專利名稱：不銹鋼304材料潔整化加工用陶瓷刀具及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于難加工材料的精密超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于潔整化加工不銹鋼304材料的陶瓷刀具及制備方法。
背景技術(shù)：
核能是重要的清潔、安全、可靠能源之一，也是未來最有潛力的能源之一，正逐步地大量應(yīng)用于航空航天、國防、電力等部門。核主泵是核電站的“心臟”，是核電建設(shè)的重要組成部分，是核電技術(shù)國產(chǎn)化最后一個難度最大的重大裝備，也是核電站裝備中最后一個完全依靠國外進(jìn)口的技術(shù)和裝備。盡管我國從上世紀(jì)80年代初開始引進(jìn)法國等的核電裝備，但至今為止，我國仍不能自主設(shè)計制造大型核電站的關(guān)鍵裝備，特別是核主泵制造、裝備完全由美、法、俄等國家壟斷，技術(shù)嚴(yán)格控制，我國在核主泵設(shè)計制造的核心技術(shù)方面幾乎是空白的。超長使役的核主泵工作在高放射性、高溫、高壓極端環(huán)境下，核主泵泵殼、轉(zhuǎn)子組件、軸承、密封環(huán)、屏蔽部件等零部件(材料多為不銹鋼304)構(gòu)成的承壓邊界，處于特殊工質(zhì)的宏微流場中，承受高動壓載荷和長期沖刷磨損與腐蝕作用，為保證關(guān)鍵零部件使役壽命以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要求滿足零部件使役性能的同時，避免對工作介質(zhì)的理化性質(zhì)和流動特性產(chǎn)生不良影響；必須使過流零部件具備符合核環(huán)境使役要求的高表面潔凈度(防止鐵素體、F、Cl、Ni、Cr等的污染)和高表面完整性，即潔整化制造。核主泵關(guān)鍵零部件的潔整化制造是核主泵制造的核心技術(shù)之一，國內(nèi)仍未解決好其潔整化制造工藝難題。陶瓷刀具由于具有高硬度、高溫下的高強度、高抗蠕變性、高抗氧化性能和高溫化學(xué)穩(wěn)定性等特點在新型高技術(shù)材料、精密超精密加工中倍受青睞，且通過選擇合理的組分、 燒結(jié)工藝等，可以制備出致密性好、成分純凈、強度及韌性較好的刀具，是潔凈化制造的理想刀具之一。目前陶瓷刀具主要有氧化鋁基和氮化硅基兩種類型。其中，氮化硅基陶瓷刀具在高溫條件下與鐵反應(yīng)，容易氧化，并向刀具表面滲透，與此相比，氧化鋁基陶瓷刀具具有良好的高溫穩(wěn)定性，更適于潔凈化制造。但現(xiàn)有氧化鋁基陶瓷刀具大多采用金屬結(jié)合劑， 在切削加工過程中仍有可能引起Ni、Cr等元素污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是研制了不含金屬結(jié)合劑的新型氧化鋁基陶瓷刀具，解決不銹鋼304材料的潔整化加工難題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是—種用于潔整化加工不銹鋼304材料的陶瓷刀具，其特征在于，它包括原料組分、 壓制、燒結(jié)、機械加工，其原料所占質(zhì)量百分比為氧化鋁99.5% -99. 9%，優(yōu)選 99. 8% ；氧化鎂0.5%-0. 1%，優(yōu)選 0. 2% ；各原料質(zhì)量百分比之和為100% ；
所述的各組分純度> 99. 99% ；粒度尺寸< 4 μ m。上述陶瓷刀具的制備方法，包括如下步驟1)開模具；2)陶瓷粉的準(zhǔn)備將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99. 8%的氧化鋁和0. 2%的氧化鎂充分混合，進(jìn)行球磨和選粒。此過程的主要作用是進(jìn)一步減小粒度，并使多種料混合充分均勻；3)壓制先進(jìn)行干壓，壓力為40MPa ；然后將壓制好的陶瓷真空包裝后放入等靜壓機進(jìn)行等靜壓處理，壓力保持180MPa，保壓5min ；干壓可以采用四柱液壓機進(jìn)行。4)燒結(jié)將上述壓制好的陶瓷進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，以1°C /min的速度升溫至1650°C， 保溫120min ；然后以3°C /min的速度降溫至室溫，開爐。5)機械加工經(jīng)過燒結(jié)后得到的方形刀片(15. 87 X 15. 87 X 7. 94mm3)，要進(jìn)行一定的機械加工，圓弧半徑要達(dá)到0. 8mm。機械加工全部采用精密磨削來完成，砂輪為金剛石樹脂砂輪，采用雙面磨削方式。對于弧狀的小型刀，采用尖刀弧面向上、工件直立的方式進(jìn)行磨削，兩個砂輪的軸向與工件平行，砂輪的軸向可以前后運動，載有工件的夾具可以前后、 上下運動，一次開刃(主要是依靠仿形的方式一次完成開刃)。此過程的作用是防止陶瓷刀具韌性較差，導(dǎo)致切削加工過程中引起崩刃等破壞。本發(fā)明的效果和益處是本發(fā)明在潔整化加工核主泵關(guān)鍵零部件用不銹鋼304材料時，比傳統(tǒng)刀具、陶瓷刀具表現(xiàn)出了優(yōu)越性。在干式切削不銹鋼304材料時，比傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具(YG8)、金屬陶瓷刀具(Al2O3，Ti (C，N)基)，在潔凈化加工方面顯示出一定的優(yōu)越性，尤其是在減少M、Cr元素的污染方面有一定的優(yōu)勢；在干式、高速、精切削不銹鋼304 材料時，比傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具(YG8)，在完整性加工方面顯示出一定的優(yōu)越性，表面粗糙度Ra可降低左右，加工表面粘附較少、走刀痕跡清晰均勻；在干式、高速、精切削不銹鋼304材料時，比傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具(YG8)，在刀具耐磨性方面顯示出一定的優(yōu)越性，且切屑顏色較淺，切削力、加工變形較小。附表及圖說明

