Ti(C, N)基金屬陶瓷刀具與納米改性

1、Ti(C, N)基金屬陶瓷刀具與納米改性        Ti(C，N)基金屬陶瓷是近年來發(fā)展較快的一種刀具材料。這種刀具材料主要以Ti(C，N)為主要成分，通過冷壓真空燒結(jié)而成。它不僅具有較好的綜合機(jī)械性能，而且具有密度小、比陶瓷導(dǎo)熱好、耐腐蝕、與鋼的摩擦系數(shù)小等優(yōu)良的物理性能。此類刀具材料的機(jī)械性能介于WC 基硬質(zhì)合金刀具與陶瓷刀具之間，在加工范圍上也剛好填補(bǔ)了兩者之間的空白。 1 Ti(C，N)基金屬陶瓷性能及其適用范圍Ti(C，N)基金屬陶瓷屬于硬質(zhì)合金類，通常以TiC為主要成分，Ni作為粘結(jié)金屬，增加Ni含

2、量，可提高合金的強(qiáng)度，但會(huì)使合金的硬度降低。向Ni中添加Mo(或Mo2C)，可改善液態(tài)金屬對(duì)TiC的濕潤(rùn)性，使TiC晶粒變細(xì)，可提高合金的強(qiáng)度及硬度。Ni和Mo的總含量通常為20%30%。 Ti(C，N)基金屬陶瓷按其組成和性能不同可分為：成分為TiC-Ni-Mo的TiC基合金；添加其它碳化物(如WC、TaC等)和金屬(如Co)的強(qiáng)韌TiC基合金；添加TiN的TiC-TiN(或TiCN)基合金；以TiN為主要成分的TiN基合金。 我們研制的是添加TiN的Ti(C，N)基金屬陶瓷，其中TiN是納米級(jí)的微粉。由于TiC比WC具有更高的硬度和耐磨性，TiN的加入可起到細(xì)化晶粒的作用，故Ti(C，N)

3、基金屬陶瓷可表現(xiàn)出比WC基或TiC基硬質(zhì)合金更為優(yōu)越的綜合性能。 Ti(C，N)基金屬陶瓷的性能特點(diǎn)如下： 1. 硬度很高 一般可達(dá)HRA9193.5，有些可達(dá)HRA9495，即達(dá)到非金屬陶瓷刀具硬度水平。 2. 有很高的耐磨性和理想的抗月牙洼磨損能力，在高速切削鋼料時(shí)磨損率極低 其耐磨性可比WC基硬質(zhì)合金高34倍。 3. 有較高的抗氧化能力 一般硬質(zhì)合金月牙洼磨損開始產(chǎn)生溫度為850900，而Ti(C，N)基金屬陶瓷為11001200，高出200300。TiC氧化形成的TiO2有潤(rùn)滑作用，所以氧化程度較WC基合金低約10%。 4. 有較高的耐熱性 Ti(C，N)基金屬陶瓷的高溫硬度、高溫強(qiáng)度

4、與高溫耐磨性都比較好，在11001300高溫下尚能進(jìn)行切削。一般切削速度可比WC基硬質(zhì)合金高23倍，可達(dá)300400m/min，即使加工某些高硬度材料和難加工材料，切削速度也可達(dá)200m/min。 5. 化學(xué)穩(wěn)定好 Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具切削時(shí)，在刀具與切屑、工件接觸面上會(huì)形成Mo2O3，鎳鉬酸鹽和氧化鈦薄膜，它們都可以作為干潤(rùn)滑劑以減少摩擦。Ti(C，N)基合金與鋼不易產(chǎn)生粘結(jié)，在700900時(shí)也未發(fā)現(xiàn)粘結(jié)情況，即不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面粗糙度值較低。Ti(C，N)基金屬陶瓷在具有良好的綜合性能的同時(shí)還可以節(jié)約普通硬質(zhì)合金所必需的Co、Ta、W等貴重稀有金屬材料。隨著人類節(jié)約資源、推行

