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切削高硬度钢的氧化铝-碳化钛陶瓷刀具

时间:2011-05-30 08:40:19 来源:未知
试样TiC含量
(%)
粒度(µm)硬度
(HV)
抗弯温度
dm(MPa)
断裂韧性KIC
(MPa·m½)
Al2O3TiCF-F101.21.019509003.0201.01.020009503.5301.01.0205010004.0501.01.021009004.3C-C103.02.018008003.2202.52.018509003.8302.22.319509004.3502.22.520509004.6F-C101.41.818508503.2201.41.819009003.8301.22.019509504.0501.22.020509004.5C-F102.21.219008503.1202.21.219509503.5301.81.2195010004.1501.81.220509004.5
表1 Al2O3-TiC陶瓷刀具毛坯成分及物理机械性能

一、前言

近年来,机械加工朝着高效、省力化方向发展。汽车齿轮、建筑机械的轴、轧辊等高硬度钢工件的加工正试图用切削方式来取代磨削加工。目前,加工高硬度钢的刀具主要有聚晶立方氮化硼(CBN)刀具和Al#p#分页标题#e#2O3-TiC陶瓷刀具。CBN刀具由于价格昂贵,难以普及;Al2O3-TiC陶瓷刀具则由于价格低廉而获得了广泛的应用。但陶瓷刀具在150m/min以上的速度切削时,前刀面容易产生贝壳形片状剥落,这是亟待解决的重要课题。人们通常把Al2O3-TiC陶瓷刀具产生剥落的原因归结为切削力和切削温度的变化,为此在刀具形状和切削条件等方面采取了一些改进措施,收到了一定的效果。但对陶瓷材料的组织结构及TiC含量对产生剥落的影响则尚未进行过研究。笔者用不同粒度和不同TiC含量的Al2O3-TiC系陶瓷作成刀具,进行了切削性能试验。

二、试验方法

以粒度0.3µm和0.8µm的Al2O3粉末及粒度0.8µm和1.5µm的TiC粉末作原料,经48小时湿式球磨粉碎后,配制成含有10~50mass%TiC的各种混合粉剂(见表1)。混合粉经干燥处理后,装填在石墨模中,在Ar气氛下以20MPa的压力热压1小时,获得50×50×6mm3的板状毛坯。热压温度如下:由0.3µm的Al2O3微细晶粒和0.8µm的TiC微细晶粒组合(F-F)时,热压温度为1723K;由0.8µmAl2O3粗颗粒和1.5µmTiC粗颗粒组合(C-C)时,热压温度为1973K;由微细晶粒Al2O3和粗颗粒TiC组合(F-C)及粗颗粒Al2O3和微细晶粒TiC组合(C-F)时,热压温度为1874K。通过粒度的组合并改变热压温度,可以抑制热压烧结时晶粒的长大,从而获得组织致密的毛坯。将板状烧结毛坯切割成3×4×35mm3的试片,分别用于金相组织的观察、抗弯强度(sm)、硬度(HV)及断裂韧性(KIC)等的测定。此外,用同样的板状毛坯制成ISO标准的SNGN120408(倒棱0.15mm×-25°)刀片,切削淬火合金工具钢(SKD11,60HRC),藉以分析TiC含量、Al2O3与TiC粒度对剥落的影响。


图1 Al2O3-30%TiC陶瓷刀具毛坯的金相组织(用热磷酸腐蚀)

三、试验结果

图1所示为不同粒度的Al2O3-30%TiC毛坯的金相组织,其中白色部分为TiC,灰色部分为Al2O3。F-F毛坯的粒度最细,C-C毛坯的粒度最粗,与F-F相比,F-C的Al2O3、C-F的TiC粒度稍粗,这是由于热压温度较高造成的。
表1列出了各种陶瓷成分与物理机械性能的关系。由表可知,各种毛坯的HV值均随TiC含量的增加而提高,其中,含30%TiC的陶瓷材料的dm值最大。从整体上看,F-F毛坯的HV与dm值均比C-C毛坯略高;KIC值则普遍显示出随TiC含量的增加而提高的趋势;但粒度不同所产生的差异却并不明显。

图2 F-F刀具切削SKD11时的磨损曲线
(v=100m/min,d=0.2mm,f=0.05mm/r,T=20min)

