氧化铝/碳氮化钛复合刀具材料的制备及切削性能研究

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1 引言

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金属陶瓷复合刀具材料是由碳氮化钛Ti(CN)与其它金属碳化物复合并加入少量的金属粘结剂(如镍、钴等)制备而成。自1971 年问世以来，金属陶瓷复合刀具材料发展迅速，因其优异的耐磨性、高韧性和良好的抗塑性变形能力逐步成为机械加工领域主要使用的刀具材料之一。与陶瓷材料相比，这种复合刀具材料具有更高的强度和断裂韧性，因此其加工范围已由精加工、半精加工扩大到粗加工领域。目前，制备Ti(CN)金属陶瓷刀具材料大都采用冷压成型、真空烧结的方法。但是，与热压烧结工艺相比，真空烧结的材料致密性差；由于大量金属(约10%～15%)的加入导致材料的硬度下降，耐磨性降低；此外，含碳化物的刀具在切削钢铁时，由于切削产生的高温作用，C与Fe容易发生化学反应，降低材料的切削性能，甚至导致刀具的损坏。因此，本文用亚微米级的Al₂O₃部分代替碳化物，希望综合利用Ti(CN)金属陶瓷强度高、Al₂O₃硬度高、耐磨性和化学稳定性好的特点，制备出性能更加优异的刀具材料。研究中通过热压烧结工艺成功地制备了Al₂O₃/Ti(CN)(以下简称AT)复合陶瓷刀具材料。力学性能测试结果表明这种刀具材料具有高强度、高硬度和高韧性的特点；通过对该材料进行连续切削铸铁和连续与断续切削淬硬钢的试验，对AT的切削性能进行了分析并分别与LT55和SG4的切削性能进行了比较。 % ^9 z9 y+ W( z0 ?

2 切削试验

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1. 原材料的处理
   Al₂O₃购自淄博制酸厂，平均粒径370nm；Ti(CN)购自安泰科技有限公司，平均粒径3.7µm。首先用Al₂O₃球、乙醇作为球磨介质，在聚乙烯罐中将Ti(CN)球磨100小时，通过真空干燥、120目筛过筛后备用；然后将一定比例的Al₂O₃、Ti(CN)和体积比为3%～5%的金属粘结剂在无水乙醇介质中球磨混料24小时，真空干燥过筛备用。
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2. 试样的制备 ) n# I; W2 a7 e4 c1 t9 [# v0 h6 f7 ~% l# H
   将混合后的粉料装入石墨模具中进行氮气保护热压烧结。将烧结后的毛坯按性能测试的要求用Struers Accutum-50精密切磨机割切后，经研磨、抛光制成标准试样。
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3. 试验与测量 4 W! O$ ^/ Y! q" b" c+ N8 [5 }
   用三点弯曲法测量试件材料的抗弯强度，加载速度为0.2mm/min；用维氏硬度计测量材料的维氏硬度；用排水法测量材料的实际密度；用SEM观察样品的断口形貌和微观组织结构。切削性能试验在CA6140车床上进行。在干切削条件下进行连续车削铸铁、连续和断续车削淬硬钢试验。

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3 结果分析

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1. Al₂O₃/Ti(CN)的力学性能与组织结构
   试验测得Al₂O₃/Ti(CN)复合刀具材料的物理力学性能见表1。 $ f2 ^' h7 p# Q# J, H' J3 r5 G& ~/ \- Q$ X, Z/ v% b0 k0 V I- Q6 f% `' e: a, [: i1 h$ K9 @& J' t: r- V! G+ \8 Q) m, z! R1 b) x2 ]' Q! i; }) I! a3 s4 W7 X& ^0 _$ J7 \3 b+ g8 r, L, e3 L( x: W/ z$ E1 z- j" ~0 n2 e3 [' S& j

