切削性能

两种Ti（C，N）基金属陶瓷刀具切削性能的研究
摘要：Ti(C．N)基金属陶瓷是本世纪七十年代出现的一种新型工具材料，具有许多优良的性能。

本文用传统的粉末冶金的方法制备了纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具试样和超细晶Ti(C，N)基金属陶瓷刀具试样，对两种刀具试样进行切削性能实验，对比其性能的优异，为制备性能更优异的金属陶瓷刀具提供理论依据。

关键字：纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具，超细晶Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，切削性能
ABSTRACT ：As a new kind of tool material in seventy’s, has many good properties. The cutting and wear behaviors of two kinds of cermets cutters were investigated in this paper，which expects to present theoretical instruction for preparation of high performance cermets cutters and enrich materials design theory．Key words：Nano TiN modified TiC-based cermets cutters，Ultra-fine Ti(C，N)一based ccrmets cutters，Cutting performance
1引言
Ti（C，N）金属陶瓷刀具是20世纪70年代初发展起来的一种新型材料刀具，由于具有硬度高、耐磨性好、高温力学性能优良和不易与金属发生粘结等特性，广泛应用于难加工材料的切削加工中，并可用于超高速切削、高速干切削和硬材料的切削加工【1】。

由于全球W的价格不断上涨，所以其是代替硬质合金刀具材料的很好选择。

但是也存在抗塑性变形能力、抗崩刃性能差及韧性不好等问题。

因此，长期以来对金属陶瓷刀具进行增韧一直是国内外科技工作者努力的方向，而近十年多来出现的通过纳米材料添加对传统材料进行改性，改善了金属陶瓷的力学性能。

本文通过将纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具和用亚微米级Ti(C，N)粉末为原料烧结的金属陶瓷刀具加工成可转位车刀片，按照实际的生产条件来进行切削性能实验，考察不同成分和不同后角条件下，刀具的耐用度和失效形式。

研究纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具的切削性能。

2 试验
本实验所用的刀具是自行研制的，试验用粉末原料均为外购。

其中TiC和Ti(c，N)粉末购于石家庄华泰纳米陶瓷材料厂；TiN纳米粉购于中国科学院成都有机化学；Ni粉购于四川江油国营八五七厂。

其余粉末均从株洲硬质合金厂购得。

本实验所用的TiC粉末为微米级，Ti(C，N)粉末为亚微米级，而TiN为纳米级。

实验中TiN、WC、Mo和C的添加量分别取为lO％、15％、5％、1％。

另外为了保证金属粘结相对陶瓷相的润湿性，制出致密的高性能的金属陶瓷试样，选用对陶瓷相润湿性较好的Co和Ni作为粘结剂。

本实验中金属陶瓷的基本成分配
方主要有以下七种成分：TiC、TiN、Ti(C
0.5，N
0.5
)(以下均简写为Ti(C，N))、WC、
Mo、Co、Ni、C。

A：纳米TiN改性的金属陶瓷 B：超细晶Ti(c．N)基金属陶瓷
根据表1中的成分配比，制备两组刀具A和B。

所制备的刀片形状为正方体，尺寸为16.6mm x 16.6 mm x5mm。

并对其进行主要的力学性能测试。

由表2可知，纳米TiN改性的金属陶瓷刀具的断裂韧性和抗弯强度都要好于超细晶Ti(C,N)基金属陶瓷刀具，而硬度要稍低一点。

正确的认识刀具材料的力学性能对合理的应用及其重要。

根据已有的研究【2】，选择刀具的几何参数：前角
γ为-50, 主偏角Kr为45°.
副偏角Kr'为45°，刃倾角
s
λ为0°。

后角取30到70。

工件材料为45号钢。

切削机床选用CA6140。

切削环境为干式切削，切削参数为：Vc=310 m／min，ap=0.5 mm，f=0.1 mm／r。

试验中主要用到显微镜X30来测量刀具磨损量，磨损标准为VB=0.3mm。

3结果与讨论
3.1两种刀具的切削性能
不同后角的纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具（tool A）切削路程都要比亚微米级Ti(C，N)基金属陶瓷刀具(tool B)要长。

从图1中可以看出，在后角为50，达到磨损标准时，tool A的切削总路程为1040mm,而tool B的切削总路程为550mm.切削性能整整提高了一倍。

而在后角为40时，切削性能差不多提高了七八倍。

这说明纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具切削45号钢在高速干式切削条件下的切削性能明显优于微米级Ti(C，N)基金属陶瓷刀具。

3.2两种刀具切削45号钢时切削参数优化
从图2至图6可知，纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具（tool A）在后角为4o时，切削路程最长，刀具的耐用度也最高；亚微米级Ti(C，N)基金属陶瓷刀具(tool B)在后角为50时切削路程最长，刀具的耐用度最高。

所以，两种刀具切削45号钢时的合适后角应该在4o～50。

图1 两种刀具不同后角下切削的总路径图2 后角为3o时两种刀具磨损量与
切削路程的关系曲线
图3 后角为4o时两种刀具磨损量与图4后角为5o时两种刀具磨损量与
切削路程的关系曲线切削路程的关系曲线
图5后角为6O时两种刀具磨损量与图6后角为7O时两种刀具磨损量与切削路程的关系曲线切削路程的关系曲线这是因为后角越小，刀具的后刀面与加工表面的接触越大，造成刀具后刀面所受到的摩擦力增大。

所以增加了刀具后刀面的磨损量。

其次，由于刀具的后角减小，刀具与工件所受到的径向抗力越大。

也增加了后刀面的磨损量【3】。

但是，后角太大会使刀具的抗弯强度下降，容易引起刀刃处断裂或崩刃。

因为陶瓷刀具本身抗冲击能力较差，所以，不适合选择较大的后角。

从图7中可得，亚微米级Ti(C．N)基金属陶瓷刀具在达到磨损标准时发生了崩刃，而纳米TiN
改性TiC基金属陶瓷刀具切削时未发生崩刃现象，一直达到刀具的磨损标准。

这说明纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具的强韧性比亚微米级Ti(C．N)基金属陶瓷刀具要高，这主要是因为纳米TiN颗粒的晶粒细化作用和弥散强化作用【4】。

图7亚微米级T I(C．N)基金属陶瓷刀具的崩刃磨损
4.结语
在高速切削时，纳米改性的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具表现出良好的切削性能，因此不失为一种理想的用于高速切削加工的刀具，而且随着此类刀具的强韧性的不断提高，使用范围会不断扩大。

在纳米改性的金属陶瓷刀具的制备中，由于纳米粉的添加量占整个材料成分的比例较少(约占6％左右)，因此刀具的成本提高不大，其性能价格比和未加纳米的金属陶瓷刀具相比则有较大提高。

所以作为一种新型的刀具高速精加工塑性材料，纳米改性的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具应该具有很好的应用前景。

参考文献
[1]Ehira M．，Egami A．．Mechanical properties and microstructure of
submieron eermets[J]．Int．J．Refr．Metals&Hard Mater．，1995，13：313-319
[2] 邓建新，艾兴，冯益华．陶瓷刀具切削加工时的磨损和润滑及其与加工对象
的匹配研究[J]．机械工程学报．2002，38 (4)：40-45．
[3] 陈日曜．金属切削原理（第一版）[M]．北京：机械工业出版社，1985．18-29
[4] 李文超，文洪杰，杜雪岩编著．新型耐火材料理论基础一近代陶瓷复合材料
的物理化学设计[M]．北京：地质出版杜，2001，12：170—171．。