Al2O3-20%TiB2/Al2O3-20%TiC對稱型疊層陶瓷刀具的切削性能

周 文，周后明，陳 聞

（湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湘潭411105）

0 引 言

陶瓷刀具具有硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好以及耐磨損、耐腐蝕、抗氧化能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以高效加工傳統(tǒng)刀具不能加工的超硬材料，可實(shí)現(xiàn)“以車代磨”。陶瓷刀具的最佳切削速度比硬質(zhì)合金刀具的高2～4倍，可大大提高切削加工的生產(chǎn)效率［1-4］，但其耐磨性、耐熱性和斷裂韌性還有待進(jìn)一步提高，常用的方法是在其表面制備涂層，但由于涂層很薄，一旦被破壞就很難修復(fù)。若使用其它性能優(yōu)異的刀具代替，則將會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，而且會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。

疊層功能材料是20世紀(jì)80年代中后期提出和發(fā)展起來的一種組分、結(jié)構(gòu)和性能均呈連續(xù)性變化的新型復(fù)合材料［5-9］，它由層材料以及層與層的結(jié)合界面兩部分組成，其性能主要與各層材料的性能以及 結(jié) 合 界 面 的 性 能 有 關(guān)［10-11］。Amateau［12］和Scuor等［13］從表層材料產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力方面考慮分別制備出了Al2O3＋Al2O3/TiC對稱型疊層陶瓷刀具和Al2O3＋Al2O3/ZrO2疊層陶瓷刀具，進(jìn)行切削試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，殘余壓應(yīng)力的存在有抑制前刀面磨損和崩刃的作用；段振興等［10］從層間材料性能差距方面考慮制備出了 Al2O3/（W，Ti）C＋Al2O3/TiC疊層陶瓷刀具，其力學(xué)性能得以明顯改善；鄭光明［14］和李艷征［15］從納米材料方面考慮分別制備出了Sialon-Si3N4系梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料和具有高抗熱震性能的梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料，但納米材料生產(chǎn)成本較高，適合加工難加工的材料。在保證表層形成殘余壓應(yīng)力和層間性能相差不大的前提下，制備表層為復(fù)合耐磨材料的疊層陶瓷刀具的研究還較少見。另外，TiB2、TiC和Al2O3的熱膨脹系數(shù)相差不大（分別為7.4×10-6，7.6×10-6，8.1×10-6℃-1）、相容性好、結(jié)合能力強(qiáng)、價(jià)格低廉。因此，作者以Al2O3-20%TiB2為疊陶瓷材料的表層、以Al2O3-20%TiC為中間層（Al2O3-TiB2的耐磨性、耐熱性遠(yuǎn)好于Al2O3-TiC，且TiB2的熱膨脹系數(shù)小于TiC的，會(huì)在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，有利于阻止裂紋擴(kuò)展），制備了Al2O3-20%TiB2/Al2O3-20%TiC對稱型疊層陶瓷刀具材料，采用該材料刀具對淬火45鋼進(jìn)行高速切削試驗(yàn)，并與Al2O3-20%TiC陶瓷刀具的切削性能進(jìn)行了對比。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用原料為Al2O3粉（北京泛德辰公司生產(chǎn)，純度為99.9%，粒徑為1～2μm）以及TiB2和TiC粉（株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)，平均粒徑3μm）。首先對原料粉進(jìn)行稱量配料、球磨混合（轉(zhuǎn)速275r·min-1，球磨10h），然后再進(jìn)行真空干燥（干燥溫度為100℃，保溫2h），過100目篩后封裝待用；將過篩后的原料粉按原先設(shè)計(jì)好的配比（通過質(zhì)量控制每層的厚度），軸向疊層填充到石墨模具中，且每添加一層進(jìn)行預(yù)壓（預(yù)壓壓力為2MPa）；最后在真空熱壓燒結(jié)爐中加壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 550～1 750℃，保溫時(shí)間為10～30min，壓力為32MPa。燒結(jié)制成的毛坯尺寸為φ42mm×4mm，如圖1所示，t1和t2分別為 Al2O3-20%TiB2層和 Al2O3-20%TiC層的厚度。

圖1 對稱型疊層陶瓷刀具材料的示意Fig.1 Diagrammatic drawing of symmetrical laminated ceramic cutting tool material

