陶瓷刀具切削加工时的磨损与润滑情况分析（四）

HEATS

　　因此，每一种陶瓷刀具都有其最佳加工对象，即存在陶瓷刀具与加工对象的最佳匹配问题。

0 l$ g* M# ~! C

　　Al2O3基陶瓷刀具中含有铝元素，因此Al2O3基陶瓷刀具在加工铝及铝合金时存在较大亲和力，刀具会产生较大的粘结磨损和扩散磨损。Al2O3/TiC和Al2O3(/W，Ti)C等陶瓷刀具中含有铝及钛元素，用此类陶瓷刀具加工钛及钛合金、铝及铝合金时也存在较大亲和力，因此它们都不适合加工铝、钛及其合金。纯铁与Al2O3刀具之间的粘结倾向比钢和铸铁更大，纯Al2O3陶瓷刀具在切削纯铁时约在500℃就开始粘结，与其它超硬刀具(如金刚石、立方氮化硼刀具)相比，Al2O3刀具与铁之间的扩散作用最小。

' j9 Z3 u8 Z. ]# z3 Y , @! K- d* b% w! B

　　SiC颗粒或SiC晶须增韧的Al2O3刀具在加工镍基合金时表现出优良的切削性能，但在加工钢时，因Fe容易与SiC发生反应而使刀具材料急剧磨损。用含有SiC的陶瓷刀具加工淬硬钢时，在切削高温作用下，SiC很容易与工件中的Fe产生化学反应，反应式为

" n% @2 _9 M1 K) Z) k

　　4Fe+SiC→FeSi+Fe3C

# y$ x/ ~9 a L5 e R* N0 ?

　　切削速度越高，切削温度也随之升高，会进一步加剧Fe与SiC的反应速度。SiC晶须与Fe反应后使晶须原有的硬度和耐磨性能降低，晶须与基体的结合强度削弱，因而晶须在磨粒作用下容易脱落，从而减弱晶须的增韧作用。此外，陶瓷刀具在高温下还会产生溶解磨损，表1为陶瓷刀具材料各组分与Fe在1323℃温度时的溶解度。由表可见，Al2O3和ZrO2在Fe中的溶解度最小，溶解度由大到小的顺序为：SiC→TiN→TiC→Al2O3→ZrO2。在高温下SiC在Fe中的溶解度比TiC和TiN的溶解度高两个数量级以上。由于Fe与SiC晶须的化学反应及相互溶解，使刀具材料中Fe元素含量增加，进一步增大了刀具与工件的粘着倾向，因此对刀具的耐磨性能不利。因此，含有SiC颗粒或SiC晶须的陶瓷刀具不适合加工钢件。

; R; Q; ^$ e0 j% H( b - I" X, s. T) z3 _) M A2 {

　　表1陶瓷刀具材料组分1323℃时在Fe中的溶解度

' c9 i+ w* |' w) V+ b+ w5 ? 1 G; ]% c" \+ b/ W' M

　　材料组分-溶解度(mol%)

: R* b& b) J, b! k* z

　　ZrO2-3.6×10-8

8 J3 Z* i2 g& ` + c( I$ z) n' Z7 d# u0 s

　　Al2O3-5.6×10-7

, ?+ s+ B% K8 s6 R+ }/ E

　　TiC-1.0×10-3

　　TiN-1.9×10-3

% |4 i+ Z/ O6 ~

　　SiC-6.4×10-1

　　Al2O3/ZrO2陶瓷刀具中的材料组分Al2O3和ZrO2在高温下的化学稳定性好，且与Fe的溶解度很小，不易向工件材料中扩散及溶解，因此Al2O3/ZrO2具有较好耐磨性能。由于Al2O3/ZrO2陶瓷刀具在高温(1170℃以上)下ZrO2的增韧效果会显著减小，所以Al2O3/ZrO2陶瓷刀具不适合温度较高的高速或超高速切削，只适合在较低切削速度范围内进行切削加工，Si3N4基陶瓷刀具适于高速切削铸铁，加工镍基合金也能取得满意结果，但切削奥氏体不锈钢时则磨损严重。由于Si3N4和Fe之间存在较大亲和力以及Si和Fe之间的相互扩散，高速切削产生的高温会大大加剧Si3N4与这类工件间的化学作用及元素扩散，加剧Si3N4刀具的磨损，所以Si3N4刀具也不适合高速切削纯铁和碳钢等材料。

& ?7 `8 I- o1 A6 [5 t& T) |0 E8 C4 [

　　总的来说，Al2O3基陶瓷刀具具有良好的耐磨损性能及耐高温性能(均高于Si3N4基陶瓷刀具)，且其高温化学稳定性很好，不易与铁元素发生相互扩散或化学反应，因而Al2O3基陶瓷刀具的应用范围最广，适于高速切削钢、铸铁及其合金；Si3N4基陶瓷刀具的断裂韧性和抗热裂性高于Al2O3基陶瓷刀具，适于断续加工铸铁及铸铁合金；ZrO2增韧陶瓷刀具室温韧性较高，适于断续切削，但不适合温度较高的高速或超高速切削；添加SiC的陶瓷刀具最适合加工镍基高温合金、纯镍和高镍合金等，但不适于加工钢和铸铁。

　　5.结语

　　综上所述，不同种类的陶瓷刀具(或同种类刀具)加工不同工件时，其磨损形态不同。冷却与润滑对陶瓷刀具的磨损和刀具寿命会产生很大影响，采用适当的冷却和润滑对减小陶瓷刀具磨损、延长使用寿命十分有益。

　　在实际应用中，每一种陶瓷刀具都有其特定的加工范围，陶瓷刀具与其加工对象之间存在最佳匹配问题，应根据所加工的工件材料选择合适的刀具材料，并根据刀具材料中是否含有高温下易与工件材料发生扩散及化学作用的组分来确定最佳切削用量。

5 }. `; i" f6 k$ T. g 0 S- _7 {( R L7 k& i2 b2 G