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切削高硬度鋼的氧化鋁-碳化鈦陶瓷刀具

時間:2011-05-30 08:40:19 來源:未知
試樣TiC含量
(%)粒度(µm)硬度
(HV)抗彎溫度
dm(MPa)斷裂韌性KIC
(MPa·m½)Al2O3TiCF-F101.21.019509003.0201.01.020009503.5301.01.0205010004.0501.01.021009004.3C-C103.02.018008003.2202.52.018509003.8302.22.319509004.3502.22.520509004.6F-C101.41.818508503.2201.41.819009003.8301.22.019509504.0501.22.020509004.5C-F102.21.219008503.1202.21.219509503.5301.81.2195010004.1501.81.220509004.5
表1　Al2O3-TiC陶瓷刀具毛坯成分及物理機械性能

一、前言

近年來，機械加工朝著高效、省力化方向發展。汽車齒輪、建筑機械的軸、軋輥等高硬度鋼工件的加工正試圖用切削方式來取代磨削加工。目前，加工高硬度鋼的刀具主要有聚晶立方氮化硼(CBN)刀具和Al#p#分頁標題#e#2O3-TiC陶瓷刀具。CBN刀具由于價格昂貴，難以普及；Al2O3-TiC陶瓷刀具則由于價格低廉而獲得了廣泛的應用。但陶瓷刀具在150m/min以上的速度切削時，前刀面容易產生貝殼形片狀剝落，這是亟待解決的重要課題。人們通常把Al2O3-TiC陶瓷刀具產生剝落的原因歸結為切削力和切削溫度的變化，為此在刀具形狀和切削條件等方面采取了一些改進措施，收到了一定的效果。但對陶瓷材料的組織結構及TiC含量對產生剝落的影響則尚未進行過研究。筆者用不同粒度和不同TiC含量的Al2O3-TiC系陶瓷作成刀具，進行了切削性能試驗。

二、試驗方法

以粒度0.3µm和0.8µm的Al2O3粉末及粒度0.8µm和1.5µm的TiC粉末作原料，經48小時濕式球磨粉碎后，配制成含有10～50mass%TiC的各種混合粉劑(見表1)?；旌戏劢浉稍锾幚砗?，裝填在石墨模中，在Ar氣氛下以20MPa的壓力熱壓1小時，獲得50×50×6mm3的板狀毛坯。熱壓溫度如下：由0.3µm的Al2O3微細晶粒和0.8µm的TiC微細晶粒組合(F-F)時，熱壓溫度為1723K；由0.8µmAl2O3粗顆粒和1.5µmTiC粗顆粒組合(C-C)時，熱壓溫度為1973K；由微細晶粒Al2O3和粗顆粒TiC組合(F-C)及粗顆粒Al2O3和微細晶粒TiC組合(C-F)時，熱壓溫度為1874K。通過粒度的組合并改變熱壓溫度，可以抑制熱壓燒結時晶粒的長大，從而獲得組織致密的毛坯。將板狀燒結毛坯切割成3×4×35mm3的試片，分別用于金相組織的觀察、抗彎強度(sm)、硬度(HV)及斷裂韌性(KIC)等的測定。此外，用同樣的板狀毛坯制成ISO標準的SNGN120408(倒棱0.15mm×－25°)刀片，切削淬火合金工具鋼(SKD11，60HRC)，藉以分析TiC含量、Al2O3與TiC粒度對剝落的影響。


圖1　Al2O3-30%TiC陶瓷刀具毛坯的金相組織(用熱磷酸腐蝕)

三、試驗結果

圖1所示為不同粒度的Al2O3-30%TiC毛坯的金相組織，其中白色部分為TiC，灰色部分為Al2O3。F-F毛坯的粒度最細，C-C毛坯的粒度最粗，與F-F相比，F-C的Al2O3、C-F的TiC粒度稍粗，這是由于熱壓溫度較高造成的。
表1列出了各種陶瓷成分與物理機械性能的關系。由表可知，各種毛坯的HV值均隨TiC含量的增加而提高，其中，含30%TiC的陶瓷材料的dm值最大。從整體上看，F-F毛坯的HV與dm值均比C-C毛坯略高；KIC值則普遍顯示出隨TiC含量的增加而提高的趨勢；但粒度不同所產生的差異卻并不明顯。