1.2 試驗(yàn)方法

采用阿基米德排水法測疊層陶瓷刀具材料的實(shí)際密度（實(shí)際密度除以理論密度即為相對密度）；用HV-120型維氏硬度計(jì)測疊層陶瓷刀具材料的硬度，選用對面角為136°的金剛石壓頭，加載載荷為98N，保壓時(shí)間為60s；在RG4100型微機(jī)控制萬能電子試驗(yàn)機(jī)上用三點(diǎn)彎曲法測疊層陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度，試樣為3mm×4mm×36mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，跨距為24mm，加載速度為0.5mm·min-1，取5次試驗(yàn)的平均值；用壓痕法測疊層陶瓷刀具材料的斷裂韌性；用JSM-6610LV型掃描電鏡觀察疊層陶瓷刀具材料的微觀形貌。

采用CA6140型普通車床進(jìn)行切削試驗(yàn)，試驗(yàn)刀具分別為Al2O3-20%TiB2/Al2O3-20%TiC對稱型疊層復(fù)合陶瓷刀具（簡稱A刀具）和Al2O3-20%TiC刀具（簡稱B刀具），工件材料為淬火45鋼；切削方式為干切削；切削速度v分別為70，120m·min-1，切削深度ap為0.25mm，進(jìn)給量f為0.1mm·r-1。刀具的幾何角度如表1所示。采用YH-6XB-PC型全自動(dòng)金相顯微儀測刀具的磨損量。

表1 刀具的幾何角度Tab.1 Geometry angles of tools

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能與顯微組織

在燒結(jié)溫度為1 700℃、保溫時(shí)間為20min、t2/t1（層厚比）為3時(shí)，制得的對稱型疊層陶瓷刀具的性能最佳，如表2所示。燒結(jié)溫度太低時(shí)，陶瓷材料不能充分燒結(jié)；燒結(jié)溫度太高時(shí)，又會(huì)增大陶瓷材料晶粒的長大速度，導(dǎo)致晶粒過分長大，從而嚴(yán)重降低材料的力學(xué)性能。保溫時(shí)間太短，反應(yīng)不充分，材料的致密度低；保溫時(shí)間過長，晶粒過分長大，降低了材料的整體性能。層厚比越大，對工藝條件的要求就越高，燒結(jié)難度也就越大，誤差也隨之增大。由表2可見，兩種刀具材料的維氏硬度和抗彎強(qiáng)度相差不大，但Al2O3-20%TiB2/Al2O3-20%TiC對稱型瓷刀具材料的斷裂韌性明顯比Al2O3-20%TiC的高。

表2 兩種刀具材料的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of the two tool materials

由圖2可以看出，對稱型疊層陶瓷刀具材料的致密度較好，只有極少數(shù)的氣孔，灰色硬質(zhì)相為Al2O3，亮白色金屬相為TiB2，它們之間相互嵌套，分布較為均勻，晶界結(jié)合良好，形成了空間骨架結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸基本均小于5μm，只有個(gè)別約為5μm的顆粒。這是因?yàn)樵跓釅焊邷責(zé)Y(jié)過程中出現(xiàn)了晶粒長大現(xiàn)象，溫度越高，越能促進(jìn)晶粒長大，晶粒長大對于陶瓷材料的整體性能非常不利，故應(yīng)在保證陶瓷材料致密度的情況下，盡量控制燒結(jié)溫度，而且保溫時(shí)間也不宜過久。

圖2 對稱型疊層陶瓷刀具材料表層的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of surface layer of symmetrical laminated ceramic cutting tool material：（a）at low magnification and（b）at high magnification

由圖3可知，在表層能觀察到清晰的晶界，且有較多平整的表面出現(xiàn)，這些平整的表面多為陶瓷材料穿晶斷裂時(shí)造成的；中間層除了具有清晰的晶界外，還出現(xiàn)了明顯的孔洞以及晶粒被拔出的痕跡，可判斷該層斷裂以沿晶斷裂為主；界面層中晶粒被拔出的痕跡非常明顯，晶粒間存在間隙，該層也是以沿晶斷裂為主。以上分析表明，該對稱型疊層陶瓷刀具材料的斷裂模式是穿晶和沿晶斷裂的混合，而穿晶斷裂能遠(yuǎn)大于沿晶斷裂能，故其表層材料Al2O3-20%TiB2有利于其切削性能的提高。

圖3 對稱型疊層陶瓷刀具材料斷口不同位置處的SEM形貌Fig.3 SEM morphology at different positions of fracture of symmetrical laminated ceramic cutting tool material：（a）surface layer；（b）middle layer and（c）interface layer

2.2 切削特性

以后刀面磨損量VB＝0.3mm作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，以刀具磨鈍時(shí)的切削時(shí)間為刀具的磨損壽命。在切削加工時(shí)，切削速度v、進(jìn)給量f、背吃刀量ap都會(huì)影響刀具的使用壽命，其中以切削速度的影響最大。

