金属陶瓷刀具

金属陶瓷刀具班级：0808302 学号：姓名：切削加工是工业生产中最基本、最普通和最重要的方法之一，它直接影响工业生产的效率、成本和能源消耗。

提高加工效率，将会带来巨大的社会、经济效益。

前北美机械工程师协会主席Hom曾说：“每节省加工工时一分钟，美国就可节省一亿美元”，可见提高加工效率对国民经济具有十分重要的意义。

陶瓷刀具由于高温性能好，其切削速度可比传统刀具提高3—10倍，因而可以在现有的厂房、设备、动力条件下，使产品产量成倍增长，大幅度提高社会生产力。

其次，由于现代科学技术和生产的发展，越来越多地采用超硬难加工工件，以提高机器设备的使用寿命和工作性能。

有资料介绍，难加工材料已超过43%。

这些难加工材料的采用，给制造技术带来很大的困难，传统刀具是难以对付的，往往要采用费时费电的退火加工和磨加工等方法。

新型陶瓷刀具由于有很高的硬度(HRA93—95)，因而可以加工硬度高达HRC65的各类难加工材料，免除退火加工所消耗的电力和时间；可以提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命。

硬质合金刀具大量消耗着W、Co等战略性贵重金属，节约这些资源是各国的基本政策，而广泛采用陶瓷刀具则是有效措施。

因为陶瓷刀具的主要原料Al2O3和SiO2，是地壳中最丰富的成分，是取之不尽，用之不竭的。

一、复合TiCN金属陶瓷刀具近年来发展起来的TiCN金属陶瓷刀具是以碳氮化钛(TiCN)作为耐磨相，金属Mo、Ni作为粘结相，经过高温烧结而成的金属陶瓷刀具材料。

它有很高的抗弯强度(≥1 000 GPa)，和断裂韧性(K Ic≥10 MPa·m1/2)，有较宽的适用范围，适合于普通钢铁材料加工，在精加工和高速铣削钢件时尤为有效。

但是由于晶界上有相当数量的Mo、Ni等金属相，硬度较低(HRA91—92)，高温性能也受到影响，难于胜任高硬难加工材料的加工。

复合TiCN金属陶瓷刀具比复合Si3N4陶瓷刀具有更高的硬度和耐磨性，更适合于淬硬钢、高强度钢的加工；它比复合Al203陶瓷刀具有更高的断裂韧性和抗冲击性，可承受更大的切削深度和进给量。

目前工业中采用的淬硬钢工件越来越多，通常：采用磨削工艺加工，不仅效率低，成本高，还要消耗大量的冷却液，造成环境污染。

复合TiCN金属陶瓷刀具在许多大型骨干企业解决了淬硬钢加工“以车代磨”的难题。

例如宝钢过去采用进口精密磨床加工86CrMoV7淬硬钢轧辊(HRC63，d0.8m×3m)，成本高，效率低，虽试用过国内外六七种陶瓷刀具，均未能实现“以车代磨”，后来采用复合金属陶瓷刀具才顺利地解决了这个难题。

所采用的切削用量为：切削速度为60—80 m／min，切削深度为0.8—1.5 mm，进给量为0.3—0.5 mm/r，连续切削了6个辊子，切削路程长达15 420 m，切削时间高达260—280min，表面粗糙度和辊子锥度均达到了要求。

单根轧辊的加工时间由7 h减少为2．5 h，综合加工成本减少了75%，相应单班产量提高了3倍。

轴承行业也大量应用淬硬钢(GCrl5，HRC62)，过去采用退火粗车、精车，然后淬火再粗磨、精磨工艺，考虑到淬火的变形，必须留有足够的余量，给粗磨工艺带来困难，成为生产工艺中的“瓶颈”。

