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TiC(N)基金属陶瓷刀具材料的制备与切削性能研究

西部车床阅读 3

摘要:制备了一种新型TiC(N)基金属陶瓷刀具材料，并通过加工冷硬铸铁、45 钢的对比切削试验，分析研究了它的切削性能。

1 引言

现代制造业已大量使用铁基、镍基、钴基、钛基高温合金、超高强度钢、高耐磨铸铁等高性能难加工材料，用常规的硬质合金、高速钢等刀具材料对其进行切削加工时，刀具耐用度和切削生产率极低，甚至完全无法加工。数控加工、高速切削技术的不断发展也对刀具材料的性能提出了更高要求。因此，研制开发高性能的新型刀具材料成为一项迫切任务。
硬质合金是目前使用最多的刀具材料，其主要成分为WC。由于全世界钨(W)资源稀缺，很难保证硬质合金刀具的长期可持续发展。而世界上钛(Ti)的储藏量约为钨的1000 倍，因此开发TiC(N)基刀具材料具有明显的资源优势。TiC(N)基金属陶瓷是近年发展较快的一种新型刀具材料。它以TiC(N)为主要成分，通过冷压真空烧结而成，不仅具有较好的综合机械性能(介于WC 基硬质合金与陶瓷之间)，而且具有密度小、导热性好、耐腐蚀、与钢的摩擦系数小等优良特性，其适用加工范围也正好填补了硬质合金刀具与陶瓷刀具之间的空白。在美国和日本，TiC(N)基金属陶瓷刀具材料的使用逐年增加，约占硬质合金刀具材料总量的15%。我国对TiC(N)基金属陶瓷刀具的使用还处于起步阶段，它的研制开发对于我国切削加工技术的发展具有重要意义。

2 TiC(N)基金属陶瓷材料的制备工艺

我们承担了“TiC(N)基金属陶瓷刀具材料的研制”项目，并成功制备出TiC(N)基金属陶瓷材料。材料的硬质相主要为TiC 和TiN，粘结剂为Ni 和Mo。制备材料时，首先将不同比例的各材料成分在球磨机中充分混合，经过造粒后在模具中冷压成型，最后在真空炉中烧结而成。主要制备工艺流程为:混料(混合粉末+ 湿磨介质)→球磨(行星球磨机)→干燥→造粒(加粉末成型剂)→冷压(压坯成型)→烧结(真空炉)→磨制毛坯(工具磨床+ 金刚石砂轮)。在制备工艺中应注意以下要点:①混料应均匀、充分，以避免材料成分出现偏析：②冷压成型压力应保持均匀，以保证材料各处致密度一致：③烧结时真空炉应保持较高的真空度，否则刀片毛坯易出现裂纹，影响烧结质量。采用冷压烧结法制备TiC(N)基金属陶瓷材料生产率高，生产成本低，适合大批量生产。 试样性能测试结果表硬度(HRA)抗弯强度σ
bb(GPa)冲击韧性σk(KJ/m2)920.922.8×104
我们用AG-25TA型材料试验机和硬度仪分别测试了TiC(N)基金属陶瓷材料试样(5mm×5mm×30mm)的抗弯强度、冲击韧性和硬度值，结果见右表。
由此可知，TiC(N)基金属陶瓷材料的硬度略高于WC 基硬质合金，抗弯强度高于陶瓷，但抗弯强度和冲击韧性均低于WC基硬质合金。

3 切削性能试验与分析

为研究制备的TiC(N)基金属陶瓷刀具材料的实际切削性能，我们用该材料制成可转位刀片，分别对冷硬铸铁及45钢工件材料进行了对比切削试验。

3.1 连续车削冷硬铸铁

加工机床:CA6140车床：刀具材料:TiC(N)基金属陶瓷：对比刀具材料:YG8：刀具几何参数:κ
r=45°，εr=90°，bε=0.25mm×45°，rε=0.5mm，γ0=-7°，α0=7°：切削用量:ap=1.5mm，f=0.08mm/r，v=9.14m/min：工件材料:冷硬铸铁(45～50HRC)。

(a)磨损曲线

(b)后刀面磨损形貌
图1 两种刀具材料切削冷硬铸铁时磨损状况

(a)磨损曲线

(b)后刀面磨损形貌
图2 两种刀具材料切削45钢时磨损状况

b

试验测得两种刀具材料连续车削冷硬铸铁时的磨损曲线和后刀面磨损形貌如图1所示。
由试验结果可知，切削冷硬铸铁时，TiC(N)基金属陶瓷的切削性能低于YG8。两种刀具材料切削时，前刀面均无明显磨损，主要为后刀面磨损，但后刀面磨损带形态不同，TiC(N)基金属陶瓷刀具的后刀面磨损带不均匀，靠近刀尖处磨损较大，边界处磨损较小：YG8刀具的后刀面磨损带则较为均匀。虽然TiC(N)基金属陶瓷材料的硬度高于YG8，但切削试验结果表明其耐磨性不如YG8，我们认为其主要原因在于TiC(N)基金属陶瓷材料的脆性大于YG8。切削冷硬铸铁时冲击力大，主要形成崩碎切屑，此时刀具的磨损抗力主要取决于材料的脆断抗力，因此，TiC(N)基金属陶瓷材料加工冷硬铸铁时的磨损机理属于脆性断裂(可观察到刀片后刀面上有微小崩刃)，刀片的后刀面磨损带形貌也证明了这一点。

3.2 高速车削45钢

加工机床:CA6140车床：刀具材料:TiC(N)基金属陶瓷：对比刀具材料:YT15：刀具几何参数:κ
r=90°，γ0=5°，α0=8°，无倒棱：切削用量:ap=0.5mm，f=0.09mm/r，v=200m/min：工件材料:45钢圆棒料。
试验测得两种刀具材料高速车削45钢时的磨损曲线和后刀面磨损形貌如图2所示。
由试验结果可知，高速切削45钢时，TiC(N)基金属陶瓷材料的切削性能优于YT15，刀具工作寿命约为YT15的二倍，这表明TiC(N)基金属陶瓷材料具有良好的高温切削性能。由于切削速度较高，刀具前刀面存在月牙洼磨损，后刀面磨损带较均匀，但边界磨损严重。45钢属于塑性材料，因此切削时冲击较小，TiC(N)基金属陶瓷刀具材料不易断裂，表现出较好的耐磨性。

4 结论

  1. 采用冷压烧结法制备了TiC(N)基金属陶瓷刀具材料。对两种不同材料的对比切削试验结果表明:TiC(N)基金属陶瓷刀片具有良好的耐磨性能和高温切削性能，特别适合高速精加工、半精加工钢等塑性金属材料。
  2. 用硬脆刀具材料加工铸铁等脆性材料时，其磨损机制主要为脆性断裂，刀具耐磨性并非主要取决于刀具硬度。因此加工脆性材料时，增加刀具材料的抗弯强度和断裂韧性可显著增强其耐磨性。
  3. TiC(N)基金属陶瓷刀具材料在高速切削时表现出良好的切削性能，因此不失为一种较理想的高速切削刀具材料，随着此类刀具材料强韧性的改善，其适用加工范围也会不断扩大。

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