5、“綠色工業(yè)”進(jìn)程的加快，Ti(C，N)基金屬陶瓷必會(huì)成為一種大有前途的工具材料。實(shí)際上，一些國(guó)家已在積極應(yīng)用和推廣這種刀具材料，如日本在1988年Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具已占年度硬質(zhì)材料工具總量的27.3%，而且其使用量還在逐年提高。Ti(C，N)基金屬陶瓷由于具有接近非金屬陶瓷的硬度和耐熱性，且其抗彎強(qiáng)度比非金屬陶瓷高，最初被用來制作高速精加工用的刀具材料，以填補(bǔ)WC基硬質(zhì)合金與非金屬陶瓷材料之間的空白。近年來，Ti(C，N)基金屬陶瓷的強(qiáng)度得到不斷提高，從700800MPa提高到18002000MPa，已接近WC基合金的強(qiáng)度，而且其韌性也不斷提高，制作成可轉(zhuǎn)位刀片，發(fā)展成為一個(gè)完整的加

6、工鋼材的硬質(zhì)合金系列。目前它不僅可用作精加工，而且擴(kuò)大到半精加工、粗加工和間斷切削，在鋼的高速切削中，特別對(duì)要求表面粗糙度值較小的精加工和半精加工，Ti(C，N)是無(wú)敵手的。 Ti(C，N)基金屬陶瓷還可以加工灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵。 2 納米改性Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具的研制1. 納米改性Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具的特點(diǎn) 1.雖然Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具硬度高、耐磨損且具有高的高溫抗軟化能力和抗氧化能力，但也存在抗塑性變形能力、抗崩刃性能差及韌性不好等問題，因此，長(zhǎng)期以來對(duì)金屬陶瓷刀具進(jìn)行增韌一直是材料科學(xué)工作者努力的方向。近幾年來出現(xiàn)的“納米技術(shù)”，特別是通過納米添加對(duì)傳統(tǒng)材

7、料進(jìn)行改性，為金屬陶瓷刀具的增韌提供了新的途徑。 2.納米材料是指材料顆粒尺度在100nm以下，直到接近原子的尺寸(0.20.3nm)，這時(shí)，很多傳統(tǒng)的物理原則將不復(fù)存在，而出現(xiàn)光、電、磁、化學(xué)、機(jī)械性能的奇異變化，構(gòu)成了一個(gè)全新的“介觀物理”領(lǐng)域。納米材料被人們譽(yù)為“21世紀(jì)最有前途的材料”，而其中通過納米粉體對(duì)現(xiàn)有的硬質(zhì)合金進(jìn)行改性是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，經(jīng)納米改性的金屬陶瓷材料具有以下特點(diǎn)： 3.a. 材料的硬度和強(qiáng)度提高 根據(jù)Hall-Petch關(guān)系式，材料的屈服應(yīng)力(或硬度)與晶粒尺寸的關(guān)系為式中，s為0.2%屈服應(yīng)力；sa為移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)所需克服的點(diǎn)陣摩擦力；KH為常數(shù)；

8、d為平均晶粒直徑；n為晶粒尺寸指數(shù)，通常為-1/2。 按照Hall-Petch關(guān)系式，由于晶粒尺寸的減小，納米結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度或硬度應(yīng)該提高。 a. 材料導(dǎo)熱性能的改善 實(shí)驗(yàn)證明，納米改性的金屬陶瓷比沒有改性的金屬陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)要大。材料的熱導(dǎo)性提高，為充分發(fā)揮金屬陶瓷刀具的切削性能提供了條件。 b. 使材料的燒結(jié)溫度降低 由于在納米結(jié)構(gòu)材料中有大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑，因此，納米結(jié)構(gòu)材料具有較高的擴(kuò)散率。增強(qiáng)的擴(kuò)散能力使經(jīng)納米改性的陶瓷材料的燒結(jié)溫度降低。如英國(guó)學(xué)者把納米氧化鋁與二氧化鋯進(jìn)行混合，獲得的高韌性的陶瓷材料，其燒結(jié)溫度降低了100。這樣使材料的制備成本得以降

9、低。綜上所述，由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道等效應(yīng)，使得經(jīng)納米改性的陶瓷材料具有優(yōu)良的綜合性能。 4. 材料制備 我們根據(jù)上述納米材料的特性，在以TiC-Ni-Mo為主要成分的金屬陶瓷基礎(chǔ)上添加了納米級(jí)的TiN，制備了經(jīng)納米改性的新型Ti(C，N)基金屬陶瓷。其主要制造流程見圖1。5.  1. 刀具切削試驗(yàn)1.a. 試驗(yàn)條件 i. 試驗(yàn)刀片 均為機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片，有正方形與三角形2種，刀片材料分別為Ti(C，N)基金屬陶瓷(未加納米材料)；納米改性的Ti(C，N)基金屬陶瓷；YT15和YG8。 ii. 試驗(yàn)機(jī)床 CA6140 iii. 工件材料 45鋼棒

