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纳米TiN改性TiC基金属陶瓷可转位刀片研究

• 技术综合

摘要:阐述了用纳米TiN改性对TiC基金属陶瓷力学性能的影响，用自行研制的纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷可转位刀片与YT15、YT8及未改性的TiC基金属陶瓷刀片进行了对比性的切削试验。结果表明纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀片具有优良的综合切削性能，生产应用具有广阔的前景。

纳米技术是20世纪80年代末期诞生并崛起的新技术。纳米粉体对现有材料的改性是当前国内外材料科学研究的一个热点。在常规材料中添加纳米颗粒可较大地提高材料的强度、硬度、韧性，也改善了材料的可加工性。在TiC—TiN—Ni—Mo系金属陶瓷中添加纳米TiN粉，就是出于这样的设想，这对于作为刀具材料的金属陶瓷来说具有重要意义。

1 纳米TiN改性对TiC基金属陶瓷力学性能的影响

采用粉末冶金的方法制取金属陶瓷。纳米TiN粉末经超声分散后加入到混合粉末中去进行湿磨—干燥—造粒—压制成压坯，在真空炉中烧结成烧结坯。然后磨制成可转位刀片。

a.抗弯强度

b.断裂韧性

c.硬度图1 纳米T添加量对材料力学性能的影响

纳米TiN的添加量对材料的抗弯强度、断裂韧性、硬度的影响见图1。由图1可知，在纳米TiN添加重量小于4%时，抗弯强度、断裂韧性的值随添加量的增加而略有增加，而硬度变化不大。当添加量继续增加时，三者都有较明显的增加。在添加重量为6%时，断裂韧性和硬度达到最高值。添加重量为8%时抗弯强度达到最高值，随后三者都降低。
纳米TiN添加重量小于4%时，力学性能变化不明显，甚至下降，是由于TiN纳米颗粒在高温液相(主要是Ni、Ti还有部分的N、C)的溶解度较大，加上纳米颗粒的高表面能和高表面活性，可以认为在烧结后残留不多，因此起强韧作用不大。同时由于其造成孔隙、杂质等负面影响，可能导致材料的硬度下降。当纳米TiN添加重量逐渐增加时，材料中实际存在的纳米TiN颗粒不断增多，其强韧的效果也逐渐体现出来了。当纳米TiN添加重量大于6%时，断裂韧性和硬度下降而强度上升，是由于TiN在TiC基金属陶瓷中，可能与TiC、Ni、Mo形成固溶体(Ti、Ni、Mo)(C、N)覆于TiN或TiC的表面，即所谓的“SS”相：也可能残留下来作为硬质相。当它形成SS相时，可以阻止硬度相颗粒和粘结相之间各元素的扩散，起到细化晶粒的作用。但TiN本身的硬度较TiC低，而且在较高的温度下易分解产生氮气，所以在纳米TiN添加量较大时，强度、断裂韧性和硬度均有下降现象。
由上可知，纳米TiN添加对材料有一定的改性效果，力学性能有明显提高，各力学性能的峰值都分别对应一定的纳米TiN的添加量。当添加重量为6%～8%时，可获得较优的综合力学性能。

2 纳米TiN粉分散工艺的研究

纳米粉具有极微小粒度、高比表面和高表面活性。在制备过程中，由于颗粒间存在范德瓦尔斯力和库仑力，颗粒极易凝并、团聚形成二次颗粒，使粒径增大形成软团聚和硬团聚，最终失去超细颗粒所具备的功能。因此，必须通过物理、化学方法对纳米粉体进行表面处理，使其在液体介质中充分分散，以发挥纳米粉体应有的性能。
采用球磨和超声两种分散工艺。研究了用无水乙醇等有机物作为分散介质的分散特性和分散介质、表面活性剂种类及用量、分散体系PH值、超声时间对分散效果的影响。找出了较优的分散体系组分和分散工艺参数。

3 切削性能研究

用自制的纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷可转位刀片(TNU(G)N160412和SNUN150416)两种，与同样规格的YT15、YG8可转位刀片做成的车刀，在CA6140车床上进行对比性车削试验。

  1. 与YT15、YG8刀片切削45钢时的比较

    a.Vc=200m/min,ap=0.5,f=0.1mm/r
    b.Vc=200m/min,ap=0.5,f=0.5mm/r图2 纳米改性刀具与YT15、YG8刀具磨损曲线

