2 Al₂O₃基陶瓷刀片的GPS+HIP生產工藝

1. 粉體情況
   Al₂O₃粉料采用美國CERALOX公司生產的造粒氧化鋁粉，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，可引起球磨介質出現團聚現象等。采用酒精作為分散劑，可使粉料分散均勻并有利于烘干。應注意，漿料烘干前應用80目篩子過篩，將球磨過程中產生的雜質濾掉。此外，陶瓷粉體應置于密封容器內，避免吸潮，保存時間最好不超過3個月?；旌狭系暮娓蓱谡婵障鋬冗M行，烘烤溫度不應高于80℃，以便于酒精回收及防止粘接劑揮發。
   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，使用現有球磨桶和球磨機(裝料高度為桶直徑的1/3)經30～60分鐘連續滾動而成。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對粉體形貌、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，燒結后難以達到所需致密度，同時燒結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，則會造成坯體內部的隱性裂紋(燒結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。壓制完成的壓坯應及時送入排膠爐排膠，如不能及時排膠，壓坯應注意防潮。#p#分頁標題#e#
4. 坯體排膠
   陶瓷刀片的脫膠工藝與硬質合金刀具生產工藝相似。我公司采用的PEG(聚乙二醇)排膠溫度控制在400℃。排膠時應根據PEG的特點在其揮發點溫度附近保溫較長時間。為防止PEG氣化后進入真空泵，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，應注意防范突然停電等意外情況，防止冷空氣進入脫膠爐，否則會造成刀片氧化或粉碎。排膠后應與排膠前的坯體重量進行對比，以確定PEG是否排凈。排膠后的坯體應及時燒結，如需放置較長時間，則應注意防潮。
5. GPS+HIP處理
   燒結工藝采用氣氛保護燒結(GPS)+熱等靜壓(HIP)處理技術。GPS燒結是將坯體在真空狀態下升溫至1200℃，加入2MPa的氬氣保護；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后的硬度和強度。工藝數據表明：采用真空溫度分別為400℃和1200℃的工藝方案燒結的刀片其HV硬度相差約0.5GPa，強度相差50MPa以上。GPS燒結后的坯體密度應控制在理論密度的93%～98%。如果繼續升溫或延長保溫時間，雖可提高坯體密度，但坯體強度會急劇下降。當坯體密度>93%后，開口氣孔基本消除，燒結動力明顯不足，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方法燒結刀片時，若燒結保護氣壓<20MPa(一般GPS燒結爐的保護氣壓均低于20MPa)，則與低壓(2MPa)燒結效果無明顯區別。在燒結過程中采用氬氣保護，一方面可防止TiCN分解，另一方面可保證窯爐內溫度的均勻性(因為爐內的氬氣也可作為傳熱介質)。
   HIP處理技術應用領域較廣(包括高溫合金、硬質合金、陶瓷、合成材料、擴散粘接、鑄件致密化及焊接等)，但由于設備昂貴、技術復雜，因此在國內推廣應用難度較大。采用GPS+HIP處理技術制造陶瓷刀片可使刀片質量大幅度提高，同時保持了冷壓加工方法可制作形狀復雜或帶孔陶瓷刀片以及生產效率較高等特點。
   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	密度 (g/cm3)	HV硬度 (GPa)	韌性 (Mpa·m½)	強度 (MPa)

   
   圖3 HIP處理后YA-1刀片微觀結構的SEM照片 LT55Al₂O₃-TiC-Mo-Ni93.7～94.81000～1200山東工業大學AT6Al_{2#p#分頁標題#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

   刀片 牌號	材料成分	硬度 (HRA)	抗彎強度	生產單位

   由于HIP處理技術對包套材料及操作技術要求較高，因此通常用于制造形狀簡單的產品且生產效率較低。利用HIP爐處理經過GPS燒結的陶瓷刀片則不需要包套，這是因為當刀片坯體密度>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爐內進行處理。在處理過程中，以氬氣作為加壓介質，加壓150MPa，升溫至1760℃，保溫1小時，隨爐冷卻。經HIP處理后，刀片坯體密度可達理論密度的99%以上，坯體強度在GPS燒結的基礎上可增加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(表中數據為一組12根試件的平均值)。
   經HIP處理后，陶瓷刀片的顯微結構基本不會發生變化，這是由于刀片坯體的閉口氣孔在高壓(150MPa)下被強行消除，晶粒由于溫度較低而發育較好，因此刀片的整體性能顯著提高。
   目前公司生產的YA系列刀片密度>99.2%，硬度HV>20.5GPa，韌性K_ic>5.5MPa·m^½，三點抗彎強度>700MPa。刀片微觀結構的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。
6. 刀片刃磨
   陶瓷刀片的刃磨質量對刀具使用性能影響很大，在刀片刃磨工序應注意以下問題：

   1. 砂輪的選擇
      陶瓷刀片的刃磨應選用樹脂結合劑砂輪。雖然樹脂結合劑砂輪的自銳性較差、刃磨效率較低，但不會破壞刀片強度；而金屬結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度，即砂輪越“軟”，刃磨刀片的表面質量越好。金剛石砂輪的磨料粒度越細，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量，可在粗磨時選用粒度較粗的砂輪，預留很小的加工余量；精磨時則選用粒度較細的砂輪。砂輪形狀的選擇也很重要，應盡量采用平面砂輪，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化學公司的C18WC磨削液應用效果較好，如同時在該磨削液中添加清洗劑，效果可進一步提高。
   3. 刀片負倒棱的刃磨要求
      不同的加工場合、工件材料和切削參數對刀片的負倒棱有不同要求。負倒棱的方式主要有單一倒棱和組合倒棱。一般情況下，要求保證刀片負倒棱角度和寬度的一致性。為減小刀片的初期磨損，在負倒棱基礎上可增加“鈍化”工序。
7. 試刀
   對于不同批次、不同時間生產的陶瓷刀片，除監控其性能指標外，在出廠前還應進行試刀，以檢驗刀片的切削性能。試刀一般在工廠的機床上完成。