀片NM在切削性与耐磨性方面有很好的效果。当切削时间到达122min时，金属陶瓷刀片最佳的磨损值为0.2，可以明确看出对比刀片的磨损值较低。YT15的耐久度为17min，TN20的耐久度为9min，当YT的磨损值达到临界点过后，最终成为崩刃，因此这就说明了纳米复合金属陶瓷刀片在淬火钢方面有良好的表现。
2.2 SEM技术与EPMA技术的分析
为了对纳米金属陶瓷刀具的切削性能进行探究，使用SEM与EPMA技术对刀具材质的本身进行了详细的分析。当实验切削用量为V=32m/min，f=0.22mm/r，a=1mm的时候，实验刀具的前面与后面均会出现SEM磨损类型，刀尖处处于高度SEM形貌。作者从实验得知，纳米复合金属陶瓷刀片淬火实验蛀牙的磨损部位是刀尖处，在刀面向的磨损会过渡失效，并且受到磨损的刀面会呈现凹凸状，刀尖处受到挤压变形的痕迹很明显，距离刀口189pm的地方出现了一到裂纹。从这里我们可以知道，纳米复合金属陶瓷刀具在受到挤压变形后会严重
失效。
Ti、Mo、W、Ni这四种元素是刀具表面磨损过大时才会生产的元素，裂痕与刀面的受损面积保持一致，为刀具的碳合金元素。在裂纹集聚区当中仍然可以检测到Fe、Mn金属元素的分布，那么就可以断定Fn、Mn金属元素在接受淬火实验时发生了裂变，一个整体的元素模块向刀具周围散开，在实验当中发生了粘附磨损。为了进一步确定实验数据的正确性，对上图当中的各项磨损现象进行了线形分析，通过实验看到各项数据都与实验预期效果相同，各项数据都相对的温和。
2.3 磨损机理分析
2.3.1 强压下的压力变形。刀具在进行切削作业的时候，刀前面与刀背面的最高压力点都不在刀尖上，而是在离刀尖有一段的地方，这种情况是由于切削热量沿着刀面不断延伸，再加上切削滞留层的影响。淬火钢由于硬度比一般的钢材都高，当中会产生多次阻碍摩擦，阻碍摩擦的热量相当的高，通过刀具的切削层传入刀面，最终让刀具产生巨大的热量。
淬火钢的硬度为52～55HRC，远远高于正火钢的硬度，不仅如此，淬火钢的马氏金组织，抗变形能力较好，当切削形成的时候使用自身的抗变形能力来发出大量的能量，切削的力度比正火钢的切削力度多了37%，再加上马氏金材料的特性，整体钢材硬度约为正火钢
的55%。
2.3.2 粘附磨损机制。当纳米复合刀具在切削淬火钢的时候，刀具表面的温度会高达1000℃，在这样高的温度下，Ni元素的扩散面更广，速度也相对较快，使得刀具表面的硬度相当于刀具表面粘附度，从而形成了有力的磨损环境。在高温的环境下，淬火钢的导热系数较低，刀具当中的摩擦热量主要发生在刀具的中下层，使得刀具中下层发生较大塑性现象，由于对刀具上层的影响效果不大，因此在刀具的上层发生了较大的温度值与硬度值。而刀具当中产生的切削运动和摩擦运动当中产生的硬度与温度的变化，是刀具粘附磨损的基本条件。由于刀具底层温度的特性，使得当中的Fe奥式形体晶块的力方面与fcc晶块的y-ce相同，让两者之间的尺寸差异较小，电子模块的整体结构相当，从而使刀具的亲和力加大。
3 结语
总结全文给出的信息来看，真空工艺烧纸的纳米复合陶瓷金属刀具在切削淬火钢方面有很好的效果，刀具的使用耐磨度与切削效果都比较高，远远优于YT15与TN20钢材的刀具。
参考文献
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[2] 何光春.基于FEM的纳米TiN改性金属陶瓷刀具的切削性能研究[J].组合机床与自动化加工技术，2011，15（6）.
陶瓷刀具范文2
关键词：情绪导向；陶瓷餐具设计
1 引言
情绪种类丰富，如喜悦、愤怒、难过等，这与人的心理需求有关。包含了“情绪”的街头采访“你幸福吗？”红极一时，“情绪”也是影响设计师设计的重要因素。在现代，设计师需要把目光更多地关注在陶瓷餐具对使用者的情绪导向方面，从感性和理性的角度进一步思考，分析使用者在使用陶瓷餐具时触发的情绪来获得设计灵感。情绪化导向的陶瓷餐具设计是一个饶有意义的出发点，能填补设计的空缺，更好地拓展陶瓷餐具的设计方向。
2 何为情绪导向
情绪表现的是人们内心的情感，是对产品的第一直观感觉，是重要的、直观的、短暂的，可以引起人们的内心情感共鸣。
现代生活节奏快，社会竞争压力大，人们在用餐过程中的每一件用餐物品的形状、使用都会引发我们的情绪触动，留下它们的使用记忆。陶瓷餐具已不再是单一的产品，也不只是停留在“可用”的层面上，而是越发重视使用者用餐体验中的情绪问题。这一现象也反映在陶瓷餐具设计领域，人们在使用陶瓷餐具的过程中更希望产品能带来愉快的生活体验，消除消极的情绪。
因此，在现代陶瓷餐具设计中，我们需更多的重视使用者的心态，了解使用者对于陶瓷餐具的情感需求，通过对情绪导向设计的探索，巧妙地运用到现代设计中，用陶瓷餐具体现情绪，把握情绪，优化情绪，从而得到用餐者的认可和喜爱。因此，分析陶瓷餐具设计的“情绪”表达方式，判断陶瓷餐具设计的方向，构建陶瓷餐具情绪化设计的特征，形成个性化的设计思路，推进情绪设计在陶瓷餐具产品设计中的发展，赋予陶瓷餐具装饰独特的品味和个性，成为现代陶瓷餐具装饰的又一种设计发展趋势。
