新型Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的磨损性能

2007-10-30 10:29:11

钢材是最常用的机械零件材料之一。随着刀具新材料的不断出现，钢材的加工方法也越来越多样化。机加工中使用最广泛的刀具材料为硬质合金系列。然而，硬质合金刀具由于其本身性能的限制，并不适于现代化机械工业飞速发展的高速度、高效率和高精度的要求，因此，近年来对涂层刀具、陶瓷刀具和超硬刀具的研究日益增多。但是这些刀具不是成本太高，就是强度及韧性较低，因此并未得到广泛的应用。而Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，由于具有硬度高、耐磨性及导热性好等优良综合性能，因而被广泛用作工具材料，而且可以填补硬质合金和陶瓷工具材料之间的间隙。此外，通过对金属陶瓷成分的优化，可以制备出强度、韧性和耐磨性综合性能优异的切削刀具，使得它能适于高速精密切削的发展。到目前为止，国内外对纳米TiN 改性TiC 基金属陶瓷刀具的研究还较少。本文即选取工业生产中应用广泛的45 号钢作为切削加工的目标材料，通过具体的切削实验考察和比较新型金属陶瓷刀具与传统金属陶瓷刀具、Al2O3刀具及YT15硬质合金刀具的磨损性能，为这种新型金属陶瓷刀具的实际应用打下一定的基础。

1 实验

**表金属陶瓷刀具的成分(%)**
粉末	TiC	TiN(nm)	WC	Ni	Co	Mo	C
质量分数	48	10	15	5	5	16	1

图1 SNUN150406型刀具尺寸

刀具的化学成分
试验所用新型金属陶瓷刀具的成分如右表所示。其中TiN是纳米粉末，其颗粒大小在30～50nm。
刀具的制备
按表1所列成分称粉。先将纳米TiN粉末按一定的分散工艺进行分散，然后按常规粉末冶金工艺制备金属陶瓷刀具。将烧结后的刀具粗坯在M612 型端面磨床上用200目金刚石砂轮磨削成如图2所示的刀具尺寸(刀片型号为SNUN150406)。
组织观察
刀具表面经1μm金刚石抛光膏抛光后用m(HF):n(HCl)=1:1的混合酸进行腐蚀，然后在HITACHI X-650 型扫描电镜上观察显微组织。
切削实验
实验条件如下：CA6140 型车床；刀具为新型金属陶瓷刀具、传统Ti(C，N)基金属陶瓷刀具(10TiN-16Mo2C-54TiC-20Ni)、Al2O3刀具及YT15硬质合金刀具；工件为?210mm× 60mm 的45 号钢棒，正火态，硬度为21HRC；切削条件为干切削；刀具安装角度为：a0=9°，g0=-8°，Kr=45°，Kr’=45°。先将被加工工件固定在车床上，并将刀具装夹在刀杆上固定好，按设定的切削用量进行切削。每隔一定时间暂停切削，取下刀片，在40倍工具显微镜下测量刀具后刀面平均磨损量VB，然后将刀具重新装夹好，继续切削。磨钝标准取后刀面磨损量为VB=0.3mm。对切削后的刀具用HITACHI-650型扫描电镜观测刀具磨损形貌。

图2 金属陶瓷刀具的组织(SEMx 3000)

2 结果及讨论

新型金属陶瓷刀具的显微组织
新型金属陶瓷刀具的显微组织如图2所示。由图可见，金属陶瓷的组织由2相(陶瓷相+金属相)组成。其中较粗大的陶瓷相呈芯/壳(core/shell)结构，即芯部成分是Ti(C，N)固溶体，而壳部成分主要是(Ti，Mo，W)(C，N)固溶体；而金属相则是由Ni，Co，Mo 组成的合金体。与传统金属陶瓷组织相比，新型金属陶瓷组织更细小；这主要是由于纳米TiN 的添加降低了金属陶瓷的烧结温度以及它对基体TiC 的钉扎而抑制了基体晶粒的长大有关。
刀具的磨损形态和磨损曲线
金属切削过程是工件上被切削金属层在刀具作用下经受挤压产生滑移变形，引起断裂，形成切屑的过程。正常情况下，刀具磨损的基本形态表现为刃口磨损、前刀面磨损、后刀面磨损和刀尖磨损4 种，如图3(a)所示。其中后刀面磨损几乎在各种切削条件下都会出现，而且测量比较方便。所以，本实验即取刀具的后刀面磨损值VB 用作判断刀具磨钝程度的基准。典型的磨损曲线如图3(b)所示。

金属陶瓷刀具的磨损曲线

图4是在切削用量为Vc=300m/min，f=0.1mm/r，ap=1mm时新型金属陶瓷刀具的后刀面平均磨损量VB(mm)随切削时间t(min)的变化曲线。由图4可以看出在此切削用量下，金属陶瓷刀具的磨损曲线是比较典型的磨损曲线，可分为3个阶段。Ⅰ.初期磨损阶段：这一阶段磨损较快，这是因为新刃磨的刀具表面存在着微观粗糙度、氧化层和破坏层，切削初期因为刀具后刀面与加工表面接触面积小，压应力比较集中，很快就在后刀面上磨出一个窄面。Ⅱ.正常磨损阶段：当在初期磨出一个窄面后，压强减少，磨损的速度也随之稳定下来，即进入正常磨损阶段。此阶段为刀具的有效工作期。Ⅲ.剧烈磨损阶段：当磨损量大到一定程度时，加工表面的粗糙度增大，切削力和切削温度急剧增大，磨损曲线的斜率急剧增加，以致刀具磨损值很大。为了保证加工质量，应当避免进入这个阶段。

