金属陶瓷刀具切削难加工材料时的磨损性能研究

1 引言随着机械工业的发展，许多难加工材料(如冷硬铸铁、淬硬钢、不锈钢、钛合金等)的应用日趋广泛。1Cr18Ni9Ti不锈钢属于奥氏体不锈钢，导热性差、韧性好，难于加工。该不锈钢中Cr和Ni含量较高，Cr虽能提高不锈钢的强度和韧性，但增加了不锈钢与刀具的粘结倾向；Ni可起到稳定奥氏体组织的作用，但奥氏体组织塑性大，容易引起加工硬化。在实际生产中一般采用钨钴类(YG8等)硬质合金刀具进行加工，但加工效果并不十分理想。冷硬铸铁中的C主要以Fe3C等碳化物的形式存在，且相当一部分以硬质点的形态分布于钢基体中，因此冷硬铸铁硬度高、耐磨性好，难于切削加工。切削时，硬质点的脱落会造成切削力波动，影响切削平稳性，使刀具较易崩刃而降低使用寿命。因此，迄今国内尚无切削加工冷硬铸铁的理想方法。 Ti(C，N)基金属陶瓷因具有硬度高、耐磨性好、导热性好等优良的综合性能而被广泛用作工具材料。本文通过切削试验，研究了经纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具加工冷硬铸铁和不锈钢两种难加工材料时的切削性能，并与YG8硬质合金刀具进行了对比，为拓宽金属陶瓷刀具的应用范围，将其用于难加工材料切削加工提供了试验依据。 2 试验方法金属陶瓷刀片(型号为SNUN150406)的材料成分为54TiC-10TiN(纳米粉)-15Mo-20Ni-1C。TiN 纳米粉由中国科学院成都有机化学研究所生产，粒度为30～50nm。制备时，先用ZB220-T超声波仪对TiN纳米粉进行分散，混料后加入适量无水乙醇并球磨24小时；待混合料干燥后，加入PVA进行造粒，然后在170MPa压力下模压成型；最后在1400℃温度下真空烧结1小时。 切削试验在6140机床上进行。被加工工件分别为Ø183mm冷硬铸铁轧辊(硬度>50HRC)和Ø80mm奥氏体不锈钢钢棒(1Cr18Ni9Ti)。刀具安装角度为a0=9°、g0=-8°、kr=90°、kr'=30°。YG8硬质合金刀片(株洲硬质合金厂生产)的型号及切削参数(切削速度vc、进刀量f及切深ap)与金属陶瓷刀片相同。进行切削后，在40倍工具显微镜下测量刀具后刀面磨损量VB并观察其磨损形态，用HITACHIX-650扫描电镜和H-800透射电镜观察金属陶瓷刀具的显微组织。

(a)SEM形貌(×3000)

(b)TEM形貌(×20000) 图1 金属陶瓷刀具的显微组织

(f=0.08mm/r，ap=2mm，vc=7.5m/min)

图2 金属陶瓷刀具和YG8刀具切削冷硬铸铁时的磨损曲线

(f=0.1mm/r，ap=0.4mm，vc=60m/min)

图3 金属陶瓷刀具和YG8刀具切削不锈钢时的磨损曲线 3 试验结果与分析 金属陶瓷刀具的显微组织 金属陶瓷刀具的显微组织如图1所示。由图可见，金属陶瓷组织由陶瓷相和金属相组成(图1a)；较粗大的陶瓷相呈芯/壳结构(图1b)，芯部成分为Ti(C，N)固溶体，壳部成分主要为(Ti，Mo，W)(C，N)固溶体。与传统的Ti(C，N)基金属陶瓷显微组织对比可知，向TiC基金属陶瓷中添加纳米TiN与添加微米TiN相比，对基体TiC的细化效果更为显著。 金属陶瓷刀具与YG8刀具切削性能对比 切削冷硬铸铁 用金属陶瓷刀具和YG8硬质合金刀具切削冷硬铸铁时的刀具磨损曲线对比如图2所示。由图可见，金属陶瓷刀具的切削性能与YG8硬质合金刀具差别较大，金属陶瓷刀具初期磨损非常快，在不到三分钟时间内磨损量VB即达到0.4mm，之后磨损速度虽有所下降，但仍然较快，且几乎不存在稳定磨损期，最后刀具崩刃失效。 在其它切削用量条件下进行切削试验，发现金属陶瓷刀具的切削寿命(t)均较低(最多几分钟)，失效形式一般为崩刃或微崩。由此可见，金属陶瓷刀具不适合切削冷硬铸铁，这主要因为金属陶瓷的抗弯强度和抗疲劳强度较低，切削冷硬铸铁时切削力和切削力波动均较大，因此金属陶瓷刀具极易崩刃失效。而YG8硬质合金刀具强度高、韧性好，抗机械疲劳性能较好，切削冷硬铸铁时刀具寿命较长。此外，切削冷硬铸铁时，刀具几何角度也是影响刀具寿命的一个重要因素。为减小切屑变形和切削力，一般需采用较小的前角和后角，为了不降低刀刃强度，还需对刀刃进行倒圆或磨出负倒棱以及通过研磨消除刀刃缺陷。 切削不锈钢 用金属陶瓷刀具和YG8硬质合金刀具切削1Cr18Ni9Ti不锈钢时的磨损曲线对比如图3所示。由图可见，金属陶瓷刀具的切削性能优于YG8硬质合金刀具，其寿命是YG8刀具的三倍以上，这主要得益于金属陶瓷材料优良的综合力学性能和导热性好、抗粘结性能好等优良的物理性能［6］。采用金属陶瓷刀具加工的工件表面质量也优于YG8刀具。因此可见，金属陶瓷刀具较适合不锈钢的半精加工和精加工。 加工不锈钢材料时，为保证切削加工顺利进行并获得较高的刀具寿命和工件表面质量，应注意以下几点：①应选用较大前角和较小主偏角，以减小切削力，使切削更轻快；②应仔细研磨刀具的前面和后面，以获得较高的表面光洁度，以避免切削时与工件发生粘结；③选用较高的切削速度或极低的切削速度；④不锈钢切屑的韧性较强，故应采取相应的有效措施进行断屑、卷屑及排屑；⑤不锈钢材料导热性差、线膨胀系数较大，在切削区域局部高温作用下极易产生热变形，精加工时容易影响尺寸精度，因此应选用导热性较好的刀具；⑥应尽量提高机床—刀具工艺系统的刚度。 4 结论 由于金属陶瓷刀具的抗弯强度和抗疲劳强度较低，在切削冷硬铸铁时切削力和切削力波动较大，因此刀具寿命较低且多以崩刃、微崩的形式失效。而YG8硬质合金刀具的寿命相对较高。 由于金属陶瓷刀具具有优良的综合力学性能和物理性能，因此在切削1Cr18Ni9Ti不锈钢时其刀具寿命远高于YG8硬质合金刀具。