2 刀具性能试验

表1 Al
2O3-TiB2-ZrO2陶瓷材料的成分构成(Vol%)试样号Z0ZB2ZB3Al2O37070～7760～67TiB2302030ZrO203～103～10表2 刀具几何参数刀具材料g0a0Krlsa0Kr陶瓷-10°10°75°-5°5°15°硬质合金5°10°75°-5°5°15°表3 试验切削用量切削方式v(m/s)ap(mm)f(mm/r)连续切削2.310.15断续切削2.30.50.1表4 复合陶瓷材料的力学性能试样抗弯强度
(MPa)断裂韧性
(MPa·m½)硬度HV
(GPa)相对密度
(%)Z04286.1619.197.3ZB26557.5618.398.4ZB35877.9219.097.1
1. 刀具材料的制备
制备刀具所用Al
2O3粉体的纯度为99.9%，平均粒径为0.9µm，TiB2粉体的平均粒径为0. 5µm，ZrO2粉体的平均粒径为0.5µm。采用化学共沉淀法进行制备，其中含稳定剂Y2O32.8mol%。刀具材料各组分按表1配方配料，并添加少量MgO作为助烧结剂，经球磨混合均匀和烘干后在热压炉上进行烧结，烧结温度为1600～1750℃，加压20～30MPa，保温0.5～2.0小时。烧结后的陶瓷坯体经切割和磨削加工制成各种试样。

试验方法

1. 力学性能测试方法
在维氏硬度计上测定各种刀具试样的HV硬度；在LJ-500型材料试验机上用三点弯曲法测量试样的抗弯强度s
b；用单边缺口梁法测定试样的断裂韧性K1C；用排水法测量试样的密度；以实测密度与理论密度之比作为相对密度。

切削性能试验方法

在CA6140机床上采用机夹式不重磨车刀进行切削试验，并用硬质合金YT15作为对比刀具材料。车刀几何参数见表2。工件材料为经调质处理的45钢，硬度为25～30HRC，工件试棒直径为110mm。断续车削试样是在连续车削试棒上沿轴向铣削两个对称分布的矩形槽(槽宽6mm)，切削材料每转一圈，刀具承受两次冲击力。试验采用的切削用量见表3。用JGX-2大型工具显微镜测量车刀主后刀面的磨损量，在JXA-840电子扫描显微镜上观察磨损表面形貌。

3 试验结果与分析

1. 复合陶瓷刀具的力学性能
复合陶瓷刀具材料的力学性能测试结果见表4。表中，试样Z0是用TiB
2颗粒强化Al2O3获得的材料，试样ZB2和ZB3是用ZrO2和TiB2复合强化Al2O3获得的材料。众所周知，刀具材料必须具备足够的硬度。TiB2的硬度为32GPa，在Al2O3中加入TiB2对保证复合材料的高硬度可起到重要作用。但TiB2属于难烧结材料，其含量过多会使材料密度趋于降低。ZrO2的加入可明显提高材料的强度和韧性。ZrO2除可起到颗粒弥散强化作用外，更重要的是可起到相变增韧作用。但ZrO2的硬度低于Al2O3基体硬度，故其添加量要受到限制。对比Z0和ZB3的测试结果可知，在本试验所用含量下，未引起材料硬度明显下降。

复合陶瓷刀具的磨损性能

1. 连续切削时的磨损性能
三种陶瓷刀具和YT15硬质合金刀具切削调质45钢时的磨损曲线如图1所示。

 

