切削高硬度钢的氧化铝-碳化钛陶瓷刀具

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表1　Al₂O₃-TiC陶瓷刀具毛坯成分及物理机械性能

试样	TiC含量 (%)	粒度(µm)		硬度 (HV)	抗弯温度 dm(MPa)	断裂韧性KIC (MPa·m½)
		Al2O3	TiC
F-F	10	1.2	1.0	1950	900	3.0
	20	1.0	1.0	2000	950	3.5
	30	1.0	1.0	2050	1000	4.0
	50	1.0	1.0	2100	900	4.3
C-C	10	3.0	2.0	1800	800	3.2
	20	2.5	2.0	1850	900	3.8
	30	2.2	2.3	1950	900	4.3
	50	2.2	2.5	2050	900	4.6
F-C	10	1.4	1.8	1850	850	3.2
	20	1.4	1.8	1900	900	3.8
	30	1.2	2.0	1950	950	4.0
	50	1.2	2.0	2050	900	4.5
C-F	10	2.2	1.2	1900	850	3.1
	20	2.2	1.2	1950	950	3.5
	30	1.8	1.2	1950	1000	4.1
	50	1.8	1.2	2050	900	4.5

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一、前言

近年来，机械加工朝着高效、省力化方向发展。汽车齿轮、建筑机械的轴、轧辊等高硬度钢工件的加工正试图用切削方式来取代磨削加工。目前，加工高硬度钢的刀具主要有聚晶立方氮化硼(CBN)刀具和Al₂O₃-TiC陶瓷刀具。CBN刀具由于价格昂贵，难以普及；Al₂O₃-TiC陶瓷刀具则由于价格低廉而获得了广泛的应用。但陶瓷刀具在150m/min以上的速度切削时，前刀面容易产生贝壳形片状剥落，这是亟待解决的重要课题。人们通常把Al₂O₃-TiC陶瓷刀具产生剥落的原因归结为切削力和切削温度的变化，为此在刀具形状和切削条件等方面采取了一些改进措施，收到了一定的效果。但对陶瓷材料的组织结构及TiC含量对产生剥落的影响则尚未进行过研究。笔者用不同粒度和不同TiC含量的Al₂O₃-TiC系陶瓷作成刀具，进行了切削性能试验。

二、试验方法

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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，经48小时湿式球磨粉碎后，配制成含有10～50mass%TiC的各种混合粉剂(见表1)。混合粉经干燥处理后，装填在石墨模中，在Ar气氛下以20MPa的压力热压1小时，获得50×50×6mm³的板状毛坯。热压温度如下：由0.3µm的Al₂O₃微细晶粒和0.8µm的TiC微细晶粒组合(F-F)时，热压温度为1723K；由0.8µmAl₂O₃粗颗粒和1.5µmTiC粗颗粒组合(C-C)时，热压温度为1973K；由微细晶粒Al₂O₃和粗颗粒TiC组合(F-C)及粗颗粒Al₂O₃和微细晶粒TiC组合(C-F)时，热压温度为1874K。通过粒度的组合并改变热压温度，可以抑制热压烧结时晶粒的长大，从而获得组织致密的毛坯。将板状烧结毛坯切割成3×4×35mm³的试片，分别用于金相组织的观察、抗弯强度(s_m)、硬度(HV)及断裂韧性(K_IC)等的测定。此外，用同样的板状毛坯制成ISO标准的SNGN120408(倒棱0.15mm×－25°)刀片，切削淬火合金工具钢(SKD11，60HRC)，藉以分析TiC含量、Al₂O₃与TiC粒度对剥落的影响。

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图1　Al2O3-30%TiC陶瓷刀具毛坯的金相组织(用热磷酸腐蚀)

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三、试验结果

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图1所示为不同粒度的Al₂O₃-30%TiC毛坯的金相组织，其中白色部分为TiC，灰色部分为Al₂O₃。F-F毛坯的粒度最细，C-C毛坯的粒度最粗，与F-F相比，F-C的Al₂O₃、C-F的TiC粒度稍粗，这是由于热压温度较高造成的。 ( ?7 e1 K+ A! R9 |% [! F0 F6 \9 Z+ y( y/ x

表1列出了各种陶瓷成分与物理机械性能的关系。由表可知，各种毛坯的HV值均随TiC含量的增加而提高，其中，含30%TiC的陶瓷材料的d_m值最大。从整体上看，F-F毛坯的HV与d_m值均比C-C毛坯略高；K_IC值则普遍显示出随TiC含量的增加而提高的趋势；但粒度不同所产生的差异却并不明显。
4 L' g2 A3 B- b+ u; o( w: B* D' i. A! c3 ?4 }4 a/ \6 I/ ]# q3 p& r Q0 `( o3 p6 p/ M. s/ {8 A+ [+ }# a& H ^) g

图2　F-F刀具切削SKD11时的磨损曲线 (v=100m/min，d=0.2mm，f=0.05mm/r，T=20min) $ ^! @) [+ h$ j. ~* K	图3　陶瓷刀具寿命与TiC含量的关系 ! y3 P8 T3 Z$ ^
(a)前刀面	被加工材料：SKD11 图5　陶瓷刀具月牙洼磨损状况
(b)后刀面 图4　陶瓷刀具产生剥落时形貌

