1 陶瓷刀具切削加工时的磨损

1. 影响陶瓷刀刀具磨损的外部因素
   影响陶瓷刀具磨损的外部因素主要有工件材料和切削温度。陶瓷刀具主要用于高速切削场合，切削温度常常高达800～1 000 ℃ ，甚至更高，切削压力很大。因此，陶瓷刀具的磨损是机械磨损和化学磨损综合作用的结果。机械磨损主要包括磨料磨损、粘结磨损、塑性磨损和徽观断裂等。化学磨损主要是指在高温下陶瓷刀具的组分与工件材料发生化学反应、化学溶解以及刀具和工件间元素的扩散等。已有的研究表明，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。如在低速切削时，由于切削温度较低，其磨损机制往往表现为磨料磨损；而在高速切削时则以高温引起的化学反应、氧化磨损和扩散磨损占主导地位。由于在高温下工件材料硬度有所下降，因而磨料磨损逐渐减小。而化学磨损与切削温度密切有关，其表达式如下
   
   K=A
   ^{-(E/RT)(1)式中：K——化学磨损量}
   A——常数
   E——由刀具和工件材料组合所决定的活化能
   T——热力学温度
   R——气体常数

   图1 Al
   _{2O3/TiB2陶瓷刀具切削加工35CrMoSiA时后刀面磨损形貌的SEM 照片，×1000
   图2 Al2O3/TiB2/TiB2陶瓷刀具加工裸基合金时前刀面粘结区的SEM照片，×500
   (a)
   (b)图3 Al2O3/TiB2/SiCw陶瓷刀具加工裸基合金时前刀面粘结区横截面Ni和Cr的线扫描照片，×1 000}

   我们的研究表明：Al
   _{2O3陶瓷刀具在连续切削钢件时，其磨损的主要原因是伴有微崩刃的磨料磨损和粘结磨损；而切削铸铁时，则主要是磨料磨损。工件中常含有各种非金属夹杂物或添加剂，如SiO2、CaO和MnS等。用Al2O3基陶瓷刀具高速切削时，由于高温和高压的作用，这些夹杂物容易与刀具材料发生化学反应。如Al2O3陶瓷刀具切削钙(Ca)脱氧钢时，工件中的Ca与Al2O3发生反应，在刀具表面上生成一层不稳定的、低熔点的CaO/Al2O3玻璃状附着层，使刀具软化，耐磨性显著降低。有研究发现：Al2O3基陶瓷刀具切削时刀具表层存在塑性变形现象，并认为这是由于Al2O3与FeO(钢表面氧化产物)反应形成了尖晶石结构，或者是Al2O3与CaO等作用形成了低熔点和低硬度的化合物，从而降低了刀具的耐磨性能。}
   Tönshoff等用Al
   _{2O3/ZrO2陶瓷刀具加工AISI104O 时得出，刀具的磨损机理主要表现为粘结磨损和磨料磨损．而用Si3N4陶瓷刀具加工时，刀具表面存在严重的化学反应。有文献进行了Al2O3/TiB2陶瓷刀具切削加工高强钢的试验研究，结果表明刀具后刀面主要是磨料磨损，且随TiB2质量分数的增加刀具的耐磨性增大。图1为Al2O3/TiB2陶瓷刀具后刀面的磨损形貌。可见，磨损面上有晶粒脱落现象和机械耕犁沟槽。}
   Brandt通过研究Al
   2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel718时得出，在低速切削条件下，磨料磨损和粘结磨损为刀具的主要磨损机制，而在高速切削条件下，粘结磨损、化学反应和扩散磨损为刀具的主要磨损机制。由于Inconel718高温强度高，塑性变形大，加工硬化严重，切削力和切削温度均很高．当切削温度小于900 ℃ 时，刀具前刀面以粘结磨损为主，当温度达1 200℃ 时，Ni就开始向刀具中扩散。图2为当v=150m/min时，Al2O3/TiB2/SiCw陶瓷刀具加工镍基合金时前刀面粘结区的SEM照片。图3为粘结区横截面Ni和Cr元素的线扫描照片。可见，刀具前刀面的粘结非常严重，在刀具与切屑界面Ni已扩散到刀具中去。Ni的扩散一方面使得刀具材料表面硬度下降，性能降低，另一方面使得刀具与工件的亲和性增加，粘结磨损增大．因此，用这种陶瓷刀具加工镍基合金时，必须使用切削液以降低切削温度。