   表1 Al₂O₃/Ti(CN)材料的力学性能

   材料力 学性能	相对密度	抗弯强度 (MPa)	断裂韧性 (MPa·m½)	硬度 (GPa)
   测量值	99.3%	820	7.4	20.4

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   图1 AT材料抛光面的显微结构

   图2 AT材料断裂面的组织形貌

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   1. 复合材料的强度 ! D) Y0 \. E4 h# t5 {* S' H
      从表1中可以看出，Al₂O₃/Ti(CN)复合材料的强度和韧性虽然比Ti(CN)基金属陶瓷低，但远远高于Al₂O₃和纯Ti(CN)陶瓷；其硬度高于Ti(CN)基金属陶瓷，略低于纯氧化铝陶瓷。虽然Al₂O₃和纯Ti(CN)陶瓷的强度和韧性均不太高，但这两种材料复合后，强度和韧性得到大幅度提高。研究证明：影响复合材料强度的主要因素有气孔率、晶粒大小以及温度等。根据Hall—Pitch关系式(s_b=s₀+kd^-1/2)可知：晶粒的尺寸越小，材料的强度越大；从AT复合材料抛光面的SEM照片(见图1)可以看出，复合材料中的Al₂O₃和Ti(CN)晶粒比较均匀，大小约为2µm，且材料中没有气孔，因此材料强度增加；此外，晶粒大小均匀减少了应力集中，而Al₂O₃、TiC、TiN的热膨胀系数相近(均为8.0×10^-6左右)，在材料烧结后的冷却过程中，不同的晶粒之间不会产生微裂纹，有利于AT材料强度的提高。
   2. 复合材料的断裂韧性 1 D' q! g6 f3 i1 R/ T5 U: s& U2 n4 E
      用压痕法测量材料的断裂韧性值：用98N的压头在抛光后的复合材料表面打上压痕，测量维氏硬度HV、载荷压痕对角线半长a以及压痕棱角处产生的裂纹长度c。由于目前计算断裂韧性值的公式很多，用不同的公式得到的断裂韧性值有很大不同［4］，为了便于对不同材料断裂韧性值进行比较，试验中采用本研究室统一使用的断裂韧性值计算公式：

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   Kc=0.203(c/a)-3/2·a½·HV

   (1)

   式(1)中a、c分别是压痕和裂纹对角线的半长，HV为材料的维氏硬度。
   将裂纹长度、对角线半长及维氏硬度的测量结果代入式(1)，计算出Al₂O₃/Ti(CN)复合材料的断裂韧性值为7.4MPa·m^½，大大高于纯Al₂O₃的断裂韧性值(4～4.5MPa·m^½)，也远高于本研究室研制的陶瓷刀具材料SG4(4.94MPa·m^½)和LT55(4.8MPa·m^½)的断裂韧性。
   Al₂O₃/Ti(CN)复合材料断裂韧性的大幅度提高不能简单地认为是颗粒增韧的结果。研究发现：在颗粒增韧复合材料中第二相的极限体积含量不能超过38%，否则会因不同组分热膨胀系数的差异损害复合材料的宏观力学性能。而在本文研制的复合材料中，Al₂O₃和Ti(CN)的比例差不多(均在50%左右)，因此Al₂O₃/Ti(CN)复合材料断裂韧性的提高不能认为是颗粒增韧的结果。从材料抛光面的SEM照片(见图1)可以看出：在Al₂O₃颗粒的周围包裹了一层Ti(CN)，反之亦然。Al₂O₃和Ti(CN)颗粒分别形成完整的网络结构，两种结构互相嵌套，构成空间骨架结构，造成材料断裂时既有穿晶断裂又有沿晶断裂(见图2)，从而增加了材料的断裂能。因此该复合材料断裂韧性提高的主要原因缘于其独特的空间骨架结构。
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2. 切削性能试验
   SG4、LT55是目前已批量生产的两种国产陶瓷刀具材料。LT55适合加工钢和铸铁，特别适于加工超强度钢和高硬铸铁；SG4适于加工钢和铸铁，特别适合加工淬硬钢。通过切削试验将AT复合刀具材料切削铸铁和钢材时的切削性能分别与LT55和SG4进行对比。三种刀具材料的力学性能对比见表2。 + A- |1 `/ V6 Z" r3 e5 k' W/ i' x0 q9 v/ k/ ^. W9 ?$ e" P- y( \& E2 o9 A1 R1 Y* |% y g, o ~- y7 z: a3 B6 j6 t M3 U9 _7 _' [, Q( W( \, n& s5 P; f% i8 c0 G, M& Z& ?! S& T& Q4 N z9 l3 O8 {: O8 `9 [8 z4 M% \& _0 G Q" k2 E( m1 v4 E; L" M) Y2 S2 u/ L3 p8 g: ~# m$ B4 T: }) r1 ?& W