(a)刀具磨损形态

(b)典型磨损曲线
图3 刀具磨损的基本形态及典型磨损曲线

(Vc=300m/min，f=0.1mm/r，ap=1mm)
图4 新型金属陶瓷刀具正常磨损曲线

1.YT15刀具 2.Al2O3刀具 3.传统金属陶瓷刀具 4.新型金属陶瓷刀具
图5 新型金属陶瓷刀具与对比刀具的磨损曲线

图6 金属陶瓷刀具的磨损形貌(SEMx 1010)

金属陶瓷刀具与硬质合金刀具磨损性能的对比
YT15刀具、Al2O3刀具、传统金属陶瓷刀具及新型金属陶瓷刀具在切削用量为Vc=200m/min，f=0.1mm/r，ap=1mm 条件下的对比切削磨损曲线如图5所示。

由图5可见，YT15硬质合金刀具在此切削用量下切削60min后，其后刀面平均磨损量VB就已经超过了0.3mm；而对Al2O3刀具而言，在VB=0.30mm 时切削时间可达76min；而对传统金属陶瓷刀具而言，在VB=0.30mm 时切削时间可达200min 以上；但新型金属陶瓷刀具切削430 分钟时其VB 仅为0.23mm，而且刀具仍处于正常磨损阶段。在此切削用量下，新型金属陶瓷刀具的寿命远大于YT15刀具、Al2O3刀具及传统金属陶瓷刀具，估计其寿命能达500min以上。

与传统Ti(C，N)基金属陶瓷刀具相比，新型金属陶瓷刀具具有更高的刀具寿命，这是因为向TiC 基金属陶瓷中添加纳米TiN 比添加微米TiN对基体TiC 的细化作用要更加显著，这一点可由文献及图2 得到证明。金属陶瓷组织的细化能有效提高材料的综合力学性能，用作刀具材料更能发挥其优越性。

而对于Al2O3陶瓷刀具，虽然它具有高温硬度高、化学稳定性好等优点，但该刀具材料的主要缺点是抗弯强度低，约为0.4～0.5GPa。此外，Al2O3的导热率约为12.557W/m?℃，是硬质合金的1/2～1/5；线胀系数(约为8.0× 10-6/℃)比硬质合金大10%～30%，而且弹性模量低。故Al2O3陶瓷刀具材料对机械冲击极为敏感。在切削碳钢时，该型刀具常以崩刃的形式失效。

与硬质合金相比，金属陶瓷刀具之所以具有更高的刀具寿命是由于以下几个原因决定的：(1)2种刀具材料的高温硬度差别较大。YT15硬质合金刀具为钨钛钴类(WC-TiC-Co)硬质合金，其硬质相由WC和TiC 组成，以Co为粘结相。由于TiC的硬度(HV3200)高于WC的硬度(HV2400)，因此TiC 含量越多，硬度也越高。与硬质合金相比，虽然金属陶瓷的强度及韧性较低，但其强度随温度的升高下降较慢，弥补了其强度较低的缺点，能很好地应用于塑性较好、硬度不高的材料的切削加工中。(2)金属陶瓷刀具有较高的抗氧化能力。在切削时TiC 氧化形成的TiO2保护膜非常致密，有润滑作用，故耐磨性较高。而对硬质合金刀具，在切削时WC会被氧化形成多孔的WO3，而且当刀尖温度在800℃以上时，WC还会与钢发生反应，形成脆弱的复合碳化物(WFe)6C，这些对刀具耐磨性都不利。与WC相比，TiC 是相对稳定的。(3)金属陶瓷刀具有较高的抗月牙洼磨损能力。月牙洼磨损开始产生的温度，一般硬质合金为850～900℃，而金属陶瓷为1100～1200℃。(4)金属陶瓷刀具化学稳定性较好，与钢化学亲合力小，与工件的摩擦系数也小，因此用金属陶瓷刀具切削时，可阻止刀具与钢的粘结，不易产生积屑瘤，工件的加工精度可明显提高。TiC 与工件材料45 号钢的粘结温度(1120℃)高于WC(1000℃)，因此，与硬质合金相比，金属陶瓷刀具具有较高的抗粘结磨损的能力。
金属陶瓷刀具的磨损形貌图6 为新型金属陶瓷刀具在切削用量为Vc=200m/min，ap=0.5mm，f=0.1mm/r 条件下的磨损形貌。由图可见，磨损表面除了明显的磨痕及剥落坑外，还有明显的裂纹扩展的痕迹。金属陶瓷刀具磨损的主要机理是磨粒磨损、高温的粘结磨损及扩散磨损。

3 结论

与传统金属陶瓷相比，新型金属陶瓷的组织更细小。
与传统金属陶瓷刀具、Al2O3刀具及YT15硬质合金刀具相比，新型金属陶瓷刀具具有更高的刀具寿命和切削效率，且主要以“磨损”形式失效。

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