[分享]切削加工中陶瓷刀具的磨損與潤滑 [復(fù)制鏈接]

山東大學(xué) 鄧建新 艾興 h)Ff2tX  
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1．引言 Rv/Bh<t  
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陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于難加工材料切削、超高速切削、高速干切削和硬切削等。陶瓷刀具的最佳切削速度比硬質(zhì)合金刀具高3～10倍，可大幅度提高切削加工生產(chǎn)率。近三十年來，由于在陶瓷刀具制造工藝中實(shí)現(xiàn)了對(duì)原料純度和晶粒尺寸的有效控制，開發(fā)了各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶須或少量金屬的添加技術(shù)，以及采用多種增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制等，使陶瓷刀具的強(qiáng)度、韌性、抗沖擊性能等都有了較大提高。但陶瓷刀具并不是萬能的。陶瓷刀具在切削加工過程中要承受高溫、高壓作用，不可避免地要受到不同程度的磨損或破損。已有的研究表明，每一種陶瓷刀具都有其特定的加工范圍，不同的陶瓷刀具（或同種陶瓷刀具）在加工不同工件材料時(shí)其磨損形態(tài)和刀具壽命會(huì)有很大不同，因此存在陶瓷刀具與切削對(duì)象的最佳匹配問題。對(duì)于這方面的研究國內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)報(bào)道，但因?qū)嶒?yàn)條件和研究方法各異，不同研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和研究結(jié)論也存在差異。 <fs2fTUeqF  
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本文在作者已有的研究基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)陶瓷刀具切削加工時(shí)的磨損、潤滑以及陶瓷刀具與加工對(duì)象的最佳匹配問題進(jìn)行了綜合評(píng)述，以期對(duì)新型陶瓷刀具材料的研制與開發(fā)、實(shí)際加工中陶瓷刀具的選用與磨損控制等起到一定的指導(dǎo)和參考作用。 @_LN3z
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2．陶瓷刀具切削加工時(shí)的磨損機(jī)理 YXI'gn2b#  
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在陶瓷刀具切削加工過程中，始終存在兩個(gè)摩擦副，即前刀面與切屑間的摩擦副和后刀面與工件間的摩擦副。其中，前者影響刀具前刀面的磨損，后者影響刀具后刀面的磨損和已加工表面質(zhì)量，前、后刀面的磨損均影響刀具壽命。陶瓷刀具主要用于高速切削場合，切削溫度�？筛哌_(dá)800～1000℃（甚至更高），切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機(jī)械磨損與化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果，其磨損機(jī)制主要包括磨料磨損、粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散磨損、氧化磨損等。已有的研究表明，陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)。不同的陶瓷刀具材料在不同切削條件下加工不同的工件材料時(shí)，占主導(dǎo)地位的磨損機(jī)制可能有所不同。如在低速切削時(shí)，由于切削溫度較低，其磨損機(jī)理往往表現(xiàn)為磨粒磨損；而在高速切削時(shí)，則以高溫引起的粘著磨損、化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損和擴(kuò)散磨損為主。 FEJ~k1z  
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作者的研究表明：Al2O3基陶瓷刀具在連續(xù)切削鋼件時(shí)，其磨損機(jī)理主要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結(jié)磨損，而在切削鑄鐵時(shí)主要為磨料磨損。Wayne 和Brandt 等人通過研究用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718材料得出結(jié)論：在低速切削條件下，磨料磨損和粘結(jié)磨損為陶瓷刀具的主要磨損機(jī)制；而在高速切削條件下，粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散磨損為陶瓷刀具的主要磨損機(jī)制。由于Inconel 718材料高溫強(qiáng)度高，塑性變形大，加工硬化嚴(yán)重，切削力和切削溫度均很高。當(dāng)切削溫度小于900℃時(shí)，刀具前刀面以粘結(jié)磨損為主；當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時(shí)，Ni就開始向刀具中心擴(kuò)散。由于Ni的擴(kuò)散，一方面使刀具材料表面硬度下降，性能降低；另一方面使刀具與工件的親和性增加，粘結(jié)磨損增大。因此，用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718時(shí)必須使用切削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）。 pm6>_Kz  
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Casto等人通過研究用Al2O3/ZrO2陶瓷刀具加工AISI 1040材料得出結(jié)論：刀具的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘結(jié)磨損和磨料磨損，而用Si3N4陶瓷刀具加工AISI 1040鋼時(shí)，刀具表面存在嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI 4337鋼時(shí)，前刀面和后刀面的磨損機(jī)理不同�；瘜W(xué)反應(yīng)及塑性變形是前刀面磨損的主要原因，后刀面的磨損機(jī)理則是陶瓷顆粒間發(fā)生斷裂，導(dǎo)致陶瓷顆粒脫落所致。Brandt發(fā)現(xiàn)了Al2O3基陶瓷刀具切削時(shí)表層的塑性變形現(xiàn)象，并認(rèn)為這是由于Al2O3與FeO（鋼表面氧化產(chǎn)物）或MgO（陶瓷添加劑）反應(yīng)形成了尖晶石結(jié)構(gòu)，或者是Al2O3與SiO2、CaO作用形成了低熔點(diǎn)、低硬度的化合物。作者的研究表明：Al2O3/TiB2陶瓷刀具在加工高強(qiáng)鋼和淬硬鋼時(shí)具有較好的耐磨性，隨著TiB2含量的增加，刀具的耐磨性能增強(qiáng)。 oy;K_9\  