由圖4（a）可知，在70m·min-1的切削速度下，當(dāng)切削距離小于1 000m時(shí)，兩種刀具的后刀面磨損量相差不大；隨著切削距離增加，B刀具的后刀面磨損量迅速增大，切削距離達(dá)到3 000m時(shí)其刀尖出現(xiàn)了明顯的破損；A刀具的磨損量明顯要小于B刀具的，故前者的耐磨性能更好。由圖4（b）可知，在120m·min-1的切削速度下，A刀具的耐磨性能明顯要好于B刀具的，在切削距離為4 000m時(shí)，B刀具已完全破損；A刀具在整個(gè)切削過程中，后刀面的磨損一直比較平緩。A刀具表層中TiB2的熱膨脹系數(shù)比中間層中TiC的小，從而使材料表面在燒結(jié)過程中形成了殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力能阻止和降低裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，再加上A刀具材料的斷裂韌性比B刀具材料的大，所以A刀具后刀面的磨損量較小。由此可見，A刀具更適合于高速連續(xù)切削。

圖4 在不同切削速度下兩種刀具后刀面的磨損量Fig.4 Flank wear of the two kinds of tools at different cutting speeds

2.3 切削力

由圖5可知，在相同條件下切削淬火45鋼時(shí)，A刀具的切削力在150～195N之間波動(dòng)，B刀具在180～260N之間波動(dòng)，后者的明顯較大。切削力出現(xiàn)波動(dòng)的原因是，刀具在切削工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，機(jī)床本身也會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，這些振動(dòng)都會(huì)影響刀具切削力的大小。剛開始切削時(shí)，由于兩種刀具都沒有太大的磨損，所以切削力相差不大，隨著切削的進(jìn)行，由于A刀具的表層材料具有一定的減磨作用，故而B刀具的磨損量逐漸大于A刀具的，所以B刀具的切削力逐漸大于A刀具的。在相同的切削條件下，切削力越小說明刀具的切削性能越好，故而A刀具的切削性能明顯高于B刀具的。

圖5 兩種刀具的切削力曲線Fig.5 Cutting force curves of the two kinds of tools

2.4 磨損形貌

由圖6～8可知，兩種刀具刀尖處的主切削刃均出現(xiàn)了不同程度的磨損，前刀面磨損嚴(yán)重，而且被刮出了相互平行的劃痕；A刀具刀尖有輕微的粘結(jié)，磨損量較??；B刀具的磨損嚴(yán)重，已經(jīng)出現(xiàn)了崩刀現(xiàn)象，這是由于切削力大，刀具脆性大、韌性較差，切削時(shí)在機(jī)床的振動(dòng)下出現(xiàn)了崩刃現(xiàn)象。此外，B刀具的后刀面出現(xiàn)了嚴(yán)重的劃痕，是典型的磨粒磨損。

圖6 兩種刀具磨損后的SEM 形貌（v＝120m·min-1，ap＝0.25mm，f＝0.1mm·r-1）Fig.6 SEM morphology of the tool A（a）and tool B（b）after wear

圖7 兩種刀具前刀面磨損的SEM形貌（v＝120m·min-1，ap＝0.25mm，f＝0.1mm·r-1）Fig.7 SEM morphology of the worn rake face of tool A（a）and tool B（b）

圖8 兩種刀具后刀面磨損的SEM形貌（v＝120m·min-1，ap＝0.25mm，f＝0.1mm·r-1）Fig.8 SEM morphology of the worn flank face of tool A（a）and tool B（b）after wear

在相同的切削條件下，A刀具的斷裂韌性高以及其表層存在的殘余壓應(yīng)力是其耐磨性高于B刀具的主要原因。

3 結(jié) 論

（1）采用熱壓燒結(jié)工藝制備出了具有較好致密性、晶界結(jié)合良好的對稱型疊層陶瓷刀具材料，Al2O3-20%TiB2/Al2O3-20%TiC，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度分別為 651MPa和4.59MPa·m1/2，比Al2O3-20%TiC陶瓷的分別提高了11MPa和0.59MPa·m1/2。

（2）對稱型疊層復(fù)合陶瓷刀具后刀面的磨損量明顯小于Al2O3-20%TiC陶瓷刀具的，前者的切削力比后者的小30～65N；且前者的磨損形貌為劃痕、輕微粘結(jié)，而后者磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)了嚴(yán)重的劃痕，為典型的磨粒磨損。

（3）對稱型疊層陶瓷刀具表層材料的力學(xué)性能、耐磨性、耐熱性均較好，且存在殘余壓應(yīng)力，這使得其切削性能優(yōu)于Al2O3-20%TiC陶瓷刀具的。

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