瓦轴等轴承企业采用复合金属陶瓷刀具对轴承内外圈淬火后精车，取代原工艺淬火前精车和淬火后粗磨，取得十分显著的效果。

在加工提速客机、货车轴承内外圈时，比磨削效率提高4倍以上。

复合金属陶瓷刀具还实现了轴承圈淬火后车退刀槽、黑皮和圆角(“光亮工程”)等工艺改革，简化了工艺，提高了轴承的质量。

随着我国汽车工业的发展，汽车零部件的加工在生产中占有越来越重要的地位，其中有一些零部件是非常难加工的。

如某厂生产载重车汽门(材料4Cr9Si2，HRC45)，用硬质合金刀具加工不仅效率低，而且加工弧形面的表面光洁度达不到要求，采用磨削工艺，不仅难磨圆弧、表面还常出现微观裂纹，也达不到验收标准，后来采用复合金属陶瓷刀具不仅表面光洁度达到了要求，而且加工效率提高了3—4倍。

某厂生产的C100发动机初级主齿轮是淬硬至HRC58—62的20CrMnTi钢，其端部d42 mm×13mm内孔要求表面粗糙度<1.6μ，硬质合金刀具加工不动，又无法磨加工，后来采用此新刀具解决了此加工难题。

复合TiCN金属陶瓷刀具由于晶界金属相少，硬度高，耐磨性、红硬性好，特别适合于淬硬钢高强度钢的加工，可以实现“以车代磨”，大幅度高加工效率，解决传统刀具难以解决的工艺难题，推动机械加工技术的进步。

二、TiB2增强AI2O3陶瓷刀具由于能够极大提高生产效率、降低切削力、提高加工表面质虽，高速切削引起研究者的广泛关注。

代表了切削加工的发展方向。

高速切削将产生大量的切削热，为了避免切削热导致机床、工件和刀具的热变形，高速切削机床大多采用高压大流量切削液进行冷却和润滑。

然而，大量使用切削液必然导致严重的环境污染，因此有必要加强高速干切削技术的研究，以避免切削液所造成的负面影响。

在高速干切削过程中，刀具与工件之间的摩擦加剧，大量切削热导致切削温度急剧升，从而使刀具寿命降低。

为此迫切需要开发适用于高速干切削的新型刀具，目前在这方面业已取得初步进展，研制成功了新型涂堪刀具、聚晶氮化硼(PCBN)和新型陶瓷刀具等适用于高速于切削工况的新型刀具口。

高速干切削的切削温度很高，刀具表面在高温作用下有可能发生摩擦化学反应。

如果能有效利用这种摩擦化学反应，在刀具表面原位生成具有润滑作用的反应膜，将可能实现刀具的自润滑，从而研制出适用于高速干切削的新型刀具。

鉴于硼化物在摩擦过程中容易经由氧化而生成具有较低剪切强度的润滑膜口，我们以TiB2作为增强相制备了AI2O3／TiB2陶瓷刀具，并将所研制的刀具用于淬火钢高速干切削试验，分析了刀具表面摩擦化学反应机理以及自润滑膜的组成和结构，探讨刀具的减摩和抗磨机理。

1实验部分1．1材料制备所采用的氧化铝粉末为a—Al2O3，纯度>99.9％，密度为3.99 g／cm3，粉末平均粒径<0.8 um。

所采用的TiB2粉末纯度>99.8％，密度为4.5 g／cm3。

TiB2硬度极高，使用前需经250 h强化球磨，使其平均粒径小于1.0 um。

将a—Al2O3粉末和球磨后的TiB2粉末按适当比例混合，经干燥后在流动氮气中过筛。

以氮气为烧结气氛，采用热压烧结工艺制备Al2O3/TiB2陶瓷刀具，烧结温度为1 500～1 800℃，压力为32 MPa，保温时间为10～50 min．将烧结陶瓷材料切割成3 mm×4 mm×36 mm的长条状试样，采用排水法测量其密度。

用维氏硬度计测定试样的硬度；用三点弯曲法测量试样的抗弯强度，跨距为30mm，加载速率为0.5 mm／min；采用压痕法测量试样的断裂韧性。

力学性能测量结果列于表1。

1．2切削试验在CA6140型车床上进行高速干切削试验，工件为45#淬硬钢(45～50HRC)，刀具为Al2O3／TiB2陶瓷刀具，刀片规格为SNGNl15608，刀片几何参数为：y。