3 基于情绪导向的陶瓷餐具设计定位
情绪是人们直观的生理反映，使用者在使用陶瓷餐具时会有或高兴、或满足、或喜悦、或焦虑、或愤怒的情绪，设计师需要从多角度考虑用户的感受和情绪，来明确自己对于陶瓷餐具的情绪设计需求，及时调节用餐者的情绪。
3.1 基于情绪导向的合理化陶瓷餐具造型设计
陶瓷餐具具有材质细腻、轻薄、胎体坚韧耐磨、成分健康等优点，深受使用者喜爱。陶瓷餐具的功用造型有碗、碟、盘、勺、锅、罐等，不同的造型承载着不同的文化内涵与情绪。
陶瓷餐具造型设计的评判标准是看是否使用方便，能否给使用者带来好的用餐体验。可见，造型是陶瓷餐具设计情绪导向的先决条件，直接影响到陶瓷餐具使用者的情绪。因此，陶瓷餐具的设计首先需要考虑到使用者的使用方式是否与餐具的造型特征一致，应从多方位、多角度考虑，如人的年龄层次、饮食结构等对造型进行区分设计，进一步考虑到用餐方式、容量，来设计出适用的陶瓷餐具，引导用餐者的用餐情绪；其次是要考虑到造型的弧度、高度等方面是否在使用过程中顺手好用，陶瓷餐具直接与食物接触，在强调造型线条流畅的基础上，需注意无尖锐的棱角设计，减少死角，便于清洗，若造型设计死角、棱角过多会影响抓握或者清洗，会在使用体验上大打折扣；再次，从安全的角度考虑，陶瓷餐具应该避免因造型设计不当而引起的意外伤害，减少在使用过程中的损坏几率，在使用中感受到安全舒心；最后，也可尝试加入个性的造型装饰，赋予产品更多的寓意，给人们足够的想象空间，给使用者带来一种新颖的视觉心理感受。
由此可见，优美流畅的造型，适时的角度设计，会直接影响到使用者的情绪感受，在符合我国传统的设计理念和文化内涵的同时，给使用者带来心情的愉悦和进餐的快乐。
3.2 基于情绪导向的个性化陶瓷餐具视觉装饰设计
古语云：“美食不如美器”。在购买和使用陶瓷餐具的时候，人们不再仅局限于对陶瓷餐具使用性的需求，而是更加注重美的视觉装饰效果。
然而，现今大多数陶瓷餐具装饰设计过于单一，忽视了陶瓷餐具的视觉情绪因素，给人一种冰冷乏味的感觉，这在一定程度上阻碍了陶瓷餐具的设计发展。因此，设计师应该在分析其造型形式要素的基础上，增加装饰图形、色彩等方面的考虑，对陶瓷餐具进行适度、有效的装饰设计规划，对陶瓷餐具的空间及细节进行装饰设计处理，增强整体的装饰美化效果和视觉形式美感，给使用者带来视觉上享受的同时，增加情绪上的舒适美感。
由此可见，陶瓷餐具在装饰设计上需从两个方面入手：其一是图形纹饰。合适的图形纹饰能够给人带来赏心悦目的感觉，带来积极的情绪体验。如大型成套餐具可以加入故事的元素，使整套陶瓷餐具装饰设计不仅具有视觉连贯性，同时也具有文化色彩和人文情怀。又如，儿童具有强烈的好奇心和丰富的想象力，在选用装饰图形的过程中，应偏向于选用更为活泼可爱的卡通趣味性的图案，突出童趣，提升儿童陶瓷餐具的艺术品味，给儿童带来一种积极的用餐感受；其二是色彩的表现。色彩是人的“第一视觉”，人们在不同的色彩环境下有不同的情绪变化。当人们处于红色的环境背景下，心跳会加快；而处于蓝色环境背景时，会表现得较为平静，可见，色彩直接影响着人们的情绪表达。因此，陶瓷餐具设计可以在一定程度上巧妙运用陶瓷釉色的色彩，唤起人们在就餐过程中的积极情绪，提升人们的用餐兴趣。此外，也需要考虑到陶瓷产品色彩设计的时代趋势，考虑到这个时代人们对时尚色彩的爱好倾向，利用陶瓷餐具的陶瓷釉彩设计来表达并展示人们对于用餐产品的美学追求，提升其艺术价值，带给人们更多的视觉享受。
3.3 基于情绪导向的人性化陶瓷餐具的功能设计
一件成功的产品设计，应“形式服从功能”。因此需要在满足基本功能的基础上，在使用过程中找到新功能设计的突破口，来进一步满足对陶瓷餐具的功能情绪需求，更好地达到食与器的统一。例如，人们在就餐过程中，陶瓷餐具的摆放方式及数量可能会受到摆放面积的限制，这就需要将陶瓷餐具进行组合摆放，可以在一定程度上提升空间的利用率，避免空间浪费。或将其拼合成另一种造型，能在赋予餐具多样化的视觉情绪乐趣，提高餐具与人的互动，享受使用过程。又如，陶瓷餐具使用后需要有一定的收纳空间，以节省空间为目的，需考虑到如何更便捷地收纳碗、盘，改变餐具的放置方式，加强陶瓷餐具的纵向组合方式，强化收纳功能，协调形态与功能的关系，带来更好的使用体验。
总之，陶瓷餐具的设计也越发倾向于多元化的发展，需要更多地加入情绪化设计，用更优美的造型、丰富而富于意蕴的装饰元素、细腻柔和的质地、温润的光泽质感，使陶瓷餐具不仅赋予人们赏心悦目的视觉美感，同时更多地关注人们的使用情绪感受，进一步提升陶瓷餐具的设计追求。
参考文献
[1] 王俊民. 基于情绪导向的设计研究―80后电子休闲产品的开 发[D].湖南：东华大学，2008.
[2] 唐莎. 基于缓解不良情绪的药品包装设计研究―以儿童OTC 药品包装为例[D]. 湖南：湖南工业大学，2014.
[3] 马丽媛.基于中国饮食文化的中式特色餐具设计研究[J].包装 工程，2014（3）.