    在切削速度Vc=200m/min，背吃刀量a
    p=0.5mm，进给量f=0.1mm/r和f=0.5mm/r的切削条件下，得到图2的磨损曲线。如图所示，纳米改性刀具比YT15刀具寿命长很多，当进给量较小时刀具以磨损形式而失效：当进给量较大时刀具以破损形式失效。
    纳米TiN改性刀具寿命较长的原因是:在干摩擦的条件下，TiC基金属陶瓷的磨损过程是粘结磨损加上硬质相的剥落。这是因为Ti(C，N)基金属陶瓷中主要硬质相TiC硬度大于YT系硬质合金中硬质相WC。更由于TiN的加入抑制了Mo向硬质相中的扩散和W、Ti等元素通过Ni向硬质相扩散，可以产生明显的细化晶粒、提高硬度和强度的效果，因此抗磨粒磨损的性能好。TiC基金属陶瓷的导热性好，与钢的摩擦系数较小，切削温度较低，可以减少扩散磨损，况且TiC基金属陶瓷的粘结相Ni、硬质相TiC向钢中扩散速度都小于Co和WC。另外，TiC和TiN在高温下可生成较致密的TiO2膜，可覆于刀具表面进一步阻止了各元素的扩散。所以TiC基金属陶瓷具有良好的抗扩散磨损能力。由于TiO2膜的形成和材料的细晶粒结构也增加了刀具抗粘结磨损能力。在TiC基金属陶瓷中Ni和TiN都提高了材料的耐腐蚀性和化学稳定性。由上可知，纳米TiN改性TiC金属陶瓷刀具具有很好的综合切削性能。
    图2b中，由于进给量较大，单位主切削刃上负荷较大，而TiC基金属陶瓷的强度、韧性比YT系硬质合金低，故造成崩刃。

  2. 与普通TiC基金属陶瓷刀片切削45钢和灰铸铁时的比较

    a.切削45钢
    b.切削灰铸铁图3 纳米改性对金属陶瓷刀具切削性能的影响

    在切削速度Vc=200m/min，背吃刀量a
    p=0.5mm，进给量f=0.1mm/r的切削条件下，分别加工45钢和灰铸铁，得到图3所示的磨损曲线。
    由图中看出，纳米改性金属陶瓷抗崩刃性、耐磨性均有较大提高。这是由于在TiC晶界分散的纳米TiN颗粒有钉扎晶界的作用，阻止TiC晶粒的长大，即有弥散强化和细晶强化的效果。纳米粉末的巨大表面能提供了烧结驱动力、活化烧结作用、促进扩散并降低烧结温度，有利于得到细晶结构。同时，TiC晶粒内部分散的TiN颗粒也起到固溶强化的作用。由此可知，纳米改性金属陶瓷是一种陶瓷增韧的新方法。
  3. 切削淬火钢时的比较

    图4 几种刀具切削淬火钢时的磨损曲线

    图4是切削速度Vc=30m/min，背吃刀量a
    p=0.5mm，进给量f=0.1mm/r条件下几种刀具切削淬火45钢(经中频淬火热处理，硬度为55HRC)的磨损曲线。由图中可以看出，在较低切削速度下，纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具切削淬火钢时刀具耐磨性好，寿命较长。曾用切削速度Vc>30m/min做试验，刀具在切削过程中急剧磨损，且以崩刃而失效。

4 结语

通过以上切削试验说明:纳米TiN改性TiC基金属陶瓷可转位刀片具有硬度高、高温性能和化学稳定性好、抗磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损和化学磨损的能力较强等优良特性，虽然韧性和强度稍低、抗崩刃性不太好，但在大多数情况下它的切削性能较硬质合金刀具好。
纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷是20世纪90年代出现的一种新型刀具材料，具有耐氧化、耐高温、耐磨等一系列优点，再加上其密度6.3～6.8g/cm
3，只有硬质合金密度13.5～14.8g/cm3的一半，即相同重量的粉末，金属陶瓷可获得2倍于硬质合金数量的制品，用作刀具材料不仅延长了使用寿命，而且降低了成本，生产应用具有广阔的前景。

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