摘要：在常规的金属陶瓷刀具材料中添加纳米粉末可制备出性能优异的纳米改性金属陶瓷刀具材料。对造成金属陶瓷刀具磨损的原因进行了分析，与其他刀具材料进行了力学性能比较，用4种不同的工件材料进行了切削试验。试验结果表明纳米改性金属陶瓷刀具材料适合高速加工塑性材料，同时表现出优异的切削性能。
引言
金属陶瓷刀具由于具有硬度高、耐磨性好、高温力学性能优良和不易与金属发生粘结等特性，广泛应用于难加工材料的切削加工中，并可用于超高速切削、高速干切削和硬材料切削。在TiC基金属陶瓷刀具中添加纳米TiN颗粒，其强度、韧性和硬度等性能都有一定的提高。
由于纳米改性金属陶瓷刀具在切削加工过程中承受着高温和高压的作用以及其力学性能的限制，不可避免地要有不同程度的磨损。已有的研究表明，每一种刀具材料都有其特定的加工范围，不同的刀具材料在加工不同的工件材料时其磨损形态和刀具寿命也会有很大的不同。因此，存在着纳米改性金属陶瓷刀具与切削对象的合理匹配问题。本文对所制备的纳米改性金属陶瓷刀具进行切削试验，并参考相关文献报道，对其与加工对象的合理匹配问题以及其切削加工时的磨损等问题进行分析。
1 影响金属陶瓷刀具磨损的原因
通常刀具的失效形式分为磨损和破损两类。已有的研究表明，金属陶瓷刀具切削加工时的磨损与所加工的工件材料和切削条件密切相关，在不同的切削条件下加工不同的工件材料时，占主导地位的磨损机制有所不同。
从根本上看，决定金属陶瓷刀具磨损的主要原因是其力学性能和微观结构。Evans A G等研究指出，陶瓷材料所固有的脆性是导致其磨损的主要原因，因此，他把陶瓷材料的硬度和断裂韧性等力学性能与其磨损特性联系起来，建立了描述陶瓷材料磨料磨损的数学模型。 (1)式中：V——磨损体积
K
IC——断裂韧性
H——硬度
n——磨粒数
F——垂直于磨粒上的力
从材料的微观结构上看，金属陶瓷刀具磨损的基本现象是材料的断裂及转移，因此，裂纹的形成与扩展对金属陶瓷刀具的磨损产生重要影响。由于金属陶瓷材料为复相结构，在晶界存在气孔和杂质等缺陷，并且各相之间存在热胀失配和弹性模量的差别。晶界气孔的存在会导致应力集中，气孔作为裂纹源将诱导晶界裂纹，裂纹扩展至气孔时与气孔连接，其结果加速了裂纹的扩展。Rice R W等研究表明，弹性模量与热胀失配产生的过大残余应力会导致材料在未受载荷时就产生开裂，气孔率的增加使金属陶瓷刀具的耐磨性能大大降低。
2 刀具材料的力学性能
在常规材料中加入纳米粉体可制备出纳米复相陶瓷材料，同时可提高材料的强度和韧性。研制的纳米改性金属陶瓷刀具材料，是添加TiN的Ti( C, N)基金属陶瓷，其中TiN是纳米级的微粉。
纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具的基础成分主要有：TiC、TiN、WC、Ni、Co、Mo、C。各化学成分的比例关系为：54TiC-10TiN(nm)-15Mo-20Ni-1C。TiC、TiN及WC是金属陶瓷刀具的硬质相，Ni为主要的粘结相，由于Co具有比Ni更高的韧性和硬度，与硬质相润湿好，能减少合金孔隙度，故以Co取代部分Ni可使金属陶瓷具有高硬度和高强度的良好匹配。而Mo能显著改善液态金属对硬质相的润湿性，烧结时能抑制碳化物相晶粒的长大，对烧结后金属陶瓷的性能影响也很大。所制备的金属陶瓷刀片主要有三角形和正方形，该刀片主要用于车削加工。对纳米改性金属陶瓷的抗弯强度及硬度进行了测试，测得其三点弯曲强度为136OMPa，硬度为92.9HRA 。并将其力学性能与其余的刀具材料进行了比较，见下表。 几种刀具材料的力学性能比较表材料性能刀具材料高速钢WC基硬质合金纳米TiN改性
TiC基金属陶瓷非金属陶瓷立方氮化硼硬度83～86HRA89～95HRA92.9HRA91～95HRA8000～9OOOHV抗弯强度σ
b/GPa1.96～5.880.73～2.541.360.29～0.68O.294
从上表可以看出，纳米改性金属陶瓷刀具材料的力学性能介于WC基硬质合金和非金属陶瓷之间，其硬度比WC基硬质合金高，但比非金属陶瓷低；而其抗弯强度则要比WC基硬质合金低，高于非金属陶瓷。因此，正确地认识纳米改性金属陶瓷刀具材料的力学性能，是对其进行合理使用的关键。
3 切削性能试验
在具体切削条件下的使用情况能够体现刀具材料性能，即耐磨性能、抗冲击能力等，同时必须深入研究刀具的磨损和使用寿命规律及磨损机理。因此，分别加工了不同的工件材料，并与未加纳米材料改性的TiC基金属陶瓷刀具、WC基硬质合金刀具(YG8和YT15)分别进行了对比切削试验。