陶瓷刀具范文3
关键词：高速切削刀具；数控加工；应用
一、高速切削技术和高速切削刀具
目前，切削加工仍是机械制造行业应用广泛的一种加工方法。其中，集高效、高精度和低成本于一身的高速切削加工技术已经成为机械制造领域的新秀和主要加工手段。
“高速切削”的概念首先是由德国的C.S~omom博士提出的，并于1931年4月发表了著名的切削速度与切削温度的理论。该理论的核心是：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高，当到达某一速度极限后，切削温度随着切削速度的提高反而降低。此后，高速切削技术的发展经历了以下4个阶段：高速切削的设想与理论探索阶段(193l—l971年)，高速切削的应用探索阶段(1972-1978年)，高速切削实用阶段(1979--1984年)，高速切削成熟阶段(20世纪90年代至今)。高速切削加工与常规的切削加工相比具有以下优点：第一，生产效率提高3～1O倍。第二，切削力降低30%以上，尤其是径向切削分力大幅度减少，特别有利于提高薄壁件、细长件等刚性差的零件的加工精度。第三，切削热95%被切屑带走，特别适合加工容易热变形的零件。第四，高速切削时，机床的激振频率远离工艺系统的固有频率，工作平稳，振动较小，适合加工精密零件。
高速切削刀具是实现高速加工技术的关键。刀具技术是实现高速切削加工的关键技术之一，不合适的刀具会使复杂、昂贵的机床或加工系统形同虚设，完全不起作用。由于高速切削的切削速度快，而高速加工线速度主要受刀具限制，因为在目前机床所能达到的高速范围内，速度越高，刀具的磨损越快。因此，高速切削对刀具材料提出了更高的要求，除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还应突出要求高速切削刀具具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。高速切削技术的发展在很大程度上得益于超硬刀具材料的出现及发展。目前常用的高速切削刀具材料有：聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷、Ti(C，N)基金属陶瓷、涂层刀具fCVD)~超细晶粒硬质合金等刀具材料。
二、高速切削刀具的发展情况
金刚石刀具材料。金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。然而，由于天然金刚石价格昂贵，加工焊接非常困难，除少数特殊用途外，很少作为切削工具应用在工业中。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气钎焊金刚石技术，使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简单，因此在超精密镜面切削的高技术应用领域，天然金刚石起到了重要作用。
立方氮化硼刀具材料。立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料，是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超材料——CBN微粉。立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料。虽然CBN的硬度低于金刚石，但其氧化温度高达1360℃，且与铁磁类材料具有较低的亲和性。因此，虽然目前CBN还是以烧结体形式进行制备，但仍是适合钢类材料切削，具有高耐磨性的优良刀具材料。CBN具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能，因此特别适合加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。PCBN刀具是能够满足先进切削要求的主要刀具材料，也是国内外公认的用于硬态切削，高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料。PCBN刀具主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料。PCBN刀具已为国外主要汽车制造厂家各条生产线上使用的新一代刀具。
陶瓷刀具。与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10～20倍，其红硬性比硬质合金高2～6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷刀具材料的强度低、韧性差，制约了它的应用推广，而超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究为其发展增添了新的活力。陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具，在生产中有美好的应用前景，目前已引起世界各国的重视。在德国约70%加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～l0%。
涂层刀具。涂层材料的发展，已由最初的单一TiN涂层、TiC涂层，经历了TiC-112o3-TiN复合涂层和TiCN、TiA1N等多元复合涂层的发展阶段，现在最新发展了TiN/NbN、TiN/CN，等多元复合薄膜材料，使刀具涂层的性能有了很大提高。硬质涂层材料中，工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。(氮)化钛基硬质合金(金属陶瓷)金属陶瓷与由WC构成的硬质合金不同，主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、Mo等构成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金而低于陶瓷材料，横向断裂强度大于陶瓷材料而小于硬质合金，化学稳定性和抗氧化性好，耐剥离磨损，耐氧化和扩散，具有较低的粘结倾向和较高的刀刃强度。
三、高速切削刀具的具体应用情况
理想的刀具材料应具有较高的硬度和耐磨性，与工件有较小的化学亲和力，高的热传导系数，良好的机械性能和热稳定性能。理想的刀具使得高速硬切削能够作为代替磨削的最后成型工艺，达到工件表面粗糙度、表面完整性和工件精度的加工要求。硬质合金刀具具有良好的抗拉强度和断裂韧性，但由于较低的硬度和较差的高温稳定性，使其在高速硬切削中的应用受到一定限制。但细晶粒和超细晶粒的硬质合金由于晶粒细化后，硬质相尺寸变小，粘结相更均匀地分布在硬质相的周围，提高了硬质合金的硬度与耐磨性，在硬切削中获得较广泛应用。
陶瓷刀具和CBN刀具是在高速硬车削和端面铣削中最常用的刀具。它们所具有的高硬度和良好的高温稳定性，使其能够承受在硬切削过程中高的机械应力和热应力负荷。与陶瓷刀具相比，CBN刀具拥有更高的断裂韧性，因此更适合断续切削加工。为保证工件较高的尺寸精度和形状精度，高的热传导率和低的热膨胀系数也应是刀具材料所应具有的重要性质。因此，具有优良综合性能的CBN刀具是最适合用于高速硬切削的刀具。聚晶金刚石刀具的硬度虽然超过立方氮化硼刀具，但即使在低温下，其对黑色金属中铁的亲和力也很强，易引起化学反应，因此不能用于钢的硬切削。
一般而言，PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属材料及其合金和非金属材料的高速加工；而CBN、陶瓷刀具、涂层硬质合金刀具适合于钢铁等黑色金属的高速加工。故在模具加工中，特别是针对淬硬性模具钢等高硬度钢材的加工，CBN刀具性能最好，其次为陶瓷刀具和涂层硬质合金。
结论
高速切削技术的问世改变了人对传统切削加工的思维和方式，极大提高了加工效率和加工质量。而高速切削与模具加工的结合，改变了传统模具加工的工序流程。高速切削刀具作为高速切削技术的关键，随着技术的不断完善，将为模具制造带来一次全新的技术革新。
参考文献
[1]韩福庆高速切削刀具材料的开发与选择[J]化学工程与装备2008
[2]周纯江叶红朝高速切削刀具相关关键技术的研究[J]机械制造2008
[3]范炳良林朝平基于高速切削刀具锥柄系统的分析与研究[J]机械设计与制造2008
[4]马向阳李长河高速切削刀具材料[J]现代零部件2008
陶瓷刀具范文4
关键词：金属切削刀具；发电企业
Abstract ：The electric power industry development is rapid, with all kinds of new materials is constantly, the original generating equipment used in the processing of the conventional metal cutting tool already lags behind, cannot satisfy new material processing need. This paper, from the metal cutting tool of the power equipment repair influence perspective, probes into the present tool use and the problems existing in the management and puts forward the power generation enterprise in order to strain the new material revolution, should be adopted the countermeasures in metal cutting tool of selection and management.