圖1是采用硬質(zhì)合金刀具加工得到的工件表面形貌。圖2是采用自制陶瓷刀具加工得到的工件表面形貌。
具體實施例方式下面結(jié)合技術(shù)方案和附表、圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施例。本發(fā)明的方法中所使用的氧化鋁、氧化鎂等均為常用化學(xué)試劑。本發(fā)明的方法中所用的設(shè)備均為常用的已知設(shè)備。實施例不銹鋼304材料的潔整化加工實驗包括兩部分加工表面潔凈度分析試驗和加工表面完整性分析實驗。采用上述技術(shù)方案制備的新型陶瓷刀具和兩種傳統(tǒng)對比刀具——硬質(zhì)合金刀具 (YG8)、金屬陶瓷刀具(Al2O3，Ti (C，N)基)，干式切削不銹鋼304材料，對加工表面的潔凈度進(jìn)行檢測分析。試驗結(jié)果得出，采用自制的新型陶瓷刀具切削加工不銹鋼304材料，可以獲得比傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具和金屬陶瓷刀具更潔凈化的加工表面，表明自制的新型陶瓷刀具在減少M、Cr等元素的污染方面有一定的優(yōu)勢；此外，自制的新型陶瓷刀具除了在減少Si、Ti、Co、 C等其他元素的污染方面也有一定的優(yōu)勢，有利于提高不銹鋼304材料的耐腐蝕性。采用上述技術(shù)方案制備的新型陶瓷刀具和傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具(YG8)，在不同切削參數(shù)(V、f、ap)條件下，干式切削不銹鋼304材料，對加工表面的粗糙度和表面形貌進(jìn)行檢測分析。表1是采用二種刀具在不同加工參數(shù)條件下加工得到的工件表面粗糙度值。表 1
刀具類型實驗序號V (m/min)ap (niiii)f(mm/r)粗糙度 Ra(i^m)加工表面的粘附狀況1.1800.150.010.76較輕硬質(zhì) 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最嚴(yán)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較輕2.5高速1600.300.101.042.61600.800.012.19較嚴(yán)重 從表中可以看出在切削深度 和進(jìn)給量f較小的情況下，高速切削不銹鋼3 04 材料時，與傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具相比，采用自制的新型陶瓷刀具時，可將加工表面粗糙度Ra 可降低左右。圖1和圖2分別為采用硬質(zhì)合金刀具和自制陶瓷刀具加工得到的工件表面形貌。從圖中可以看出采用自制陶瓷刀具加工工件表面的完整性較好，粘附較少、走刀痕跡清晰且均勻。
權(quán)利要求
1.一種不銹鋼304材料潔整化加工用陶瓷刀具，其特征在于，它的原料組分包括氧化鋁和氧化鎂，其原料所占質(zhì)量百分比為氧化鋁99. 5% -99. 9% ；氧化鎂0. 5% -0. 1% ；各原料質(zhì)量百分比之和為100% ；所述的各組分純度> 99. 99% ；粒度尺寸< 4 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種不銹鋼304材料潔整化加工用陶瓷刀具，其特征還在于， 它的原料組分包括氧化鋁和氧化鎂，其原料所占質(zhì)量百分比為氧化鋁99. 8% ；氧化鎂0. 2% ；各原料質(zhì)量百分比之和為100% ；所述的各組分純度> 99. 99% ；粒度尺寸< 4μπι。
3.權(quán)利要求1或2所述陶瓷刀具的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)開模具；2)陶瓷粉的準(zhǔn)備按權(quán)利要求1或2中的原料組分將氧化鋁和氧化鎂充分混合，進(jìn)行球磨和選粒；3)壓制先進(jìn)行干壓，壓力為40MPa；然后進(jìn)行等靜壓，將壓制好的陶瓷真空包裝后放入等靜壓機，壓力保持180MPa，保壓5min ；4)燒結(jié)將上述壓制好的陶瓷進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，以1°C/min的速度升溫至1650°C，保溫 120min ；然后以3°C /min的速度降溫至室溫，開爐。5)機械加工經(jīng)過燒結(jié)后得到的方形刀片，機械加工后圓弧半徑達(dá)到0.8mm ；機械加工全部采用精密磨削來完成，砂輪為金剛石樹脂砂輪，采用雙面磨削方式；對于弧狀的小型刀，采用尖刀弧面向上、工件直立的方式進(jìn)行磨削，兩個砂輪的軸向與工件平行，砂輪的軸向前后運動，載有工件的夾具前后、上下運動，一次開刃。
全文摘要
本發(fā)明屬于難加工材料的精密超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種用于潔整化加工不銹鋼304材料的陶瓷刀具及制備方法。其特征是采用氧化鋁、氧化鎂作為刀具配方，通過選擇合理的壓制、燒結(jié)、機械加工等工藝制備了一種新型氧化鋁基陶瓷刀具。由于其成分純凈、高溫化學(xué)穩(wěn)定性好、高硬度、低滲透性等優(yōu)點，因此在切削加工難加工材料不銹鋼304材料時，比傳統(tǒng)刀具在潔凈化、完整性、刀具耐磨性方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性。
文檔編號C04B35/622GK102173754SQ20111002280
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者張振宇, 李德偉, 郭東明, 金洙吉 申請人:大連理工大學(xué)