试验刀片均为机夹可转位刀片，有正方形与三角形两种。刀片材料分别为Ti(C, N)基金属陶瓷(未加纳米材料)、纳米改性的Ti(C , N)基金属陶瓷、YT15(钨钴钛类硬质合金)和YG8(钨钴类硬质合金)。试验机床为CA6140。
3.1 连续车削45号钢
45号钢是切削加工中最常见的一种工件材料，根据测试得到的纳米改性金属陶瓷刀具材料的力学性能参数，以及将该刀具材料与其他刀具材料力学性能进行比较后可知：此刀具材料适用于半精加工及精加工的切削加工中，因此选用了刀具几何参数为：主偏角κ
r=90°，副偏角κr=30°，前角γ0=7°，后角α0=8°，刃倾角λs=0°，刀刃无倒棱。切削用量为：切削速度v=200m/min，切削深度ap=0.5mm，进给量f=0.1mm/r 。
在此切削条件下，进行了纳米改性金属陶瓷刀具与未改性金属陶瓷刀具、YT15硬质合金刀具的切削性能比较，可知：在刀具后刀面平均磨损量近似等于0.25mm 时，纳米改性刀具比未加纳米粉刀具的使用寿命提高了1倍，比YT15提高3倍；而且未加纳米粉金属陶瓷刀具在刀具后刀面平均磨损量为0.25mm时即发生崩刃，而纳米改性金属陶瓷刀具切削时未发生崩刃现象，一直切削到刀具达到正常的磨损极限。这说明纳米改性金属陶瓷刀具的强韧性比未加纳米粉金属陶瓷刀具要高，这也是纳米TiN颗粒对金属陶瓷刀具材料达到改性效果的一个体现。
3.2 连续车削淬火钢(45号钢，55HRC)
加工淬火钢时各刀具材料的磨损曲线。由于此工件材料为淬过火的45号钢，硬度高，所以能进行正常切削的切削速度比45号钢(未淬火)的低。普通的硬质合金刀具通常不能进行这种高硬度材料的加工，但通过试验表明，纳米改性金属陶瓷刀具能进行切削。
可以看出，在此切削条件下(v=30m/min, a
p=0.5mm, f=0.1mm/r) ，纳米改性金属陶瓷刀具的使用寿命明显比其他刀具的使用寿命高，比未加纳米粉的高2～3倍，比YT15高4倍以上，显示出良好的切削性能。由于工件硬度高，切削试验时，刀具的失效形式多为崩刃。
3.3 连续车削不锈钢(1Cri8Ni9Ti)
不锈钢因其材料的导热性差，韧性好，属难加工材料，常用YG 类硬质合金刀具进行加工。而纳米改性金属陶瓷刀具材料，因其自身导热性能的改善，硬度的提高，由不同刀具材料的磨损对比试验表明：在精加工不锈钢材料时(v=60m/min , a
p=0.4mm, f=0.1mm/r)，纳米改性金属陶瓷刀具的使用寿命比YG8提高了2倍。
3.4 连续车削灰铸铁(180～210HB)
铸铁材料为脆性材料，切屑为崩碎切屑，切削时冲击力大，切屑与前刀面的接触面积小，单位压力大，因此刀具易受冲击；切削速度比钢低，否则刀具会由于崩刃而不能使用。由不同刀具材料的磨损对比试验结果表明：在所选切削条件下(v=70m/min, a
p=1mm, f=0.1 mm/r)，纳米改性金属陶瓷刀具的切削性能不如YG8刀具好。变换不同切削用量的切削试验结果也表明，总的来说，纳米改性金属陶瓷刀具切削灰铸铁时，使用寿命不如切钢时高，纳米改性金属陶瓷刀具的切削性能在切削铸铁时比YGS 刀具材料切削性能要差，因此纳米改性金属陶瓷刀具材料在加工灰铸铁时优势不大。
4 试验结果讨论
- 通过对4种不同工件材料的切削性能试验比较得知：所研制的刀具适合加工钢等塑性金属材料，因其具有良好的耐磨性及高温切削性能，特别适合于在高速精加工及半精加工中使用。且由于纳米改性金属陶瓷刀具表现出较好的导热性能，因此这类刀具在加工不锈钢这类导热性差、韧性好的难加工工件材料时，也有很好的切削性能。
- 淬过火的零件由于硬度高，一般采用磨削加工，用纳米改性金属陶瓷刀具来进行车削，取得了初步成功。
- 在切削试验中，纳米改性的金属陶瓷刀具均比未改性的金属陶瓷刀具切削性能好，因此，用纳米技术来对金属陶瓷进行增韧是一种切实可行的方法。同时在试验中，发现研制的刀具容易刃磨，比YG8及YT15刃磨性能都要好，这为这类刀具的制造创造了条件。
- 在加工铸铁这类脆性材料时，所研制刀具的切削性能比YG8刀具差，这主要是切削铸铁时形成的切屑是崩碎切屑，刀-屑间的接触长度短，切削时的振动较大，因此对刀具的抗弯强度要求较高，纳米改性的金属陶瓷刀具材料不适合用来加工脆性材料。
- 在高速切削时表现出良好的切削性能，因此纳米改性的Ti(C, N)基金属陶瓷刀具不失为一种理想的用于高速切削加工的刀具，而且随着此类刀具的强韧性的不断提高，使用范围会不断扩大。在纳米改性的金属陶瓷刀具的制备中，由于纳米粉的添加量占整个材料成分的比例较少(约占6 %左右), 因此刀具的成本提高不大，其性能价格比和未加纳米的金属陶瓷刀具相比则有较大提高。
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