Keywords: metal cutting tools; power enterprises
中图分类号TG711
1目前发电设备检修中刀具应用问题及原因分析
1.1存在的问题原因分析
在目前刀具行业飞速发展的情况下，为什么许多高性能的刀具，在发电设备检修中没有得到应用呢？我认为有如下几个方面：
首先，现在的发电企业要么没有专门从事金属加工的专业，要么就是早期电厂中设置的机加工专业，但因所处大环境的限制，长期以来他们与机械行业几乎没有什么交往，对机械行业的发展情况了解不多，这方面的信息渠道也不畅通。另一方面，作为机械行业的科研和生产单位，他们也很难考虑到在电力行业还有这样一个“被遗忘的角落”，这就造成了专门从事发电设备金属切削加工的人员长期处于信息的“真空”状态，对新的技术及发展方向无法掌握，更不要谈应用了。
其次，受工作习惯和培养模式的影响。电厂对青工的培养模式基本上都是指定专人，以师带徒的形式，师傅教什么，徒弟就学什么，师傅使用什么样的刀具，徒弟也必然就用什么刀具。第三，从事机加工技术管理的人员对这种情况也没有足够的重视。在思维上也受长期以来使用习惯的影响，沿用几十年来的工作方法和思维方式，对现状没有考虑过要去改变。
1.2我国目前金属切削刀具材料的发展现状简介
近十年来，随着高强度钢、喷涂材料、高温合金钢等难加工材料以及复合材料的应用越来越广泛，刀具材料也进入了一个飞速发展的阶段。我国在刀具材料的开发方面也取得了长足的进步，开发出了包括CVD金刚石薄膜在内的涂层刀具和厚膜金刚石刀片、Ti基硬质合金（金属陶瓷）、梯度结构硬质合金和聚晶立方氮化硼（PCBN）、超细晶粒硬质合金等各种新型的刀具材料，并可实际应用于高速切削等加工场合。下面作一简单介绍。
2我国目前金属切削刀具材料的发展现状简介
近十年来，随着高强度钢、喷涂材料、高温合金钢等难加工材料以及复合材料的应用越来越广泛，刀具材料也进入了一个飞速发展的阶段。我国在刀具材料的开发方面也取得了长足的进步，开发出了包括CVD金刚石薄膜在内的涂层刀具和厚膜金刚石刀片、Ti基硬质合金（金属陶瓷）、梯度结构硬质合金和聚晶立方氮化硼（PCBN）、超细晶粒硬质合金等各种新型的刀具材料，并可实际应用于高速切削等加工场合。下面作一简单介绍。
2.1高速钢刀具
高速钢（HHS）是一种在高合金工具钢加入了较多的钨、钼、钴、铬等合金元素形成的一种材料。因高速钢在强度、热硬性、工艺性等方面具有较好的综合性能，而且高速钢刀具具有制造工艺简单、易刃磨、能锻造的特点，这些特点对形状复杂及大型成形刀具非常重要，所以复杂刀具的制造中，高速钢仍占主要地位。主要有以下几种：超硬熔炼高速钢、粉末冶金高速钢、涂层高速钢等。
2.2硬质合金刀具
硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉未冶金的方法制成的。由于硬质合金成份中都含有大量金属碳化物，这些碳化物都有在熔点高、硬度高、化学及热稳定性好等特点。因此，硬质合金的耐磨性、硬度、耐热性等都很高，其切削性能比高速钢好，刀具的耐用度可提高几倍到几十倍。
2.3陶瓷刀具
20世纪初，德国与英国已经开始寻求采用陶瓷刀具取代传统的碳素工具钢刀具。陶瓷材料具有高硬度与耐高温特性，所以它很快就成为新一代的刀具材料。但陶瓷也有一大缺陷，就是脆性，于是如何克服陶瓷刀具材料的脆性，提高它的韧性，成为近百年来陶瓷刀具研究的主要课题。陶瓷刀具材料分为三大类。氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、氮化硅—氧化铝复合陶瓷。
2.4立方氮化硼刀具（CBN）
它适用于加工68HRC以下的钢铁件和各种喷涂堆焊材料，完全可以实现以车代磨。立方氮化硼刀具有两种：整体聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）和立方氮化硼复合刀具。
3刀具的使用和管理对策
面对竞争越来越激烈的电力市场，缩短消缺或检修时间，赢得的就是效益的提升。而为了不让金属加工成为“卡脖子”工程，就要舍得投入。据资料显示，机械加工行业中占生产成本3%的刀具的投入，将带来生产效率20～30%的提高。采用先进刀具，适当增加刀具的投入，是提高生产效率的有效手段，这已逐渐成为大家的共识。在电力行业中，一方面是新材料的大量使用及对精度要求的不断提升，另一方面，大量使用的仍是七十年代的刀具，有时面对新的材料显得束手无策，这对生产必将有很大的影响，。我认为应从以下几个方面做工作。
3.1领导者应重视与支持。不能因为一些特殊材料的刀具不常用，价格又贵，就给“枪毙”了。实际上各种不同性能的刀具都应有一定的储备，刀具储备确实会带来生产成本的提高，但如果缺少了某种刀具，而生产上正好又急需，就束手无策了，这样造成的损失将是巨大的，反之，如果储备了这种刀具，带来的效益也将是巨大的，这样的情况基本上每个企业都遇到过。
3.2加大培训力度，改进培训方式，我们强调刀具的重要性，并不是说刀具就是万能的，有了好的刀具就可以解决一切问题，我们更应着重的还是人，是能够正确熟练掌握各种刀具性能的技术工人。我们所说的“好刀”有两层含义，一是指能加工某些超强、超硬及其它一些难加工材料的特殊刀具，二是某种刀具针对某一种材料而言，是最适合的选择，那么，它就是加工这种材料最好的刀具。金刚石是目前世界上最硬的刀具材料，但并不是说它就是万能的，可以加工一切材料，相反，对我们天天面对的钢铁材料而言，它却无能为力，因为金刚石中的C在高温下极易与钢材中的Fe发生反应。所以，我们提倡“因材选刀”，这就需要我们具备相关的知识。
3.3应加大与机械行业的密切联系，及时获取各方面的信息。随着切削加工技术的进步，面对日新月异的刀具材料，以及不断涌现的各种加工难题，我们很难及时正确地选择和应用工具制造行业的新成果。所以我们应与一些刀具的科研及生产单位保持长期的联系，更要到刀具的使用单位特别是发电设备的制造企业去收集资料。因为即使是相同材料的刀具，不同的生产厂家，其质量也会有相当大的差别，特别是现在许多中小乡镇企业都在生产刀具，其质量差异相当大。
