金屬陶瓷刀具切削難加工材料時的磨損性能研究

1 引言隨著機械工業(yè)的發(fā)展，許多難加工材料(如冷硬鑄鐵、淬硬鋼、不銹鋼、鈦合金等)的應(yīng)用日趨廣泛。1Cr18Ni9Ti不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，導(dǎo)熱性差、韌性好，難于加工。該不銹鋼中Cr和Ni含量較高，Cr雖能提高不銹鋼的強度和韌性，但增加了不銹鋼與刀具的粘結(jié)傾向；Ni可起到穩(wěn)定奧氏體組織的作用，但奧氏體組織塑性大，容易引起加工硬化。在實際生產(chǎn)中一般采用鎢鈷類(YG8等)硬質(zhì)合金刀具進行加工，但加工效果并不十分理想。冷硬鑄鐵中的C主要以Fe3C等碳化物的形式存在，且相當(dāng)一部分以硬質(zhì)點的形態(tài)分布于鋼基體中，因此冷硬鑄鐵硬度高、耐磨性好，難于切削加工。切削時，硬質(zhì)點的脫落會造成切削力波動，影響切削平穩(wěn)性，使刀具較易崩刃而降低使用壽命。因此，迄今國內(nèi)尚無切削加工冷硬鑄鐵的理想方法。 Ti(C，N)基金屬陶瓷因具有硬度高、耐磨性好、導(dǎo)熱性好等優(yōu)良的綜合性能而被廣泛用作工具材料。本文通過切削試驗，研究了經(jīng)納米TiN改性的TiC基金屬陶瓷刀具加工冷硬鑄鐵和不銹鋼兩種難加工材料時的切削性能，并與YG8硬質(zhì)合金刀具進行了對比，為拓寬金屬陶瓷刀具的應(yīng)用范圍，將其用于難加工材料切削加工提供了試驗依據(jù)。 2 試驗方法金屬陶瓷刀片(型號為SNUN150406)的材料成分為54TiC-10TiN(納米粉)-15Mo-20Ni-1C。TiN 納米粉由中國科學(xué)院成都有機化學(xué)研究所生產(chǎn)，粒度為30～50nm。制備時，先用ZB220-T超聲波儀對TiN納米粉進行分散，混料后加入適量無水乙醇并球磨24小時；待混合料干燥后，加入PVA進行造粒，然后在170MPa壓力下模壓成型；最后在1400℃溫度下真空燒結(jié)1小時。 切削試驗在6140機床上進行。被加工工件分別為Ø183mm冷硬鑄鐵軋輥(硬度>50HRC)和Ø80mm奧氏體不銹鋼鋼棒(1Cr18Ni9Ti)。刀具安裝角度為a0=9°、g0=-8°、kr=90°、kr'=30°。YG8硬質(zhì)合金刀片(株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn))的型號及切削參數(shù)(切削速度vc、進刀量f及切深ap)與金屬陶瓷刀片相同。進行切削后，在40倍工具顯微鏡下測量刀具后刀面磨損量VB并觀察其磨損形態(tài)，用HITACHIX-650掃描電鏡和H-800透射電鏡觀察金屬陶瓷刀具的顯微組織。

(a)SEM形貌(×3000)

(b)TEM形貌(×20000) 圖1 金屬陶瓷刀具的顯微組織

(f=0.08mm/r，ap=2mm，vc=7.5m/min)

圖2 金屬陶瓷刀具和YG8刀具切削冷硬鑄鐵時的磨損曲線

(f=0.1mm/r，ap=0.4mm，vc=60m/min)