   图4 晶须增韧陶瓷刀具以不同表面作为前刀面时晶须分布示意图

   对于晶须增韧陶瓷刀具，由于晶须在热压过程中定向分布于垂直热压轴面内，造成晶须在不同表面上分布的差异(见图4)。因此．晶须增韧陶瓷刀具的耐磨性与晶须的取向有关同．q=0的表面耐磨性能最弱(q为所研究平面与垂直于热压方向的夹角)，而q=90°的表面耐磨性能最好。当刀具以后刀面磨损为主时，应选用q=90°表面作为刀具后刀面；当刀具以前刀面磨损为主时，应选用q=90°表面作为刀具前刀面；而当刀具前后刀面均存在较大磨损时，应选用q=45°表面作为刀具前(或后)刀面，以提高刀具的抗磨损能力。
   Si
   _{3N4基陶瓷自20世纪70年代后期开始作为刀具使用，目前已在铸铁和镍基合金的切削加工中得到广泛应用。Si3N4基陶瓷高速切削铸铁时主要发生磨料磨损，而高速切削碳钢时主要发生化学磨损。化学磨损本身在陶瓷刀具的总磨损量中所占的比例一般不大，但化学磨损的重要在于它能大大加剧磨料磨担。如化学溶解及扩散作用会引起陶瓷表面强度减弱，加剧刀具与工件间粘结，从而导致严重的粘结磨损和微观断裂磨损。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI1045钢时刀具的磨损比切削灰铸铁时高得多。切削铸铁时工件和刀具之间的Fe和Si等元素的相互扩散作用要比切削钢时小得多。在加工钢时，Si3N4陶瓷刀具的磨损主要与刀具和工件间的化学作用有关，由于Si3N4的化学溶解及其不断地被从玻璃相中拔除，Si3N4陶瓷刀具表现了很高的磨损。}
2. 影响陶瓷刀具磨损的内部因素
   陶瓷刀具的磨损与工件材料和切削条件密切相关，然而从根本上看决定陶瓷刀具磨损的主要因素还是其力学性能和微观结构。Evans等研究指出，陶瓷材料所固有的脆性是导致其启损的主要原因，因此，他把陶瓷材料的硬度和断裂韧度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
   
   (2)式中：V——磨损体积
   K
   _{IC——断裂韧度}
   H——硬度
   n——磨粒数
   F——垂直于磨粒上的力
   Wayne对Al
   _{2O3、Al2O3/TiC和Si3N4等陶瓷的磨料磨损特性进行了研究证明。式(2)能定性地反映陶瓷的磨损与其力学性能的关系．但计算结果往往与实际测量值有较大的差距，这主要是公式中没有考虑陶瓷材料微观结构影响。}
   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陶瓷刀具的磨损产生重要的影响。由于陶瓷材料多为复相陶瓷，在晶界存在玻璃相、气孔和杂质等，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等研究表明，弹性模量与热胀失配产生过大的残余应力会导致材料在未受载荷时就产生开裂，气孔率的增加使陶瓷刀具的耐磨性能大大降低。
   另外，多晶陶瓷刀具材料由于所加的添加剂在烧结过程中主要以玻璃相存在于晶界上，在高速切削产生高温的条样下，玻璃相粘度将降低而发生塑性流动，导致晶界滑移，并在晶界交界处产生应力集中。如果应力集中使得相邻晶粒完全塑性变形，则使应力松弛，如果不能与邻近晶界变形相适应，则应力集中将使晶界处产生裂纹，裂纹成核以后，随着晶界滑移程度的不断增加，将会引起裂纹的产生与扩展。
   陶瓷刀具材料晶体中大量位错为裂纹成核提供了另一种方式，由于位错而产生的裂纹随着磨损过程的不断进行，位错不断增值，在晶界就会形成更多的徽裂纹，这些裂纹相接就会形成连续裂纹，从而导致陶瓷刀具耐磨性能的下降。陶瓷刀具材料磨损可能出现的区域主要是材料表面和内部有缺陷聚集的地方，如位错、空穴、杂质和徽裂纹等，这些缺陷的程度、数量和分布情况对陶瓷刀具的磨损起决定性的影响。

2 陶瓷刀具切削加工时的润滑