3.4要选好用好管好刀具。应要针对电力行业的特点，有针对性地选择刀具。要做到这一点，首先要摸清本单位设备所用材料及电力设备材料的发展变化。在刀具材料上，目前电力企业所用刀具仍应重点使用高速钢和硬质合金，因为这是适用范围最广、使用最多的刀具材料，对大多数材料而言，它们是非常适合的选择，平时约95%以上的工作这两种刀具材料都能胜任，机械加工人员对其性能也比较熟悉。在此基础上，选择一些针对本单位特殊材料特点的刀具，如陶瓷刀具、立方氮化硼等超硬材料刀具。在刀具的种类上，应根据本单位机床设备的特点及各工种工作量的大小，对不同种类的刀具数量按一定比例储备。
综上所述，我们正处于制造技术快速发展的时期，在发电设备中难加工材料的不断出现，给设备检修带来难题，不仅使切削效率低，而且刀具寿命短，加工的矛盾将更加突出。所以我们要更新观念，加大对刀具的投入，适当储备，充分利用刀具在提高效率、降低成本、缩短工期中的作用，更好地为电力生产服务。
参考文献
1吴大维：氮化碳超硬涂层材料在高速钢刀具上的应用。工具技术，2000年增刊
陶瓷刀具范文5
关键词：硬切削；CBN(立方氮化硼)刀具；热传导率
中图分类号：TG713文献标识码:A
耐磨性要求较高的零部件往往使用表面进行过淬火处理的淬硬钢。在对这种淬硬钢进行表面切削加工时，如果使用导热性差的Si3N4陶瓷刀具,由于其导热性差,同时切削的淬硬钢的硬度又非常高,会导致很高的切削温度[1]。因此高速切削加工中不宜使用导热性差的陶瓷刀具或其他的刀具。在现代先进的切削加工中常常使用硬度仅次于金刚石,且在切削刀具当中有较高的热传导率的CBN(立方氮化硼)刀具。
但是,切削加工而成的材料多用于要求严格的环境当中,因此对加工后的零部件要求具有很好的表面质量。众所周知，淬硬钢加工后的表层会形成与母材所不同特性的加工变质层的，即使是在使用CBN刀具的淬硬钢的加工中也会形成叫做白层的加工变质层[2]。虽然这种白层的硬度高，但是质地脆，容易剥落，因此，应力求尽可能地不要使其生成。
有关学者对这种白层在限定切削条件下的影响[3]和它的组织以及机械特性进行过研究[4]，但并不涉及切削刀具的各种特性与切削温度之间关系的系统研究。
1实验装置以及实验方法
在本实验中,CNC(计算机数字控制)车床的卡盘上安装了扩孔车刀,在刀台上对固定住的圆筒形的淬硬钢（SCM415）的内圆面进行切削。刀具的后刀面的切削温度使用光纤维耦合器型的2色温度计测量[5]。这种温度计是通过检测出波长范围不同的两个光电变换素子的输出比来换算成温度的,因此可以不受测定对象的辐射率的影响。切削中的刀具刀尖在穿过被切削材料穿出的小孔的下面的时候,安装在小孔内的光纤维会接收到刀具的后刀面的辐射的红外线。
实验所用工件的材料是SCM415，淬硬处理后表面硬度为650HV。使用刀具为热传导率不同的3种CBN工具，两种表面涂层工具和1种陶瓷工具。在每一种类的刀具里，准备有后刀面平均磨损(VB)为0，0.05mm，0.1mm三种不同的刀具，以便于讨论在不同的磨损状态下刀具特性对切削温度的影响。切削速度在100m/min到200m/min之间，进给速度是0.08mm/rev，切削深度是0.2mm保持不变。表1表示了刀具的化学成分和热传导率，从表中可以得知，刀具CBN3的热传导率最高，陶瓷工具的最低。
2实验结果
图2中，显示了在使用不同热传导率的工具的情况下刀具的后刀面温度的测定结果。无论是哪个工具，切削速度越快切削温度就变得越高。另外还表明刀具后刀面的磨损程度越高，切削的温度也变得越高。
CBN工具和陶瓷工具试验对比表明，热传导率高的CBN工具的刀具，其后刀面温度较低。3种CBN工具虽然材质相同，但结合材料和CBN的粒子的比例不同，热传导率也不同。试验结果同样显示热传导率高的刀具，其后刀面温度低。另外，通过实验也了解到热传导率越小，在刀具的后刀面的摩擦损耗越大的情况下，切削速度的增加会使刀具的后刀面的温度有较大幅度的上升。
3结论
在本研究中，使用光纤维耦合器型的2色温度计测量了硬钢切削时后刀面的温度，对刀具的热传导率、材质对后刀面的温度的影响进行了研究调查，得出了以下的结论：
① 切削速度对刀具的后刀面的温度影响很大，高速切削会使刀尖的温度上升。
② 后刀面的磨损幅度越大，刀尖的温度就越高。
③ 刀具热传导率对其后刀面的温度有较大的影响，热传导率越高的，刀尖温度越低。
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陶瓷刀具范文6
关键词:氧化铝;刀具;透明陶瓷;纤维
1 Al2O3陶瓷性能简介
氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广、用途最宽、产量最大的陶瓷材料。
据研究报道,Al2O3有12种同质多晶变体[1],但应用较多的主要有3种,即α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3,这3种晶体的结构不同,故它们的性质具有很大的差异[2]。
(1) α-Al2O3
α-Al2O3是三方晶系,单位晶包是一个尖的菱面体,密度为3.96～4.01g/cm3 ,其结构最紧密、化学活性低、高温稳定性好、电学性能优良并且机械性能也最佳,在一定条件下可以由其它的两种晶体转换而来。
(2) β-Al2O3
β-Al2O3是一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物,密度为3.30～3.63g/cm3,它的化学组成中含有一定量的碱土金属氧化物和碱金属氧化物,并且还可以呈现离子型导电。
(3) γ-Al2O3