图3 陶瓷刀具寿命与TiC含量的关系

(a)前刀面

被加工材料:SKD11
图5 陶瓷刀具月牙洼磨损状况

(b)后刀面
图4 陶瓷刀具产生剥落时形貌
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图2所示为F-F刀具在v=100m/min条件下切削SKD钢时,不同TiC含量对后刀面磨损量VB和月牙洼磨损量KT的影响。X1-Y1、X3-Y3、X5-Y5分别表示刀具TiC含量为10%、30%、50%的磨损情况。由图可知,TiC含量越多的刀具,VB值越小,而KT值则越大。此外,与细粒度TiC陶瓷刀具相比,粗粒度TiC陶瓷刀具的VB和KT值均较大(图略)。在一般情况下,后刀面磨损是由磨粒磨损引起的,因此可以认为,硬度越低、TiC含量越少的粗粒度陶瓷刀具,其VB值也越大。而月牙洼磨损主要是由粘结磨损引起的,所以那些易与被加工材料产生化学反应的TiC含量越多的粗粒度刀具,其KT值也越大。
图3所示为各种陶瓷刀具在v=150m/min的条件下切削SKD11时,刀具因剥落而达到使用寿命的切削时间与TiC含量的关系。图4是刀具产生剥落的实例照片。由图可知,粗粒度TiC的C-C、F-C刀具使用寿命与TiC含量的多少无关,在短时间内就产生剥落而使刀具达到使用寿命。但是,微细晶粒TiC的F-F、C-F刀具的寿命却长得多,尤其是含20%~30%TiC微细晶粒的刀具显示出具有最佳的抗剥性能。
图5为月牙洼磨损的照片,这是用Al2O3-30%TiC(F-F)刀具在v=150m/min条件下切削5~20分钟,用酸腐蚀掉刃尖粘附物后拍摄的。箭头所指为前刀面产生的裂纹,这是在切削10分钟后观察到的,随着切削时间的延长,裂纹向刀具内部扩展,剥落即由此类裂纹不断扩展而成。

图6 Al2O3-30%TiC陶瓷刀具后
刀面磨损与切削力的关系

四、分析与考察

以上试验结果表明,在后刀面磨损VB、月牙洼磨损KT较大时,Al2O3-TiC陶瓷刀具容易产生剥落。下面从VB和KT两方面来分析剥落现象。
首先分析后刀面磨损和产生剥落的关系。图6所示为用Al2O3-30%TiC陶瓷刀具加工淬硬钢时VB和切削力的关系曲线。从该曲线来看,即使VB值增大,主切削力仍无明显变化,但VB值一旦超过0.08mm,吃刀分力和进给分力则会急剧增大。切削初期,当尚未产生后刀面磨损时,切削力的合力与前刀面形成42°夹角,当VB值达0.14mm时,该夹角由42°变成33°。这就表明,当VB值增大,便会产生对前刀面具有剪切作用的切削力合力,从而诱发剥落的产生。可见,TiC含量越少且粒度越粗的刀具,其VB值越大,也越容易产生裂纹而导致抗剥落性能下降。
其次,分析月牙洼磨损与产生剥落的关系。图7所示为月牙洼面上粘附物的状况。由图可知,TiC含量越多的刀具,月牙洼表面粘附的切屑也越多,即当切屑擦过月牙洼表面时,强大的挤压力使部分切屑无法移动而成为粘附物。因此,KT值越大,作用在月牙洼面的拉力也越大,从而越容易产生剥落。
(a)Al2O3-10%TiC陶瓷刀具

(b)Al2O3-30%TiC陶瓷刀具

(c)Al2O3-50%TiC陶瓷刀具
图7 Al2O3-TiC(C-C)刀具切削SKD11钢20分钟后月牙洼面上粘附物的金相组织
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综上所述,剥落现象的产生与VB和KT两方面的作用相关,无论TiC含量多少均易产生剥落。试验结果充分表明,陶瓷刀具的TiC含量以20%~30%这样的中间值为宜,TiC的粒度则以微细晶粒最好,这种陶瓷刀具有着优异的抗剥落性能。至于定量方面的问题,尚有待进一步研究。

五、结 论

  1. 用TiC含量少的粗粒度Al2O3-TiC陶瓷刀具切削高硬度钢时,容易产生磨粒磨损,后刀面磨损量较大,作用于月牙洼面上的剪切应力也较大,因此抗剥落性能较差。
  2. 用TiC含量多的粗粒度Al2O3-TiC陶瓷刀具切削高硬度钢时,容易产生粘结磨损,月牙洼磨损宽度增大;当处于压缩粘附状态的粘附物移动时,月牙洼表面因受拉力作用而导致抗剥落性能下降。
  3. 采用TiC含量为20%~30%、TiC粒度为微细晶粒的原料来制作Al2O3-TiC陶瓷刀具,将获得优异的抗剥落性能。