=—5°，a0 = 5°，λs=一5°，K r=75°，b ro×r01=0.2×(--20°)。

切削试验条件为：进给量f=0.15mm／r，切削深度a p=0.4 mm，切削时间t=12 min。

采用光学显微镜测测量刀具后刀面磨损量(VB)和前刀面磨损深度，采用Kistler压电晶体测力仪测量切削力，采用自然热电偶法测量刀具前刀面平均切削温度，采用扫描电子显微镜(SEM)观察刀具磨损表面形貌。

2结论a．以TiB2增强Al2O3陶瓷刀具对淬硬钢进行高速干切削，可利用切削高温作用下的摩擦化学反应，在刀具材料表面原位生成具有润滑作用的反应膜，润滑膜的主要成分为Al2O3／TiB2陶瓷刀具中TiB2的氧化产物；其能够在刀具表面起到固体润滑作用，提高刀具的耐磨性能。

b．在低速切削条件下，Al2O3／TiB2陶瓷刀具主要表现出粘着磨损和磨料磨损特征；在高速干切削条件下，除AB10以外Al2O3／TiB2陶瓷刀具的耐磨性能随切削速度的增加呈增大趋势，此时刀具的磨损逐渐转变为以氧化磨损为主的轻微磨损。

c．在切削区通入氮气使得Al2O3／TiB2陶瓷刀具的抗磨能力降低，这是由于氮气抑制了刀具表面氧化膜的形成所致。

金属陶瓷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切削。

在TiC基金属陶瓷刀具中添加纳米TiN颗粒，其强度、韧性和硬度等性能都有一定的提高。

三、纳米改性金属陶瓷刀具由于纳米改性金属陶瓷刀具在切削加工过程中承受着高温和高压的作用以及其力学性能的限制，不可避免地要有不同程度的磨损。

已有的研究表明，每一种刀具材料都有其特定的加工范围，不同的刀具材料在加工不同的工件材料时其磨损形态和刀具寿命也会有很大的不同。

因此，存在着纳米改性金属陶瓷刀具与切削对象的合理匹配问题。

本文对所制备的纳米改性金属陶瓷刀具进行切削试验，并参考相关文献报道，对其与加工对象的合理匹配问题以及其切削加工时的磨损等问题进行分析。

1.影响金属陶瓷刀具磨损的原因通常刀具的失效形式分为磨损和破损两类。

已有的研究表明，金属陶瓷刀具切削加工时的磨损与所加工的工件材料和切削条件密切相关，在不同的切削条件下加工不同的工件材料时，占主导地位的磨损机制有所不同。

从根本上看，决定金属陶瓷刀具磨损的主要原因是其力学性能和微观结构。

Evans A G等研究指出，陶瓷材料所固有的脆性是导致其磨损的主要原因，因此，他把陶瓷材料的硬度和断裂韧性等力学性能与其磨损特性联系起来，建立了描述陶瓷材料磨料磨损的数学模型。

从材料的微观结构上看，金属陶瓷刀具磨损的基本现象是材料的断裂及转移，因此，裂纹的形成与扩展对金属陶瓷刀具的磨损产生重要影响。

由于金属陶瓷材料为复相结构，在晶界存在气孔和杂质等缺陷，并且各相之间存在热胀失配和弹性模量的差别。

晶界气孔的存在会导致应力集中，气孔作为裂纹源将诱导晶界裂纹，裂纹扩展至气孔时与气孔连接，其结果加速了裂纹的扩展。

Rice R W等研究表明，弹性模量与热胀失配产生的过大残余应力会导致材料在未受载荷时就产生开裂，气孔率的增加使金属陶瓷刀具的耐磨性能大大降低。

2刀具材料的力学性能在常规材料中加入纳米粉体可制备出纳米复相陶瓷材料，同时可提高材料的强度和韧性。

研制的纳米改性金属陶瓷刀具材料，是添加TiN的Ti(C,N)基金属陶瓷，其中TiN是纳米级的微粉。

纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具的基础成分主要有:TiC,TiN,WC,Ni,Co,Mo,C。