γ-Al2O3是尖晶石型立方结构,密度为3.42～3.47g/cm3。它的氧原子呈立方紧密堆积,铝原子填充在间隙中,这就决定了它在高温下不稳定、力学和电学性能差的缺陷,在科学应用中很少单独制成材料使用。但它有较高的比表面积和较强的化学活性,经过技术改进可以作为吸附材料使用。
在制备Al2O3原料方面,如果对于纯度要求不高的Al2O3,一般是通过化学方法来制备。以铝土矿为原料,通过烧结、溶出、脱硅、分解、煅烧等步骤,把铝土矿中的Al2O3成分溶解于氢氧化钠(NaOH)溶液中,将得到的偏铝酸钠(NaAlO2)溶液,冷却至过饱和态,加水分解就会析出氢氧化铝(Al(OH)3)沉淀,再将它煅烧即可得到Al2O3。但在制备高纯度Al2O3原料时一般采用有机铝盐加水热分解法、铝的水中放电氧化法、铝的硫酸盐和氨碳酸盐热分解法、铵明矾热分解法等[3]。目前国内外大多数学者都采用铵明矾热分解法,因为此方法制备的Al2O3纯度高、细度小(约1?滋m以下),且颗粒分布范围窄、团聚程度轻。
氧化铝陶瓷具有机械强度高、电阻率高、电绝缘性好、硬度和熔点高、抗腐蚀性好、化学稳定性优良等性能,而且在一定条件下具有良好的光学性和离子导电性。基于Al2O3陶瓷的一系列优良性能,其广泛应用于机械、电子电力、化工、医学、建筑以及其它的高科技领域,本文对Al2O3陶瓷在以上6个方面的应用进行了阐述。
2Al2O3陶瓷的应用
2.1 机械方面
Al2O3瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa,热压产品可达500MPa。Al2O3陶瓷的莫氏硬度可达到9,加上具有优良的抗磨损性能等,所以广泛地用于制造刀具、球阀、磨轮、陶瓷钉、轴承等,其中以Al2O3陶瓷刀具和工业用阀应用最广。
2.1.1 Al2O3陶瓷刀具
在金属切削过程中,刀具起着主导作用,由于刀具材料的性能不同,其切削性能相差很大。Al2O3陶瓷刀具由于具有硬度高、高温力学性能强、耐磨性能好、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点,大量应用于硬切割、高速干切割、超高速切割等一些难加工材料的切割[4]。Al2O3陶瓷刀具的最佳切削速度比一般的硬质合金刀具高,可大幅提高对不同材料的切削效率。随着科学工作者的大量研究,在制备陶瓷刀具中实现了对原料纯度和晶粒尺寸的有效控制,以及添加其它成分构成两相或以固溶体形式存在于基体之中的Al2O3基复合陶瓷和晶须增强陶瓷。这些技术弥补了纯Al2O3陶瓷的不足,从而提高了它的切削性能和耐用度[5]。
2.1.2 纯Al2O3陶瓷刀具
纯Al2O3陶瓷刀具是指仅含有少量氧化物的高纯Al2O3陶瓷,其中Al2O3的纯度大于99%。在纯Al2O3陶瓷中,可以添加ZrO2作为烧结助剂来提高它的断裂韧性[6]。目前普通烧结所制备的Al2O3陶瓷晶粒尺寸都在微米级,而细晶Al2O3陶瓷能够获得较高的强度和断裂韧性以及较好的高温性能,是制备纯Al2O3陶瓷刀具的理想材料。解决这一问题的有效途径是:制备出粒径尺寸在100nm以下单分散的α-Al2O3粉,利用纳米α-Al2O3的高活性,再运用先进的烧结技术在较低的温度下得到细晶Al2O3陶瓷[7],有时也可以加入MgO或Y2O3来抑制晶粒长大,起到细化晶粒的作用[8]。纯Al2O3陶瓷刀具高温性能、耐磨损性较好,但抗弯强度较低、抗冲击能力差,目前它越来越多被各种复合Al2O3陶瓷刀具所替代。
2.1.3 复合Al2O3陶瓷刀具
在复合陶瓷中,有几种复合方向:Al2O3-碳化物陶瓷刀具、Al2O3-碳化物-金属陶瓷刀具、Al2O3-氮化物或硼化物陶瓷刀具等。
Al2O3-碳化物陶瓷刀具,是在Al2O3中添加一定的碳化物(TiC、WC、TaC、NbC、Mo2C、Cr3C2等),以提高它的强度、耐磨性、抗冲击性以及高温性能等[9]。在添加物中,以添加TiC的应用最多,与纯Al2O3陶瓷相比,Al2O3-碳化物复合陶瓷的抗弯强度无论是在常温还是高温下都优于纯Al2O3陶瓷。此复合刀具适合于高速粗、精加工耐磨铸铁、淬硬钢及高强度钢等难加工材料。
Al2O3-碳化物-金属陶瓷刀具,它是在Al2O3中除了添加碳化物外,还添加少量的粘结金属(如Ni、Mo、Co、W等)[10],由于添加了金属,提高了Al2O3与碳化物的连接强度,改善了使用性能,此类陶瓷刀具适合于加工淬火钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、镍基和钴基合金以及非金属材料等。它是目前精加工冷硬铸铁轧辊的最佳刀具,并且可以应用于间断切削和有切削液的切削场合。
Al2O3-氮化物或硼化物陶瓷刀具,是在Al2O3中添加氮化物(如TiN等)的Al2O3-氮化物复合陶瓷刀具,具有抗氧化、抗热震性、耐高温高压、耐磨损等性能。其基本性能和使用范围与Al2O3-碳化物-金属陶瓷刀具相当,更适合于间断切削,但其抗弯强度和硬度比Al2O3-碳化物陶瓷刀具低,并且较低的韧性也一直是其得到进一步应用的瓶颈[11]。在Al2O3中添加硼化物(如ZrB2等)作为粘结剂制成的陶瓷刀具,由于其微观结构保持了硼化物的“三维连续性”,因此具有极好的耐冲击性和耐磨性[12]。
2.1.4 增韧Al2O3陶瓷刀具
增韧Al2O3陶瓷刀具是指在Al2O3基体中添加增韧或增强材料。目前常用的增韧方法有:ZrO2相变增韧、晶须增韧、第二相颗粒弥散增韧等。
ZrO2相变增韧是一种有效的增韧方式,当ZrO2在1150℃左右时发生相变时产生体积变化,在基体中诱导出许多裂纹,从而吸收其主裂纹尖端的大部分能量,达到增韧的目的。利用微米级或亚微米级ZrO2相变增韧Al2O3制成的Al2O3陶瓷刀具,可以有效改善刀具的断裂韧性[13]。
晶须增韧是利用晶须的加强棒作用,常用的晶须有TiC、SiC、Si3N4等。用晶须增韧Al2O3陶瓷刀具显示出更为优越的抗裂纹扩展能力和抗循环热震性能,它具有强度高、硬度高、导热性好等优点[14-15]。