图1 四种刀具后刀面磨损与切削时间的关系

图2 ZB2刀具磨损面的电镜照片
由图可见，三种陶瓷刀具的耐磨性均优于YT15硬质合金刀具。在三种陶瓷刀具中，ZB3 的TiB
_{2含量高于ZB2，因此其硬度较高，耐磨性能也更好；Z0的TiB2含量与ZB3相同，ZB3中加入了少量ZrO2，但其硬度并未明显下降，经24分钟切削试验后发现，两者的磨损量相近。一般认为，陶瓷的磨损抗力取决于硬度与韧性的良好配合。研究表明，磨损工况越剧烈，韧性所起的作用则越显重要。在本试验条件下，陶瓷刀具的磨损机理可能有三种：①塑性犁耕机制；②微区剥离机制；③摩擦化学机制。SEM观测表明，在参与试验的三种陶瓷刀具和YT15硬质合金刀具的表面均可见大量犁耕和塑性流变痕迹。但是，存在于刀具表面的许多断口特征形貌表明，微区剥离是三种脆性陶瓷刀具的主要磨损机制。这种磨损机制的物理模型最早由Evans建立，他认为，当对磨副上的微凸体切入陶瓷基体中时，会产生平行于表面的横向裂纹，通过该裂纹向表面扩展而产生微区剥离，从而引起材料的转移。Evans模型已得到广泛认同，但由于磨损表面呈动态变化特性，观测并保留证据比较困难，因此Evans并未给出微凸体切入陶瓷基体的明确证据。图2是在试验中观测到的可证明Evans 模型的电镜照片，由图可见，在ZB2 表面存在大量犁沟，图中央有一尖物切入基体，四周存在较多微小裂纹。可以设想，该表面在其后的反复滑动摩擦作用下，很容易形成微区剥离。}
由于陶瓷刀具本身导热性较差，切削时刀具表面温度可达1000℃以上，加上剧烈的摩擦作用，可能发生下列化学反应： TiB
_{2+5/2O2=TiO2+B2O3}
该反应导致TiB
_{2硬质颗粒对磨损抗力的贡献下降，从而促进了刀具磨损。另一方面，由于TiB2含量较少，加之反应产物B2O3在较高切削温度下具有较低粘性，可起到一定的减摩润滑作用，从而使这种磨损机制不起主导作用。}

(a)×6000              (b)×2500

图3 刀具磨损表面粘结物的电镜照片
 

在陶瓷刀具和YT15刀具表面均发现大量粘结物，如图3a、3b所示。能谱检测表明，粘结物的主要元素成分为Fe，但图3a和图3b中粘结层的形貌有较大区别。由图3a可见，Z0刀具表面的粘结物结构疏松，有较多裂纹，部分颗粒已快脱落，由此可知，这种涂敷在刀具表面的粘结物与陶瓷基体的结合力较弱，且极不稳定，当其脱落时不一定造成陶瓷材料的转移，在其它陶瓷刀具表面也有类似粘结物。而由图3b可见，硬质合金表面的粘结物结构致密，与基体结合较牢固，当其被撕裂时，极可能造成粘结磨损。因此，YT15 硬质合金刀具发生粘结磨损的机率要高于三种陶瓷刀具。关于陶瓷表面粘结涂敷层对磨损的影响已引起较多注意，但尚缺乏较系统的研究。

图4 四种刀具断续切削时的抗冲击性能

图5 ZB
_{2刀具后刀面上因断续切削引起的微区剥离和微裂纹(×1500电镜照片)}

断续切削时的磨损性能

三种陶瓷刀具和YT15硬质合金刀具断续切削时的抗冲击次数如图4所示。试验采用在线监控切削力的方法识别刀具破损。刀具断续切削时，要同时承受工件的摩擦作用和小能量多次冲击作用，其破坏形式主要为刀尖或刃部形成的微小崩刃，与连续切削磨损相比，它所引起的材料转移速率要大得多，其原因为：①由于冲击载荷作用，促使摩擦面上形成更多微裂纹并迅速扩展，从而加速了微区剥离所引起的磨损过程；②由于磨损使刀具表面状态恶化，容易诱发微裂纹的产生，在冲击载荷作用下使刃口加速崩落。因此，断续切削时陶瓷刀具的失效形式是磨损和小能量多次冲击交互作用的结果。如图5所示，ZB
_{2刀具的磨损面上除了犁沟和断口形貌外，还有较多裂纹出现。由图4可知，刀具材料中加入ZrO2后对提高其抗冲击磨损性能效果十分显著(与YT15刀具相近)，明显优于单纯添加TiB2的Z0刀具，这得益于ZrO2的相变增韧作用。}
 

4 结论

1. 三元复合陶瓷材料TiB_{2-ZrO2-Al2O3由于加入了少量ZrO2，材料的强度和韧性明显提高，硬度无明显降低，具有较好的综合力学性能。}
2. 在连续切削时，三种陶瓷刀具的磨损抗力均高于YT15硬质合金刀具，Z0和ZB3刀具的效果更佳。刀具的磨损机理以微区脆性剥离为主，塑性犁耕和摩擦化学机制也起到一定作用。
3. 由于ZrO_{2具有相变增韧作用，材料中加入ZrO2可明显提高刀具的抗冲击磨损性能。}