陶瓷粉末涂层硬质合金刀具的切削性能

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目前常用的刀具涂层方法以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主^［1］，虽然这两种方法在生产实践中已日渐成熟，但仍存在一些不足，其中较突出的问题是刀具的表面涂层与基体间的界面结合强度较低，涂层易剥落，因此涂层不能做得太厚，以免使涂层刀具使用寿命的提高受到限制，切削中一旦涂层被磨掉，刀具就会迅速磨损^［2］。此外，涂层刀具基本上不具备重磨性，这将限制其在粗加工和大型加工设备中的应用。
　　为此，本文提出了利用粉末涂层法制备刀具材料的全新概念。粉末涂层法将传统涂层方法的宏观涂层变为微观涂层，在改善涂层刀具切削性能、提高刀具寿命上取得了突破性进展。

1.材料制备

　　选取异丙醇铝Al(C₃H₇O)₃（北京化学试剂总厂生产，分析纯）作为前驱物，以去离子水（自制）作为溶剂，以硝酸（HNO₃）作为胶溶剂。将上述原料按一定比例混合均匀，水浴恒温85℃，并施以强力搅拌，48小时后即获得均匀稳定的勃姆石溶胶。
　　选用含有TiC的硬质合金粉末作为基体材料。首先将粉末球磨100小时，球磨后的粉末平均粒径为1μm；再将球磨后的粉末在丙酮中进行超声波清洗，然后在稀酸中浸泡处理；将处理后的粉末用去离子水清洗干净，加入到乙醇和水的混合溶液中，并施以强力搅拌和超声波振荡，令其分散均匀；然后加入勃姆石溶胶，继续搅拌，使粉末表面均匀地涂覆上一层胶体；然后静置一段时间，待分层后，经抽滤、干燥即得到涂层粉末。
　　在涂层粉末中加入微量金属，球磨混和均匀后干燥过筛；然后将混和料装入?42的石墨模具中热压烧结，烧结温度范围1450～1850℃，保温10～30min，压力为25～35MPa。热压片经切割后，磨制成刀片。

2.切削试验

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　　FTC1和FTC2两个牌号的粉末涂层刀具材料的平均抗弯强度分别达到800MPa和1000MPa，平均硬度达到1900HV和2000HV以上，平均断裂韧性都达到了5.0MPam^1/2，完全可以作为刀具材料使用。
　　（1）试验条件
　　切削试验用机床为C620-1普通车床改装的无级变速车床；工件材料为T10A淬硬工具钢（硬度55～61HRC）；刀具材料分别为粉末涂层材料FTC1、FTC2，陶瓷材料LT55、SG4，硬质合金YT15和氧化铝-碳化钛复合涂层刀片YB01；刀具几何角度分别为κ_r=75°，γ_o=-5°，λ_s=-5°，β_o=90°，ε_r=90°；干式切削。
　　（2）试验结果
　　图1所示为FTC1、LT55和YT15三种刀具在v=75m/min，a_p=0.15mm，f=0.1mm/r的切削条件下切削工件时后刀面的磨损情况。由图可见，由于工件材料较硬，当切削长度为530m时，YT15的后刀面磨损已达0.58mm，无法继续切削；而LT55和FTC1在切削长度达2650m时，后刀面磨损仅为0.3mm，两者的磨损情况相似，FTC1的磨损比LT55还要轻微一些。

图1

　　图2所示为SG4和FTC2两种刀具在v=190m/min，f=0.1mm/r，a_p=0.15mm的切削条件下切削工件时后刀面的磨损情况。由图可见，FTC2的抗磨损性能不及SG4，当切削长度达到1892m时，FTC2的刀尖出现微小崩刃。因此，在较高切削速度下切削淬硬材料时，FTC2的抗磨损和抗破损能力均不如SG4。

　　图3所示为YB01、FTC1和FTC2三种刀具在v=71.5m/min，f=0.1mm/r，a_p=0.15mm的切削条件下切削工件时后刀面的磨损情况。由图可知，在较低切削速度下切削淬硬材料时，YB01的初期磨损较小，但正常磨损阶段比FTC1和FTC2短，当切削长度达到520m后就进入急剧磨损阶段。此外，YB01在切削过程中前刀面有贝壳状剥落，可能是在切削力较大时涂层被挤裂失效。而FTC1和FTC2在切削速度较低时一般不发生破损。当YB01的后刀面磨损达到0.3mm后，由于切削时涂层不再起作用，刀尖变钝，加工表面也变得粗糙，基本无法继续切削。可见新型粉末涂层刀具的使用寿命比YB01至少可提高一倍以上。

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图2

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图3

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3.结论

　　（1）采用溶胶－凝胶法研制的新型粉末涂层刀具FTC1，FTC2的切削性能明显优于普通硬质合金刀具，与陶瓷刀具接近。
　　（2）粉末涂层刀具在较低切削速度下切削高硬度材料时，切削平稳轻快，一般不会出现崩刃现象，其主要失效形式为磨损；而在较高切削速度下切削高硬度材料时，其损坏形式在初期表现为磨损，随着切削的继续进行，刀具磨损到一定程度时会发生破损。
　　（3）在较低切削速度下切削淬硬材料时，粉末涂层刀具的初期抗磨损能力较氧化铝表面涂层刀具YB01差，但切削中YB01很快进入急剧磨损阶段，此时FTC1和FTC2的使用寿命至少比YB01提高一倍以上。由此可知，陶瓷粉末涂层硬质合金刀具材料既具有涂层刀具的优越性，又比表面涂层刀具具有更好的切削性能。【MechNet】