圖3 金屬陶瓷刀具和YG8刀具切削不銹鋼時的磨損曲線 3 試驗結(jié)果與分析 金屬陶瓷刀具的顯微組織 金屬陶瓷刀具的顯微組織如圖1所示。由圖可見，金屬陶瓷組織由陶瓷相和金屬相組成(圖1a)；較粗大的陶瓷相呈芯/殼結(jié)構(gòu)(圖1b)，芯部成分為Ti(C，N)固溶體，殼部成分主要為(Ti，Mo，W)(C，N)固溶體。與傳統(tǒng)的Ti(C，N)基金屬陶瓷顯微組織對比可知，向TiC基金屬陶瓷中添加納米TiN與添加微米TiN相比，對基體TiC的細化效果更為顯著。 金屬陶瓷刀具與YG8刀具切削性能對比 切削冷硬鑄鐵 用金屬陶瓷刀具和YG8硬質(zhì)合金刀具切削冷硬鑄鐵時的刀具磨損曲線對比如圖2所示。由圖可見，金屬陶瓷刀具的切削性能與YG8硬質(zhì)合金刀具差別較大，金屬陶瓷刀具初期磨損非�？�，在不到三分鐘時間內(nèi)磨損量VB即達到0.4mm，之后磨損速度雖有所下降，但仍然較快，且?guī)缀醪淮嬖诜�(wěn)定磨損期，最后刀具崩刃失效。 在其它切削用量條件下進行切削試驗，發(fā)現(xiàn)金屬陶瓷刀具的切削壽命(t)均較低(最多幾分鐘)，失效形式一般為崩刃或微崩。由此可見，金屬陶瓷刀具不適合切削冷硬鑄鐵，這主要因為金屬陶瓷的抗彎強度和抗疲勞強度較低，切削冷硬鑄鐵時切削力和切削力波動均較大，因此金屬陶瓷刀具極易崩刃失效。而YG8硬質(zhì)合金刀具強度高、韌性好，抗機械疲勞性能較好，切削冷硬鑄鐵時刀具壽命較長。此外，切削冷硬鑄鐵時，刀具幾何角度也是影響刀具壽命的一個重要因素。為減小切屑變形和切削力，一般需采用較小的前角和后角，為了不降低刀刃強度，還需對刀刃進行倒圓或磨出負倒棱以及通過研磨消除刀刃缺陷。 切削不銹鋼 用金屬陶瓷刀具和YG8硬質(zhì)合金刀具切削1Cr18Ni9Ti不銹鋼時的磨損曲線對比如圖3所示。由圖可見，金屬陶瓷刀具的切削性能優(yōu)于YG8硬質(zhì)合金刀具，其壽命是YG8刀具的三倍以上，這主要得益于金屬陶瓷材料優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和導(dǎo)熱性好、抗粘結(jié)性能好等優(yōu)良的物理性能［6］。采用金屬陶瓷刀具加工的工件表面質(zhì)量也優(yōu)于YG8刀具。因此可見，金屬陶瓷刀具較適合不銹鋼的半精加工和精加工。 加工不銹鋼材料時，為保證切削加工順利進行并獲得較高的刀具壽命和工件表面質(zhì)量，應(yīng)注意以下幾點：①應(yīng)選用較大前角和較小主偏角，以減小切削力，使切削更輕快；②應(yīng)仔細研磨刀具的前面和后面，以獲得較高的表面光潔度，以避免切削時與工件發(fā)生粘結(jié)；③選用較高的切削速度或極低的切削速度；④不銹鋼切屑的韌性較強，故應(yīng)采取相應(yīng)的有效措施進行斷屑、卷屑及排屑；⑤不銹鋼材料導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)較大，在切削區(qū)域局部高溫作用下極易產(chǎn)生熱變形，精加工時容易影響尺寸精度，因此應(yīng)選用導(dǎo)熱性較好的刀具；⑥應(yīng)盡量提高機床—刀具工藝系統(tǒng)的剛度。 4 結(jié)論 由于金屬陶瓷刀具的抗彎強度和抗疲勞強度較低，在切削冷硬鑄鐵時切削力和切削力波動較大，因此刀具壽命較低且多以崩刃、微崩的形式失效。而YG8硬質(zhì)合金刀具的壽命相對較高。 由于金屬陶瓷刀具具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和物理性能，因此在切削1Cr18Ni9Ti不銹鋼時其刀具壽命遠高于YG8硬質(zhì)合金刀具。