10、料，抗拉強(qiáng)度400500MPa；45鋼，經(jīng)淬火熱處理，硬度為HRC55，抗拉強(qiáng)度500700MPa；不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)。 iv. 測(cè)量?jī)x器 測(cè)量顯微鏡X30、卡尺、秒表等。 v. 試驗(yàn)?zāi)康?進(jìn)行上述刀片材料切削性能的對(duì)比試驗(yàn)。 vi. 試驗(yàn)指標(biāo) 觀察、記錄刀具磨損形態(tài)和刀具后刀面磨損量及相對(duì)應(yīng)的切削時(shí)間。b. 連續(xù)車削45鋼棒料 a.刀具幾何參數(shù)如下：三角刀片，主偏角kr=90°，前角g0=7°，后角a0=8°，無(wú)倒棱。切削參數(shù)如下：切削速度v=200m/min，切削深度ap=0.5mm，f=0.09mm/r。 b.由圖2可知，在此切削條件下，納米改性

11、刀具比未加納米材料刀具的耐用度提高了1倍，比YT15提高2倍以上。  c.d. 連續(xù)切削淬火鋼(45鋼，HRC=4853) 刀具幾何參數(shù)如下：四方刀片，kr=45°，g0=5°，a0=7°，刃傾角ls=-5°，倒棱b1=0.2。切削參數(shù)如下：v=30m/min，ap=0.5mm，f=0.1mm/r。由于此工件材料為淬過火的45鋼，硬度高，所以能進(jìn)行正常切削的切削速度比45鋼(未淬火)的要低。試驗(yàn)證明，當(dāng)v=30mm/min時(shí)，對(duì)納米改性的金屬陶瓷刀具較合適。從圖3可以看出，在此切削條件下，納米改性金屬陶瓷刀具的使用壽命明顯比其它刀具的使用壽命高

12、，比未加納米材料刀具高23倍，比YT15高4倍以上，顯示出其良好的切削性能。由于工件硬度高，切削試驗(yàn)時(shí)，刀具的失效形式多為崩刃。 e.f. 加工不銹鋼 刀具幾何參數(shù)如下：三角刀片，kr=90°，g0=8°，a0=6°，切削參數(shù)如下：v=60m/min，ap=0.4mm，f=0.1mm/r。 g.試驗(yàn)結(jié)果見圖4。不銹鋼因其材料的導(dǎo)熱性差，韌性好，加工中屬難加工材料，常用YG類刀具進(jìn)行加工。而納米改性的金屬陶瓷刀具材料，因其自身導(dǎo)熱性能的改善，硬度的提高，在精加工不銹鋼材料時(shí)，其刀具的使用壽命比YG8提高了2倍。h.3 主要結(jié)論1. 通過對(duì)3種不同工件材料的切削性能試

13、驗(yàn)比較得知，所研制的納米改性金屬陶瓷刀具適合加工鋼等塑性金屬材料，因其具有良好的耐磨性及高溫切削性能，特別適合于在高速精加工及半精加工中使用。由于納米改性刀具表現(xiàn)出較好的導(dǎo)熱性能，因此這類刀具在加工如不銹鋼這類導(dǎo)熱性差、韌性好的難加工工件材料時(shí)，也表現(xiàn)出很好的切削性能。 2. 淬過火的零件由于硬度高，一般采用磨削進(jìn)行加工，本次試驗(yàn)用研制的納米改性金屬陶瓷刀具來進(jìn)行車削，取得了初步成功，為以車代磨奠定了基礎(chǔ)。 3. 在上述切削試驗(yàn)中，納米改性的刀具均比未改性的刀具切削性能好，因此，用納米技術(shù)來對(duì)金屬陶瓷進(jìn)行增韌不失為一種切實(shí)可行的方法。同時(shí)在試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)納米改性刀具容易刃磨，比YG8及YT15刃磨性能都要好，這為這類刀具的制造創(chuàng)造了條件。 4. 所研制