第二相颗粒弥散增韧主要是利用弥散颗粒和基质材料膨胀系数和弹性模量的不匹配在材料内部形成残余应力,以达到增韧的目的。第二相颗粒一般使用SiC、TiC等,弥散增韧可以提高刀具的抗断裂性,从而使Al2O3陶瓷的韧性明显提高。
2.1.5 Al2O3工业用阀
目前,阀门种类繁多,氧化铝工业用阀常用的是旋塞阀、闸阀、截止阀、球阀等[16]。
旋塞阀:它广泛地应用于油田开采、输送和精练设备中,同时也广泛用于石油化工、煤气、天然气、液化石油气、暖通行业以及一般工业中。
闸阀、截止阀:它可广泛用于自来水、污水、建筑、石油、化工、食品、医药、轻纺、电力、船舶、冶金、能源系统等体管线上作为调节和截流装置使用。
球阀:球阀的主要特点是本身结构紧凑、密封可靠、结构简单、维修方便、密封面与球面常在闭合状态,不易被介质冲蚀,易于操作和维修,适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质,而且还适用于工作条件恶劣的介质,如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等,在各行业得到广泛的应用。
2.2 电子、电力方面
在电子、电力方面,有各种Al2O3陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各种Al2O3陶瓷电绝缘瓷件、电子材料、磁性材料等,其中以Al2O3透明陶瓷和基片应用最广。
2.2.1 Al2O3透明陶瓷
当前透明陶瓷是材料领域研究和应用的重要前沿方向。从上个世纪60年代初第一块透明Al2O3陶瓷问世以来,透明陶瓷取得了飞跃发展。透明陶瓷作为一种新兴材料,除了本身具有宽范围的透光性外,还具有高热导率、低电导率、高硬度、高强度、低介电常数和介电损耗、耐磨性和耐腐蚀性好等一系列优点。与玻璃材料相比,透明陶瓷除具有高强度、高硬度等优点,还具有更高的韧性和更好的抗表面损坏性能;与单晶相比,透明陶瓷具有更低的制备温度和更短的生产周期,而且在尺寸和结构上更容易控制[17]。透明陶瓷按其应用可以分为两大类:透光、透波性应用和特种光功能应用。
在透光、透波性应用方面,有用透明Al2O3陶瓷制造的新型节能灯具金卤灯、高强度透明装甲材料、红外透波材料等,这些材料是民用和国防装备中的重要材料。MgAl2O4透明陶瓷就是属于这类材料,它既具有陶瓷的特点又具有蓝宝石晶体、石英玻璃的光学性能,可用于透明装甲、照明灯具等[18]。
在特种光功能特性应用方面,有薄膜发光材料、高功率全固态激光器、透明闪烁陶瓷等。薄膜发光材料中的Al2O3材料,已经被证明是最有前景的薄膜发光材料,这是因为它具有高透明、热稳定性好和相对高的发光亮度等性能[19]。
透光率是透明陶瓷的一个最重要指标,影响它的因素有很多,如原料的纯度和分散性、烧结气体介质、烧成温度制度、添加剂的种类和数量、结构缺陷和气孔、晶界双折射等。其中晶界双折射对透光率影响较大,通过磁场辅助注浆成形,制备出Al2O3颗粒具有取向性排列的陶瓷坯体,再经过H2气氛烧结即可得到光轴相互平行的多晶透明陶瓷[20]。这种方法可以大幅提高透明陶瓷的透光率,因为在强磁场下Al2O3颗粒的C轴会沿着磁场方向排列,而C轴就是光轴方面,当各个晶粒的光轴相互平行排列时,在晶界上的双折射可以大量消除,从而提高透光率。
2.2.2 Al2O3陶瓷基片
Al2O3陶瓷基片具有机械强度高、绝缘性好、避光性高等优良性能,广泛用于多层布线陶瓷基片、电子封装及高密度封装基片。
在制备Al2O3陶瓷基片中常用的成形方法有干压、流延等,而流延成形是目前应用最广的成形方法。流延成形分为非水系和水系:非水系流延成形工艺简单,但会对环境造成污染且成本较高;水系流延成形较环保,且成本较低,但工艺较难[21]。目前,在工业应用中大部分都采用非水系流延成形Al2O3陶瓷基片,利用非水系流延成形可以制备表面光滑、平整、致密度高的Al2O3陶瓷基片,但在制备工艺中,基片的烧结温度高、耗能大。因此可以在Al2O3陶瓷基片中加入一些添加剂以降低烧成温度,如加入Fe-Cr-Mn系黑料来制备黑色Al2O3陶瓷基片,可以在其它性能一致的条件下有效地降低Al2O3陶瓷基片的烧结温度,减少能耗[22]。
2.3 化工方面
在化工应用方面,Al2O3陶瓷也有较广泛的用途,如Al2O3陶瓷化工填料球、无机微滤膜、耐腐蚀涂层等,其中以Al2O3陶瓷膜和涂层的研究和应用最多。
2.3.1 Al2O3陶瓷膜
膜分为有机高分子膜和无机膜等,自20世纪80年代以来,Al2O3陶瓷膜特别是多孔Al2O3陶瓷膜的研制与开发得到了大幅度的提升,在膜领域占据了重要的地位。陶瓷膜与有机高分子膜相比有以下特点:
(1) 耐高温、热稳定性好,在高温下仍能保持其性能不变;
(2) 高强度,在很大压力梯度操作下,不会被压缩或产生蠕变,机械性能好;
(3) 化学稳定性好,能耐强酸强碱溶液、有机溶剂和氯化物腐蚀,并且不被微生物降解;
(4)可反复使用,易清洁;制备时孔径大小和孔径尺寸分布容易控制[23]。
Al2O3陶瓷膜在净化工业用水加工、海水淡化、气体分离、催化反应等方面都具有大量的应用,因此陶瓷无机膜日益受到科技界与工业界的广泛关注。
Al2O3陶瓷膜的制备方法有很多,有溶胶-凝胶法、固态粒子烧结法、化学气相沉积法、阳极氧化法等[24]。
(1) 溶胶-凝胶法是制备Al2O3陶瓷膜的一种有效方法,一般它是在多孔陶瓷支撑体(如堇青石、α-Al2O3等)上制备负载型均匀微孔的陶瓷膜[25-26];
(2) 固态粒子烧结法,它首先将Al2O3研磨成细粉,经筛分及水力沉降分级制成悬浮液,再加无机粘结剂等,经成形、烧结制成陶瓷膜;
(3) 化学气相沉积法是使反应产物蒸汽形成很高的过饱和蒸汽压,然后自动凝聚成大量的晶核,晶核长大沉积在基体材料上即制得陶瓷膜[27];
(4) 阳极氧化法, 它是以高纯度的合金为阳极,并使一侧表面与酸性电解质(如硫酸、草酸等)接触,通过电解作用在表面形成微孔Al2O3膜,然后去除未被氧化的铝载体和阻挡层,便得到孔径均匀、孔道与膜平面垂直的微孔Al2O3膜。