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對(duì)于晶須增韌陶瓷刀具，由于晶須在熱壓過程中定向分布于垂直熱壓軸平面，造成晶須在不同表面上的分布差異，因此晶須增韌陶瓷刀具的耐磨性能與晶須的取向有關(guān)，θ=0°表面的耐磨性能最差，而θ=90°表面的耐磨性能最好。當(dāng)?shù)毒咭院蟮睹婺�損為主時(shí)，應(yīng)選擇θ=90°表面作為刀具后刀面；當(dāng)?shù)毒咭郧暗睹婺�損為主時(shí)，則應(yīng)選擇θ=90°表面作為刀具前刀面。當(dāng)?shù)毒咔啊⒑蟮睹嫱瑫r(shí)存在較大磨損時(shí)，應(yīng)選擇θ=45°表面作為刀具的前（后）刀面，以提高刀具的抗磨損能力。 ]]"jw{W}A  
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Si3N4基陶瓷自七十年代后期開始作為刀具材料使用，目前已在鑄鐵和鎳基合金的切削加工中得到廣泛應(yīng)用。Si3N4基陶瓷刀具在高速切削鑄鐵時(shí)主要發(fā)生磨料磨損，而在高速切削碳鋼時(shí)主要發(fā)生化學(xué)磨損。化學(xué)磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所占比例一般并不大，但化學(xué)作用可使機(jī)械磨損的程度大大加劇，如化學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會(huì)引起陶瓷表面強(qiáng)度減弱，加劇刀具與工件間的粘結(jié)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和微觀斷裂磨損。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI 1045鋼時(shí)，其磨損率比切削灰鑄鐵時(shí)高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)；切削鑄鐵時(shí)工件與刀具之間的Fe、Si等元素的相互擴(kuò)散作用比切削鋼時(shí)小得多。切削鋼時(shí)，Si3N4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學(xué)作用有關(guān)，由于Si3N4顆粒的化學(xué)溶解及不斷被從玻璃相中拔除，Si3N4陶瓷刀具表現(xiàn)出很高的磨損率。Si3N4陶瓷刀具切削鋼時(shí)的高磨損率主要?dú)w因于以下兩種因素：①Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2層不斷被磨去；②SiO2與工件表面的FeO形成低熔點(diǎn)共晶混合物。有人對(duì)Sialon陶瓷刀具與鐵基合金間的化學(xué)作用進(jìn)行過專門研究，結(jié)果表明：在高溫下β′-Sialon 顆粒與鐵基合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，硅和氮在鐵基合金中發(fā)生溶解和擴(kuò)散。鋼中的合金元素對(duì)Sialon與鋼之間的反應(yīng)活性有一定影響，鎳、硅、碳、磷等元素可降低反應(yīng)活性，而鉻、鉬、鈦、釩等元素則會(huì)增大反應(yīng)活性。 V._(q^  
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雖然陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)，但決定陶瓷刀具磨損特性的主要因素仍是陶瓷材料的組分和微觀結(jié)構(gòu)。陶瓷刀具磨損的基本現(xiàn)象是材料的斷裂及轉(zhuǎn)移，因此裂紋的形成與擴(kuò)展將對(duì)磨損產(chǎn)生重要影響。陶瓷刀具材料多為復(fù)相陶瓷，在晶界處存在玻璃相、氣孔、雜質(zhì)等，且各相之間存在熱脹失配和彈性模量的差別。晶界氣孔的存在會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，氣孔作為裂紋源將誘導(dǎo)晶界裂紋，并且由于氣孔主要在晶界上產(chǎn)生，裂紋擴(kuò)展至氣孔時(shí)與氣孔連接，從而加速了裂紋的擴(kuò)展。Rice等人的研究表明：氣孔率的增加使陶瓷刀具的耐磨性能大大降低，彈性模量與熱脹失配所產(chǎn)生的過大殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料在未受外載時(shí)就產(chǎn)生開裂。由于多晶陶瓷所加的添加劑在燒結(jié)過程中主要以玻璃相形式存在于晶界上，在高速切削產(chǎn)生的高溫條件下，玻璃相粘度降低而發(fā)生塑性流動(dòng)，導(dǎo)致晶界滑移，并在晶界交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。如果應(yīng)力集中使得相鄰晶粒完全塑性變形，則會(huì)使應(yīng)力松弛，如果不能與鄰近晶界變形相適應(yīng)，則應(yīng)力集中將使晶界處產(chǎn)生裂紋。裂紋成核后，隨著晶界滑移程度的不斷增加，將會(huì)引起裂紋產(chǎn)生。陶瓷刀具材料晶體中的大量位錯(cuò)為裂紋成核提供了另一種方式，隨著磨損過程的不斷進(jìn)行，位錯(cuò)不斷增殖，在晶界處就會(huì)形成更多因位錯(cuò)而產(chǎn)生的微裂紋，這些裂紋相接就會(huì)形成連續(xù)裂紋，從而導(dǎo)致陶瓷刀具耐磨性能下降。 DSj(]U~r  
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3．陶瓷刀具切削加工時(shí)的潤滑 [S@}T zE  
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對(duì)于陶瓷刀具在切削加工中是否需要潤滑目前看法尚不統(tǒng)一。有些學(xué)者認(rèn)為，陶瓷刀具具有高硬度、高熔點(diǎn)、耐高溫等特點(diǎn)，且抗熱震性較差，對(duì)熱應(yīng)力很敏感，不適當(dāng)?shù)睦鋮s作用會(huì)使刀具產(chǎn)生熱裂紋而發(fā)生破損，因此陶瓷刀具切削加工時(shí)不需冷卻和潤滑即可滿足使用要求。但也有不少研究者認(rèn)為，陶瓷刀具在加工某些難加工材料時(shí)（如用晶須增韌陶瓷刀具加工鎳基高溫合金），必須充分使用切削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）。采用適當(dāng)?shù)睦鋮s和潤滑對(duì)減小陶瓷刀具磨損、延長其使用壽命十分有益。 yA3wtm/?