陶瓷刀具切削加工时的磨损与润滑情况分析（二）

HEATS

　　用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI4337钢时，前刀面和后刀面的磨损机理不同。化学反应及塑性变形是前刀面磨损的主要原因，后刀面的磨损机理则是陶瓷颗粒间发生断裂，导致陶瓷颗粒脱落所致。Brandt发现了Al2O3基陶瓷刀具切削时表层的塑性变形现象，并认为这是由于Al2O3与FeO(钢表面氧化产物)或MgO(陶瓷添加剂)反应形成了尖晶石结构，或者是Al2O3与SiO2、CaO作用形成了低熔点、低硬度的化合物。作者的研究表明：Al2O3/TiB2陶瓷刀具在加工高强钢和淬硬钢时具有较好的耐磨性，随着TiB2含量的增加，刀具的耐磨性能增强。

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　　对于晶须增韧陶瓷刀具，由于晶须在热压过程中定向分布于垂直热压轴平面，造成晶须在不同表面上的分布差异，因此晶须增韧陶瓷刀具的耐磨性能与晶须的取向有关，θ=0°表面的耐磨性能最差，而θ=90°表面的耐磨性能最好。当刀具以后刀面磨损为主时，应选择θ=90°表面作为刀具后刀面；当刀具以前刀面磨损为主时，则应选择θ=90°表面作为刀具前刀面。当刀具前、后刀面同时存在较大磨损时，应选择θ=45°表面作为刀具的前(后)刀面，以提高刀具的抗磨损能力。

　　Si3N4基陶瓷自七十年代后期开始作为刀具材料使用，目前已在铸铁和镍基合金的切削加工中得到广泛应用。Si3N4基陶瓷刀具在高速切削铸铁时主要发生磨料磨损，而在高速切削碳钢时主要发生化学磨损。化学磨损本身在陶瓷刀具的总磨损量中所占比例一般并不大，但化学作用可使机械磨损的程度大大加剧，如化学溶解及扩散作用会引起陶瓷表面强度减弱，加剧刀具与工件间的粘结，从而导致严重的粘结磨损和微观断裂磨损。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI1045钢时，其磨损率比切削灰铸铁时高出两个数量级；切削铸铁时工件与刀具之间的Fe、Si等元素的相互扩散作用比切削钢时小得多。切削钢时，Si3N4陶瓷刀具的磨损主要与刀具和工件间的化学作用有关，由于Si3N4颗粒的化学溶解及不断被从玻璃相中拔除，Si3N4陶瓷刀具表现出很高的磨损率。Si3N4陶瓷刀具切削钢时的高磨损率主要归因于以下两种因素：①Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2层不断被磨去；②SiO2与工件表面的FeO形成低熔点共晶混合物。有人对Sialon陶瓷刀具与铁基合金间的化学作用进行过专门研究，结果表明：在高温下β′-Sialon颗粒与铁基合金发生化学反应，硅和氮在铁基合金中发生溶解和扩散。钢中的合金元素对Sialon与钢之间的反应活性有一定影响，镍、硅、碳、磷等元素可降低反应活性，而铬、钼、钛、钒等元素则会增大反应活性。

　　虽然陶瓷刀具的磨损与切削条件密切相关，但决定陶瓷刀具磨损特性的主要因素仍是陶瓷材料的组分和微观结构。陶瓷刀具磨损的基本现象是材料的断裂及转移，因此裂纹的形成与扩展将对磨损产生重要影响。陶瓷刀具材料多为复相陶瓷，在晶界处存在玻璃相、气孔、杂质等，且各相之间存在热胀失配和弹性模量的差别。晶界气孔的存在会导致应力集中，气孔作为裂纹源将诱导晶界裂纹，并且由于气孔主要在晶界上产生，裂纹扩展至气孔时与气孔连接，从而加速了裂纹的扩展。Rice等人的研究表明：气孔率的增加使陶瓷刀具的耐磨性能大大降低，弹性模量与热胀失配所产生的过大残余应力会导致材料在未受外载时就产生开裂。由于多晶陶瓷所加的添加剂在烧结过程中主要以玻璃相形式存在于晶界上，在高速切削产生的高温条件下，玻璃相粘度降低而发生塑性流动，导致晶界滑移，并在晶界交界处产生应力集中现象。

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