   表2 三种刀具材料的力学性能对比

   刀具材料	主要成分	抗弯强度 (MPa)	断裂韧性 (MPa·m½)	硬度 (GPa)
   SG4	Al2O3(/W，Ti)C	850	4.94	21.7
   LT55	Al2O3/TiC	900	5.04	21.5
   AT	Al2O3/Ti(CN)	820	7.4	20.4

   试验条件：采用机夹可转位正方形刀片，刀片材料分别为Al₂O₃/Ti(CN)复合刀具材料、SG4和LT55；加工方式为干切削；试验机床为CA6140车床。刀具的几何参数：①切削铸铁：前角g₀=-5°，后角a₀=5°，刃倾角l_s=-5°，主偏角K_r=45°，倒棱角g₀₁=20°，刀尖圆弧半径r=0.3mm；②连续切削淬硬钢：刀尖圆弧半径r=0.2mm，无倒棱，其它条件与切削铸铁时相同；③断续切削淬硬钢：空切比为0.15，其它条件与连续切削淬硬钢时相同。工件材料：球墨铸铁(内含大量硬质点)，淬硬钢(硬度42～46HRC)；测量仪器：光学显微镜，卡尺。
   试验指标：观察、记录刀片磨损形态和刀具后刀面的平均磨损量(切削铸铁)、连续切削淬硬钢时后刀面的最大磨损量和断续切削淬硬钢时刀尖崩口半径为0.1mm时所对应的受冲击次数。

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   图3 AT和LT55刀具切削铸铁时的主后刀面磨损形态

   图4 AT和SG4刀具切削淬硬钢时的主后刀面磨损形态

   图5 AT和SG4刀具断续车削淬硬钢时刀具的破损性能对比

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   1. 连续切削铸铁 " j; ~+ w9 b0 a2 ^: D$ X2 s
      在连续切削铸铁时，AT和LT55两种刀具的磨损主要是工件中的硬质点在主后刀面产生的磨粒磨损。在光学显微镜下观察，磨损形态比较规则，因此以主后刀面的平均磨损量表示刀具的耐磨性能指标。从图3可以看出：AT和LT55两种刀具的磨损均出现明显的初期和中期磨损阶段。LT55的耐磨性能好于AT刀具，其原因可能是AT刀具材料中含有一定量的TiN，使TiC的含量降低，而TiN的耐磨性能比TiC低所致。
   2. 连续切削淬硬钢 3 `1 s4 U* `, s8 N" X+ M) \
      在连续车削淬硬钢时，刀具的损坏形式主要是主后刀面的磨粒磨损，同时伴有前刀面的粘结磨损。从刀具的磨损形态看，主后刀面的磨损形状不规则，因此以最大磨损长度作为评判刀具耐磨性的指标。在图4所示切削条件下，AT和SG4刀具主后刀面的最大磨损量相差不多，二者的耐磨性能相近。
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   3. 断续切削淬硬钢 0 S: s( z+ v( w# {$ t
      断续切削淬硬钢时，刀尖要承受巨大的机械冲击和热冲击。刀具的破坏形式主要是由于机械冲击和热冲击造成的崩刃。从图5可以看出：在本试验条件下，SG4在冲击800次后，刀尖已经出现崩刃，而AT刀具在连续冲击3680次后才出现崩刃。因此AT刀具的抗崩刃性能远高于SG4。其主要原因是AT刀具材料中含有一定比例的TiN，而TiN的热导率较高，导致AT刀具的抗热震能力提高。同时AT材料的断裂韧性比SG4高，因此其抗机械冲击的能力较强。

4 结论

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从材料的物理力学性能来看，采用热压烧结工艺制备的Al₂O₃/Ti(CN)复合材料完全可以作为刀具材料使用。根据该材料与SG4、LT55陶瓷刀具材料进行的切削性能对比试验可得出以下结论：由于Al₂O₃/Ti(CN)复合刀具材料中含有一定量的TiN，导致其耐磨性比LT55有所下降，但TiN较大的导热系数使Al₂O₃/Ti(CN)复合刀具材料的抗热震性能提高；Al₂O₃/Ti(CN)复合材料的断裂韧性远高于SG4，抗机械冲击能力提高；高的抗热震能力和断裂韧性提高了Al₂O₃/Ti(CN)复合材料的断续切削能力。综上所述，Al₂O₃/Ti(CN)复合材料是一种适合连续切削铸铁和淬硬钢、尤其适合断续切削淬硬钢的刀具材料。

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