圖2　F-F刀具切削SKD11時的磨損曲線
(v=100m/min，d=0.2mm，f=0.05mm/r，T=20min)
圖3　陶瓷刀具壽命與TiC含量的關系
(a)前刀面
被加工材料：SKD11
圖5　陶瓷刀具月牙洼磨損狀況
(b)后刀面
圖4　陶瓷刀具產生剝落時形貌
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圖2所示為F-F刀具在v=100m/min條件下切削SKD鋼時，不同TiC含量對后刀面磨損量VB和月牙洼磨損量KT的影響。X1-Y1、X3-Y3、X5-Y5分別表示刀具TiC含量為10%、30%、50%的磨損情況。由圖可知，TiC含量越多的刀具，VB值越小，而KT值則越大。此外，與細粒度TiC陶瓷刀具相比，粗粒度TiC陶瓷刀具的VB和KT值均較大(圖略)。在一般情況下，后刀面磨損是由磨粒磨損引起的，因此可以認為，硬度越低、TiC含量越少的粗粒度陶瓷刀具，其VB值也越大。而月牙洼磨損主要是由粘結磨損引起的，所以那些易與被加工材料產生化學反應的TiC含量越多的粗粒度刀具，其KT值也越大。
圖3所示為各種陶瓷刀具在v=150m/min的條件下切削SKD11時，刀具因剝落而達到使用壽命的切削時間與TiC含量的關系。圖4是刀具產生剝落的實例照片。由圖可知，粗粒度TiC的C-C、F-C刀具使用壽命與TiC含量的多少無關，在短時間內就產生剝落而使刀具達到使用壽命。但是，微細晶粒TiC的F-F、C-F刀具的壽命卻長得多，尤其是含20%～30%TiC微細晶粒的刀具顯示出具有最佳的抗剝性能。
圖5為月牙洼磨損的照片，這是用Al2O3-30%TiC(F-F)刀具在v=150m/min條件下切削5～20分鐘，用酸腐蝕掉刃尖粘附物后拍攝的。箭頭所指為前刀面產生的裂紋，這是在切削10分鐘后觀察到的，隨著切削時間的延長，裂紋向刀具內部擴展，剝落即由此類裂紋不斷擴展而成。

圖6　Al2O3-30%TiC陶瓷刀具后
刀面磨損與切削力的關系

四、分析與考察

以上試驗結果表明，在后刀面磨損VB、月牙洼磨損KT較大時，Al2O3-TiC陶瓷刀具容易產生剝落。下面從VB和KT兩方面來分析剝落現象。
首先分析后刀面磨損和產生剝落的關系。圖6所示為用Al2O3-30%TiC陶瓷刀具加工淬硬鋼時VB和切削力的關系曲線。從該曲線來看，即使VB值增大，主切削力仍無明顯變化，但VB值一旦超過0.08mm，吃刀分力和進給分力則會急劇增大。切削初期，當尚未產生后刀面磨損時，切削力的合力與前刀面形成42°夾角，當VB值達0.14mm時，該夾角由42°變成33°。這就表明，當VB值增大，便會產生對前刀面具有剪切作用的切削力合力，從而誘發剝落的產生?？梢?，TiC含量越少且粒度越粗的刀具，其VB值越大，也越容易產生裂紋而導致抗剝落性能下降。
其次，分析月牙洼磨損與產生剝落的關系。圖7所示為月牙洼面上粘附物的狀況。由圖可知，TiC含量越多的刀具，月牙洼表面粘附的切屑也越多，即當切屑擦過月牙洼表面時，強大的擠壓力使部分切屑無法移動而成為粘附物。因此，KT值越大，作用在月牙洼面的拉力也越大，從而越容易產生剝落。
(a)Al2O3-10%TiC陶瓷刀具
(b)Al2O3-30%TiC陶瓷刀具
(c)Al2O3-50%TiC陶瓷刀具圖7　Al2O3-TiC(C-C)刀具切削SKD11鋼20分鐘后月牙洼面上粘附物的金相組織
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綜上所述，剝落現象的產生與VB和KT兩方面的作用相關，無論TiC含量多少均易產生剝落。試驗結果充分表明，陶瓷刀具的TiC含量以20%～30%這樣的中間值為宜，TiC的粒度則以微細晶粒最好，這種陶瓷刀具有著優異的抗剝落性能。至于定量方面的問題，尚有待進一步研究。

五、結　論

  1. 用TiC含量少的粗粒度Al2O3-TiC陶瓷刀具切削高硬度鋼時，容易產生磨粒磨損，后刀面磨損量較大，作用于月牙洼面上的剪切應力也較大，因此抗剝落性能較差。
  2. 用TiC含量多的粗粒度Al2O3-TiC陶瓷刀具切削高硬度鋼時，容易產生粘結磨損，月牙洼磨損寬度增大；當處于壓縮粘附狀態的粘附物移動時，月牙洼表面因受拉力作用而導致抗剝落性能下降。
  3. 采用TiC含量為20%～30%、TiC粒度為微細晶粒的原料來制作Al2O3-TiC陶瓷刀具，將獲得優異的抗剝落性能。