专利名称：不锈钢304材料洁整化加工用陶瓷刀具及其制备方法
技术领域：
本发明属于难加工材料的精密超精密加工技术领域，特别涉及一种用于洁整化加工不锈钢304材料的陶瓷刀具及制备方法。
背景技术：
核能是重要的清洁、安全、可靠能源之一，也是未来最有潜力的能源之一，正逐步地大量应用于航空航天、国防、电力等部门。核主泵是核电站的“心脏”，是核电建设的重要组成部分，是核电技术国产化最后一个难度最大的重大装备，也是核电站装备中最后一个完全依靠国外进口的技术和装备。尽管我国从上世纪80年代初开始引进法国等的核电装备，但至今为止，我国仍不能自主设计制造大型核电站的关键装备，特别是核主泵制造、装备完全由美、法、俄等国家垄断，技术严格控制，我国在核主泵设计制造的核心技术方面几乎是空白的。超长使役的核主泵工作在高放射性、高温、高压极端环境下，核主泵泵壳、转子组件、轴承、密封环、屏蔽部件等零部件(材料多为不锈钢304)构成的承压边界，处于特殊工质的宏微流场中，承受高动压载荷和长期冲刷磨损与腐蚀作用，为保证关键零部件使役寿命以及系统的稳定性，要求满足零部件使役性能的同时，避免对工作介质的理化性质和流动特性产生不良影响；必须使过流零部件具备符合核环境使役要求的高表面洁净度(防止铁素体、F、Cl、Ni、Cr等的污染)和高表面完整性，即洁整化制造。核主泵关键零部件的洁整化制造是核主泵制造的核心技术之一，国内仍未解决好其洁整化制造工艺难题。陶瓷刀具由于具有高硬度、高温下的高强度、高抗蠕变性、高抗氧化性能和高温化学稳定性等特点在新型高技术材料、精密超精密加工中倍受青睐，且通过选择合理的组分、 烧结工艺等，可以制备出致密性好、成分纯净、强度及韧性较好的刀具，是洁净化制造的理想刀具之一。目前陶瓷刀具主要有氧化铝基和氮化硅基两种类型。其中，氮化硅基陶瓷刀具在高温条件下与铁反应，容易氧化，并向刀具表面渗透，与此相比，氧化铝基陶瓷刀具具有良好的高温稳定性，更适于洁净化制造。但现有氧化铝基陶瓷刀具大多采用金属结合剂， 在切削加工过程中仍有可能引起Ni、Cr等元素污染。
发明内容
本发明要解决的技术问题是研制了不含金属结合剂的新型氧化铝基陶瓷刀具，解决不锈钢304材料的洁整化加工难题。为了实现上述目的，本发明的技术方案是—种用于洁整化加工不锈钢304材料的陶瓷刀具，其特征在于，它包括原料组分、 压制、烧结、机械加工，其原料所占质量百分比为氧化铝99.5% -99. 9%，优选 99. 8% ；氧化镁0.5%-0. 1%，优选 0. 2% ；各原料质量百分比之和为100% ；
所述的各组分纯度> 99. 99% ；粒度尺寸< 4 μ m。上述陶瓷刀具的制备方法，包括如下步骤1)开模具；2)陶瓷粉的准备将质量分数为99. 8%的氧化铝和0. 2%的氧化镁充分混合，进行球磨和选粒。此过程的主要作用是进一步减小粒度，并使多种料混合充分均勻；3)压制先进行干压，压力为40MPa ；然后将压制好的陶瓷真空包装后放入等静压机进行等静压处理，压力保持180MPa，保压5min ；干压可以采用四柱液压机进行。4)烧结将上述压制好的陶瓷进行高温烧结，以1°C /min的速度升温至1650°C， 保温120min ；然后以3°C /min的速度降温至室温，开炉。5)机械加工经过烧结后得到的方形刀片(15. 87 X 15. 87 X 7. 94mm3)，要进行一定的机械加工，圆弧半径要达到0. 8mm。机械加工全部采用精密磨削来完成，砂轮为金刚石树脂砂轮，采用双面磨削方式。对于弧状的小型刀，采用尖刀弧面向上、工件直立的方式进行磨削，两个砂轮的轴向与工件平行，砂轮的轴向可以前后运动，载有工件的夹具可以前后、 上下运动，一次开刃(主要是依靠仿形的方式一次完成开刃)。此过程的作用是防止陶瓷刀具韧性较差，导致切削加工过程中引起崩刃等破坏。本发明的效果和益处是本发明在洁整化加工核主泵关键零部件用不锈钢304材料时，比传统刀具、陶瓷刀具表现出了优越性。在干式切削不锈钢304材料时，比传统的硬质合金刀具(YG8)、金属陶瓷刀具(Al2O3，Ti (C，N)基)，在洁净化加工方面显示出一定的优越性，尤其是在减少M、Cr元素的污染方面有一定的优势；在干式、高速、精切削不锈钢304 材料时，比传统的硬质合金刀具(YG8)，在完整性加工方面显示出一定的优越性，表面粗糙度Ra可降低左右，加工表面粘附较少、走刀痕迹清晰均勻；在干式、高速、精切削不锈钢304材料时，比传统的硬质合金刀具(YG8)，在刀具耐磨性方面显示出一定的优越性，且切屑颜色较浅，切削力、加工变形较小。附表及图说明
图1是采用硬质合金刀具加工得到的工件表面形貌。图2是采用自制陶瓷刀具加工得到的工件表面形貌。
