摘要：制备了纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀片，并用该刀片与普通TiC基金属陶瓷刀片进行了对比切削试验。结果表明，添加TiN纳米粒子可有效改善TiC基金属陶瓷刀具的机械性能和切削性能，改性金属陶瓷刀片可以较高切削速度加工碳钢和合金钢，此时其主要失效形式为粘结磨损。

1 引言

金属陶瓷是20世纪70年代开发的一类具有优良机械力学性能和高温性能的新型工具材料。与传统的硬质合金刀具相比，金属陶瓷刀具的耐热性、耐磨性、抗月牙洼磨损能力等均有明显提高，但韧性和导热性相对较差。近年来，在陶瓷基体中加入少量纳米粒子以形成纳米陶瓷复合材料的研究取得了不少进展和成果。本研究基于这一思路，通过在TiC基金属陶瓷中加入TiN纳米粒子，获得了致密性好的纳米改性金属陶瓷材料，显著提高了金属陶瓷刀具的综合性能。

2 材料制备与切削试验

材料的制备
采用粉末冶金工艺制取成分为TiC-TiN-Mo-Co-Ni的纳米金属陶瓷材料。添加的TiN纳米粉的粒度为30～50nm，体积数为6%～8%。制粉时，首先用超声波仪对TiN纳米粒子进行超声分散处理；然后与金属陶瓷粉料混合，加入适量无水乙醇在球磨机上进行湿磨；然后将混合粉料烘干，加入PVA进行造粒，并在170MPa压力下模压成型；最后将坯料经真空烧结制成刀片。
材料机械性能测试
在日本产岛津万能试验机上测量纳米改性金属陶瓷材料试样(5mm×5mm×30mm)的断裂韧性和抗弯强度；用德国产三氏硬度计测量该试样的硬度。测试结果与普通TiC基金属陶瓷材料性能的对比见表1。由表1可知，经纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀片的机械性能得到提高。表1 两种材料机械性能对比材料性能断裂韧性

(MPa/m
^{2)抗弯强度
(MPa)硬度
(HRA)纳米改性金属陶瓷13.2136092.9普通金属陶瓷11.9105089.3表2 纳米改性金属陶瓷刀片切削40Cr的试验结果试验组号a_{p
(mm)v_{c
(m/min)f
(mm/r)t
(min)失效形式112000.1595磨损12000.1260磨损12000.123磨损213000.3172磨损13000.516磨损312000.3410磨损22000.3367磨损表3 两种刀片切削45钢的试验结果刀片材料a_{p
(mm)v_{c
(m/min)f
(mm/r)t
(min)失效形式纳米改性金属陶瓷12000.1452磨损12000.3310磨损普通金属陶瓷12000.1185磨损12000.130磨损}}}}}
试验条件
切削试验在华中Ⅰ型(CJK6032)
数控车床上用纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀片分别对40Cr和45钢(正火态)工件材料进行了切削试验。刀具磨钝标准取为后刀面磨损量VB=0.3mm。用纳米改性金属陶瓷刀片切削40Cr、用纳米改性和普通型两种TiC基金属陶瓷刀片切削45钢时的切削用量(切削深度a
_{p、切削速度v_{c、进给量f)以及刀具寿命(t)和失效形式分别列于表2和表3。}}

3 试验结果分析

经纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具切削40Cr和45钢时，刀片主要以磨损形式失效，因此刀具使用寿命较长。此外，该刀具可采用较高切削速度，且加工表面质量较好。普通金属陶瓷刀具在干磨损条件下的磨损过程主要为粘结磨损和硬质相剥落。纳米改性金属陶瓷刀具的磨损过程虽与普通金属陶瓷刀具基本一致，但其高温强度和硬度较高，与钢的摩擦系数较小，因此切削温度相对较低，从而减缓了刀具磨损速度，提高了耐用度。此外，纳米改性金属陶瓷刀具的抗氧化性能好，刀具边界磨损小，因此加工表面质量较好。
随着切削速度和进给量的增大，刀具磨损速度加快，使用寿命下降。切削深度对刀具寿命的影响相对较小，这主要因为加工时切削力所做的功只有一小部分作为变形能储存在工件和切屑中，其余大部分做功均转化为切削热。随着切削速度的提高，刀具与工件接触面的切削温度也随之升高，这一方面会降低刀具材料的表面硬度和耐磨性能，另一方面会增加刀具材料与工件材料的亲和性，从而加剧刀具的粘结磨损，降低刀具耐用度及加工质量。此外，随着进给量的增大，刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦阻力增大，也会加剧刀具磨损，甚至引发“微崩”现象，使刀具迅速失效。

(a)f=0.1mm/r

(b)f=0.3mm/r图两种金属陶瓷刀具的磨损曲线对比

与普通TiC基金属陶瓷刀具相比，纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具的抗崩刃性、耐磨性和使用寿命均有较大幅度提高。对比切削正火态45钢时的刀具磨损曲线(见右图，图中Ⅰ为纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具的磨损曲线，Ⅱ为普通TiC基金属陶瓷刀具的磨损曲线)，可发现两种金属陶瓷刀具均经历了磨合→稳定磨损→剧烈磨损三个阶段，最终以磨损形式失效，但改性金属陶瓷刀具的磨损速度明显低于普通金属陶瓷刀具。究其原因，在切削中碳钢时，刀具磨损形式以前刀面粘结磨损和后刀面摩擦磨损为主。当切削速度较高时，还可能产生扩散磨损和氧化磨损，虽然在刀具总磨损量中所占比例不大，但会加剧刀具的粘结磨损。后刀面磨损与刀具材料的硬度和高温硬度直接相关；前刀面磨损速度则与刀具材料的硬度、高温化学稳定性以及材料间的扩散性等有着密切关系。当在TiC基金属陶瓷中加入TiN纳米粉后，在致密化烧结时，由于纳米粒子颗粒细小，比表面大，扩散速度快，从而可增大烧结驱动力，加快材料的致密化速度，提高致密度，从而显著提高和改善材料的机械力学性能。此时，虽然金属陶瓷组织仍由陶瓷相和硬质相组成，但TiN纳米粒子在晶界上的分布阻止了晶粒长大，起到了细化组织的作用。同时，加入纳米TiN后还可降低烧结温度，抑制Mo向硬质相的扩散，起到细化晶粒的效果。另外，纳米粒子在高温时可牵制位错运动，改善金属陶瓷的高温力学性能。因此，加入TiN纳米粉的TiC基金属陶瓷刀具在强度、硬度、化学稳定性、抗磨损能力等综合性能上均优于普通TiC基金属陶瓷刀具。

4 结论

纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具具有优良的切削性能，可在较高切削速度下切削加工碳钢和合金钢，此时刀具的主要失效形式为粘结磨损。
在金属陶瓷中添加TiN纳米粒子后，刀具的强度、硬度、耐磨性、抗氧化性等均得到改善，从而提高了刀具抗粘结磨损、磨粒磨损和氧化磨损能力，延长了刀片使用寿命。

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纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具切削的性能

1 引言

2 材料制备与切削试验

3 试验结果分析

4 结论

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