2.3.2 Al2O3涂层
Al2O3涂层具有耐腐蚀、耐高温等特性,近年来得到了大量研究。铝合金的微等离子氧化表面陶瓷化工技术受到了人们广泛的关注,利用微等离子体氧化技术在LY12铝合金表面制备了Al2O3涂层,加强了铝合金的耐腐蚀性和抗氧化性等[28]。钛合金材料高温氧化严重,为了提高其使用性能,可以在钛合金材料表面涂覆Al2O3涂层,这样也可以使钛合金材料的耐腐蚀和抗高温氧化等特性提高[29]。
2.4 医学方面
在医学方面,Al2O3更多的是用于制造人工骨、人工关节、人工牙齿等。Al2O3陶瓷具有优良的生物相容性、生物惰性、理化稳定性及高硬度、高耐磨性,是制备人造骨和人造关节的理想材料[30]。但它具有和其他陶瓷材料一样的缺点如脆性大、断裂韧性低、机加工技术难度高、工艺复杂等,因此需要进一步研究应用。
羟基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性,其优良的骨传导作用已被很多的研究结果所验证,是目前最有前景的陶瓷人工骨材料,但是纯羟基磷灰石的力学性能较差,难以作为承重骨的替代材料[31]。运用放电等离子技术烧结的Al2O3-羟基磷灰石人工骨材料,通过引入弥散强化相Al2O3来提高材料的力学性能,既保持了羟基磷灰石的生物活性又提高了材料的力学性能,因此它有望成为一种理想的承重骨材料[32]。
Al2O3-羟基磷灰石人工骨材料在人骨修复领域有着大量的应用。在临床骨科手术中,骨缺损常常需要大量的修复材料。目前常见的修复材料有自身骨、异体骨和人工合成材料等。自身骨移植虽无免疫排斥、效果好,但取材有限;异体骨移植则容易引起免疫排斥,且修复效果差;人工合成材料,它们基本上都是降解材料,所以不能修复缺损区[33]。因此寻求具有良好的物化性质、生物特性的生物材料作为骨移植材料,已成为研究的热点。Al2O3-羟基磷灰石人工骨材料正解决了这些问题,它具有稳定的物化性能,其硬度、抗弯强度、断裂韧性均已接近人体骨[34],况且常规消毒不会改变其生物特性。
2.5 建筑卫生陶瓷方面
在建筑卫生陶瓷方面,Al2O3产品随处可见,如Al2O3陶瓷衬砖、研磨介质、辊棒、陶瓷保护管以及Al2O3质耐火材料等。其中以Al2O3球磨介质应用最广。
过去,建筑卫生陶瓷用球磨介质基本上都是燧石、鹅卵石等天然球石,随着这些优质的天然球石资源的减少,以及它们磨损率高、效率低等缺点,Al2O3球磨介质被越来越多的陶瓷厂家所使用。目前球磨介质主要包括Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4等。Al2O3球磨介质具有合适的硬度、适中的密度、耐磨、耐腐蚀且价格低廉等特点,因此大部分的建筑卫生陶瓷方面的原材料都用Al2O3球磨介质加工[35]。
Al2O3球磨介质物化性能优异、价格较低,在球磨介质中占据了一定的地位。但其韧性不及其它球磨介质,这就限制了它的进一步应用,因此国内外科研工作者对Al2O3球磨介质增韧机理和技术进行了大量研究,考虑到成本问题及增韧的操作性,目前最有成效的增韧方法是利用相变增韧机理,在Al2O3中添加ZrO2 得到ZrO2增韧Al2O3球磨介质,解决了Al2O3球磨介质的韧性问题[36]。
2.6 其它方面
Al2O3陶瓷是目前新材料中研究最多、应用最广的材料之一,除了以上的几种应用外,它还广泛应用于其它一些高科技领域,如航空航天、高温工业炉、复合增强等领域[37]。
2.6.1 航空航天
在航空航天方面应用较多的是Al2O3基纤维,它具有高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多种性能[38]。
Al2O3可以制备成高温耐热纤维,用于航天飞机上的隔热瓦和柔性隔热材料等。不仅如此,利用Al2O3纤维还可以用来增强金属基和陶瓷基复合材料,大量用于超音速喷射飞机中的喷管及火箭发动机中的垫圈[39]。
2.6.2 高温工业炉
在高温工业炉领域中主要是用Al2O3基短纤维材料作为保温耐火材料,因为它具有密度小、隔热性好、热容量小等优点。这些优点不仅可以减轻高温炉的重量,而且使高温炉控温精确,进而更加节能。
普通高温炉中使用的保温耐火材料基本上都是耐火砖或耐火棉,这些材料的性能不及Al2O3基短纤维材料,原因是纤维材料可以强化炉气对炉壁的对流传热,使炉壁能得到更多的热量,再通过辐射传到炉内,这样就提高了高温炉的加热速度和生产效率[40]。
2.6.3 复合增强
Al2O3纤维增强金属基复合材料具有力学性能好、耐磨性高、膨胀系数低、硬度高等特点,这是因为Al2O3纤维与金属基体之间浸润性好、界面反应低。这些材料已经在汽车活塞、空气压缩机叶片的制造中得到了应用。
Al2O3纤维还与树脂的结合性好,因它可以制备成Al2O3树脂复合材料,它具有弹性大、硬度高等特点,可应用于钓鱼竿、高尔夫球杆、滑雪板、网球拍等体育器材制造行业[41]。
3结 语
Al2O3陶瓷材料是应用得较多的陶瓷材料之一。国外对Al2O3材料的研究起步较早,尤其是在科技含量高的领域如机械加工、医学、航空航天等。而国内对Al2O3材料研究相对较晚,技术相对落后,且制造业中生产工艺较落后、装备不精,所以产品质量跟西方发达国家相比还是存在一定的差距。因此,提高我国Al2O3材料的研究水平及大力推广Al2O3材料的应用已迫在眉睫。
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Application of Alumina Ceramic
ZHANG Xiao-feng, YU Guo-qiang,JIANG Lin-wen
(School of Material,Jingdezhen Ceramic Institute ,Jingdezhen 333001,China)