具体实施例方式下面结合技术方案和附表、图详细叙述本发明的具体实施例。本发明的方法中所使用的氧化铝、氧化镁等均为常用化学试剂。本发明的方法中所用的设备均为常用的已知设备。实施例不锈钢304材料的洁整化加工实验包括两部分加工表面洁净度分析试验和加工表面完整性分析实验。采用上述技术方案制备的新型陶瓷刀具和两种传统对比刀具——硬质合金刀具 (YG8)、金属陶瓷刀具(Al2O3，Ti (C，N)基)，干式切削不锈钢304材料，对加工表面的洁净度进行检测分析。试验结果得出，采用自制的新型陶瓷刀具切削加工不锈钢304材料，可以获得比传统硬质合金刀具和金属陶瓷刀具更洁净化的加工表面，表明自制的新型陶瓷刀具在减少M、Cr等元素的污染方面有一定的优势；此外，自制的新型陶瓷刀具除了在减少Si、Ti、Co、 C等其他元素的污染方面也有一定的优势，有利于提高不锈钢304材料的耐腐蚀性。采用上述技术方案制备的新型陶瓷刀具和传统的硬质合金刀具(YG8)，在不同切削参数(V、f、ap)条件下，干式切削不锈钢304材料，对加工表面的粗糙度和表面形貌进行检测分析。表1是采用二种刀具在不同加工参数条件下加工得到的工件表面粗糙度值。表 1
刀具类型实验序号V (m/min)ap (niiii)f(mm/r)粗糙度 Ra(i^m)加工表面的粘附状况1.1800.150.010.76较轻硬质 M Ji- 刀具1.2低速800.300.030.971.3800.800.102.461.41600.150.030.941.5高速1600.300.102.191.61600.800.017.42最严重2.1800.150.010.80自制陶瓷刀具2.2低速800.300.031.802.3 2.480 1600.80 0.150.10 0.031.90 0.75较轻2.5高速1600.300.101.042.61600.800.012.19较严重 从表中可以看出在切削深度 和进给量f较小的情况下，高速切削不锈钢3 04 材料时，与传统的硬质合金刀具相比，采用自制的新型陶瓷刀具时，可将加工表面粗糙度Ra 可降低左右。图1和图2分别为采用硬质合金刀具和自制陶瓷刀具加工得到的工件表面形貌。从图中可以看出采用自制陶瓷刀具加工工件表面的完整性较好，粘附较少、走刀痕迹清晰且均勻。
权利要求
1.一种不锈钢304材料洁整化加工用陶瓷刀具，其特征在于，它的原料组分包括氧化铝和氧化镁，其原料所占质量百分比为氧化铝99. 5% -99. 9% ；氧化镁0. 5% -0. 1% ；各原料质量百分比之和为100% ；所述的各组分纯度> 99. 99% ；粒度尺寸< 4 μ m。
2.根据权利要求1所述的一种不锈钢304材料洁整化加工用陶瓷刀具，其特征还在于， 它的原料组分包括氧化铝和氧化镁，其原料所占质量百分比为氧化铝99. 8% ；氧化镁0. 2% ；各原料质量百分比之和为100% ；所述的各组分纯度> 99. 99% ；粒度尺寸< 4μπι。
3.权利要求1或2所述陶瓷刀具的制备方法，其特征在于包括如下步骤1)开模具；2)陶瓷粉的准备按权利要求1或2中的原料组分将氧化铝和氧化镁充分混合，进行球磨和选粒；3)压制先进行干压，压力为40MPa；然后进行等静压，将压制好的陶瓷真空包装后放入等静压机，压力保持180MPa，保压5min ；4)烧结将上述压制好的陶瓷进行高温烧结，以1°C/min的速度升温至1650°C，保温 120min ；然后以3°C /min的速度降温至室温，开炉。5)机械加工经过烧结后得到的方形刀片，机械加工后圆弧半径达到0.8mm ；机械加工全部采用精密磨削来完成，砂轮为金刚石树脂砂轮，采用双面磨削方式；对于弧状的小型刀，采用尖刀弧面向上、工件直立的方式进行磨削，两个砂轮的轴向与工件平行，砂轮的轴向前后运动，载有工件的夹具前后、上下运动，一次开刃。
全文摘要
本发明属于难加工材料的精密超精密加工技术领域，公开了一种用于洁整化加工不锈钢304材料的陶瓷刀具及制备方法。其特征是采用氧化铝、氧化镁作为刀具配方，通过选择合理的压制、烧结、机械加工等工艺制备了一种新型氧化铝基陶瓷刀具。由于其成分纯净、高温化学稳定性好、高硬度、低渗透性等优点，因此在切削加工难加工材料不锈钢304材料时，比传统刀具在洁净化、完整性、刀具耐磨性方面表现出一定的优越性。
文档编号C04B35/622GK102173754SQ20111002280
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者张振宇, 李德伟, 郭东明, 金洙吉 申请人:大连理工大学