图2所示为F-F刀具在v=100m/min条件下切削SKD钢时，不同TiC含量对后刀面磨损量V_B和月牙洼磨损量K_T的影响。X₁-Y₁、X₃-Y₃、X₅-Y₅分别表示刀具TiC含量为10%、30%、50%的磨损情况。由图可知，TiC含量越多的刀具，V_B值越小，而K_T值则越大。此外，与细粒度TiC陶瓷刀具相比，粗粒度TiC陶瓷刀具的V_B和K_T值均较大(图略)。在一般情况下，后刀面磨损是由磨粒磨损引起的，因此可以认为，硬度越低、TiC含量越少的粗粒度陶瓷刀具，其V_B值也越大。而月牙洼磨损主要是由粘结磨损引起的，所以那些易与被加工材料产生化学反应的TiC含量越多的粗粒度刀具，其K_T值也越大。 0 |- e, L$ q. S" ]

图3所示为各种陶瓷刀具在v=150m/min的条件下切削SKD11时，刀具因剥落而达到使用寿命的切削时间与TiC含量的关系。图4是刀具产生剥落的实例照片。由图可知，粗粒度TiC的C-C、F-C刀具使用寿命与TiC含量的多少无关，在短时间内就产生剥落而使刀具达到使用寿命。但是，微细晶粒TiC的F-F、C-F刀具的寿命却长得多，尤其是含20%～30%TiC微细晶粒的刀具显示出具有最佳的抗剥性能。 r' |/ S+ s( U: I' Y

图5为月牙洼磨损的照片，这是用Al₂O₃-30%TiC(F-F)刀具在v=150m/min条件下切削5～20分钟，用酸腐蚀掉刃尖粘附物后拍摄的。箭头所指为前刀面产生的裂纹，这是在切削10分钟后观察到的，随着切削时间的延长，裂纹向刀具内部扩展，剥落即由此类裂纹不断扩展而成。
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图6　Al2O3-30%TiC陶瓷刀具后 刀面磨损与切削力的关系

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四、分析与考察

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以上试验结果表明，在后刀面磨损V_B、月牙洼磨损K_T较大时，Al₂O₃-TiC陶瓷刀具容易产生剥落。下面从V_B和K_T两方面来分析剥落现象。 5 c+ X( m: T' E0 `

首先分析后刀面磨损和产生剥落的关系。图6所示为用Al₂O₃-30%TiC陶瓷刀具加工淬硬钢时V_B和切削力的关系曲线。从该曲线来看，即使V_B值增大，主切削力仍无明显变化，但V_B值一旦超过0.08mm，吃刀分力和进给分力则会急剧增大。切削初期，当尚未产生后刀面磨损时，切削力的合力与前刀面形成42°夹角，当V_B值达0.14mm时，该夹角由42°变成33°。这就表明，当V_B值增大，便会产生对前刀面具有剪切作用的切削力合力，从而诱发剥落的产生。可见，TiC含量越少且粒度越粗的刀具，其V_B值越大，也越容易产生裂纹而导致抗剥落性能下降。

其次，分析月牙洼磨损与产生剥落的关系。图7所示为月牙洼面上粘附物的状况。由图可知，TiC含量越多的刀具，月牙洼表面粘附的切屑也越多，即当切屑擦过月牙洼表面时，强大的挤压力使部分切屑无法移动而成为粘附物。因此，K_T值越大，作用在月牙洼面的拉力也越大，从而越容易产生剥落。 ) C# X+ L% f8 e! o/ [8 e8 \6 U6 P1 I

(a)Al2O3-10%TiC陶瓷刀具	(b)Al2O3-30%TiC陶瓷刀具	(c)Al2O3-50%TiC陶瓷刀具 3 y' I. O6 P! r; E/ q. z/ ^2 H
图7　Al2O3-TiC(C-C)刀具切削SKD11钢20分钟后月牙洼面上粘附物的金相组织

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综上所述，剥落现象的产生与V_B和K_T两方面的作用相关，无论TiC含量多少均易产生剥落。试验结果充分表明，陶瓷刀具的TiC含量以20%～30%这样的中间值为宜，TiC的粒度则以微细晶粒最好，这种陶瓷刀具有着优异的抗剥落性能。至于定量方面的问题，尚有待进一步研究。

五、结　论

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1. 用TiC含量少的粗粒度Al₂O₃-TiC陶瓷刀具切削高硬度钢时，容易产生磨粒磨损，后刀面磨损量较大，作用于月牙洼面上的剪切应力也较大，因此抗剥落性能较差。 ) _( a ?8 I% V* [
2. 用TiC含量多的粗粒度Al₂O₃-TiC陶瓷刀具切削高硬度钢时，容易产生粘结磨损，月牙洼磨损宽度增大；当处于压缩粘附状态的粘附物移动时，月牙洼表面因受拉力作用而导致抗剥落性能下降。 6 d9 b6 ~$ t3 K/ e& E
3. 采用TiC含量为20%～30%、TiC粒度为微细晶粒的原料来制作Al₂O₃-TiC陶瓷刀具，将获得优异的抗剥落性能。