1 引言
隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，許多難加工材料(如冷硬鑄鐵、淬硬鋼、不銹鋼、鈦合金等)的應(yīng)用日趨廣泛。1Cr18Ni9Ti不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，導(dǎo)熱性差、韌性好，難于加工。該不銹鋼中Cr和Ni含量較高，Cr雖能提高不銹鋼的強(qiáng)度和韌性，但增加了不銹鋼與刀具的粘結(jié)傾向；Ni可起到穩(wěn)定奧氏體組織的作用，但奧氏體組織塑性大，容易引起加工硬化。在實(shí)際生產(chǎn)中一般采用鎢鈷類(YG8等)硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工，但加工效果并不十分理想。冷硬鑄鐵中的C主要以Fe3C等碳化物的形式存在，且相當(dāng)一部分以硬質(zhì)點(diǎn)的形態(tài)分布于鋼基體中，因此冷硬鑄鐵硬度高、耐磨性好，難于切削加工。切削時(shí)，硬質(zhì)點(diǎn)的脫落會造成切削力波動，影響切削平穩(wěn)性，使刀具較易崩刃而降低使用壽命。因此，迄今國內(nèi)尚無切削加工冷硬鑄鐵的理想方法。
Ti(C，N)基金屬陶瓷因具有硬度高、耐磨性好、導(dǎo)熱性好等優(yōu)良的綜合性能而被廣泛用作工具材料。本文通過切削試驗(yàn)，研究了經(jīng)納米TiN改性的TiC基金屬陶瓷刀具加工冷硬鑄鐵和不銹鋼兩種難加工材料時(shí)的切削性能，并與YG8硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了對比，為拓寬金屬陶瓷刀具的應(yīng)用范圍，將其用于難加工材料切削加工提供了試驗(yàn)依據(jù)。
2 試驗(yàn)方法
金屬陶瓷刀片(型號為SNUN150406)的材料成分為54TiC-10TiN(納米粉)-15Mo-20Ni-1C。TiN 納米粉由中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所生產(chǎn)，粒度為30～50nm。制備時(shí)，先用ZB220-T超聲波儀對TiN納米粉進(jìn)行分散，混料后加入適量無水乙醇并球磨24小時(shí)；待混合料干燥后，加入PVA進(jìn)行造粒，然后在170MPa壓力下模壓成型；最后在1400℃溫度下真空燒結(jié)1小時(shí)。
切削試驗(yàn)在6140機(jī)床上進(jìn)行。被加工工件分別為Ø183mm冷硬鑄鐵軋輥(硬度>50HRC)和Ø80mm奧氏體不銹鋼鋼棒(1Cr18Ni9Ti)。刀具安裝角度為a0=9°、g0=-8°、kr=90°、kr'=30°。YG8硬質(zhì)合金刀片(株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn))的型號及切削參數(shù)(切削速度vc、進(jìn)刀量f及切深ap)與金屬陶瓷刀片相同。進(jìn)行切削后，在40倍工具顯微鏡下測量刀具后刀面磨損量VB并觀察其磨損形態(tài)，用HITACHIX-650掃描電鏡和H-800透射電鏡觀察金屬陶瓷刀具的顯微組織。
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(a)SEM形貌(×3000)
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(b)TEM形貌(×20000)
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| 圖1 金屬陶瓷刀具的顯微組織 |
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(f=0.08mm/r，ap=2mm，vc=7.5m/min)
圖2 金屬陶瓷刀具和YG8刀具切削冷硬鑄鐵時(shí)的磨損曲線
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(f=0.1mm/r，ap=0.4mm，vc=60m/min)
圖3 金屬陶瓷刀具和YG8刀具切削不銹鋼時(shí)的磨損曲線
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3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
- 金屬陶瓷刀具的顯微組織
金屬陶瓷刀具的顯微組織如圖1所示。由圖可見，金屬陶瓷組織由陶瓷相和金屬相組成(圖1a)；較粗大的陶瓷相呈芯/殼結(jié)構(gòu)(圖1b)，芯部成分為Ti(C，N)固溶體，殼部成分主要為(Ti，Mo，W)(C，N)固溶體。與傳統(tǒng)的Ti(C，N)基金屬陶瓷顯微組織對比可知，向TiC基金屬陶瓷中添加納米TiN與添加微米TiN相比，對基體TiC的細(xì)化效果更為顯著。
- 金屬陶瓷刀具與YG8刀具切削性能對比
- 切削冷硬鑄鐵
用金屬陶瓷刀具和YG8硬質(zhì)合金刀具切削冷硬鑄鐵時(shí)的刀具磨損曲線對比如圖2所示。由圖可見，金屬陶瓷刀具的切削性能與YG8硬質(zhì)合金刀具差別較大，金屬陶瓷刀具初期磨損非�？欤诓坏饺昼姇r(shí)間內(nèi)磨損量VB即達(dá)到0.4mm，之后磨損速度雖有所下降，但仍然較快，且?guī)缀醪淮嬖诜�(wěn)定磨損期，最后刀具崩刃失效。
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- 在其它切削用量條件下進(jìn)行切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金屬陶瓷刀具的切削壽命(t)均較低(最多幾分鐘)，失效形式一般為崩刃或微崩。由此可見，金屬陶瓷刀具不適合切削冷硬鑄鐵，這主要因?yàn)榻饘偬沾傻目箯潖?qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度較低，切削冷硬鑄鐵時(shí)切削力和切削力波動均較大，因此金屬陶瓷刀具極易崩刃失效。而YG8硬質(zhì)合金刀具強(qiáng)度高、韌性好，抗機(jī)械疲勞性能較好，切削冷硬鑄鐵時(shí)刀具壽命較長。此外，切削冷硬鑄鐵時(shí)，刀具幾何角度也是影響刀具壽命的一個重要因素。為減小切屑變形和切削力，一般需采用較小的前角和后角，為了不降低刀刃強(qiáng)度，還需對刀刃進(jìn)行倒圓或磨出負(fù)倒棱以及通過研磨消除刀刃缺陷。
- 切削不銹鋼
用金屬陶瓷刀具和YG8硬質(zhì)合金刀具切削1Cr18Ni9Ti不銹鋼時(shí)的磨損曲線對比如圖3所示。由圖可見，金屬陶瓷刀具的切削性能優(yōu)于YG8硬質(zhì)合金刀具，其壽命是YG8刀具的三倍以上，這主要得益于金屬陶瓷材料優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和導(dǎo)熱性好、抗粘結(jié)性能好等優(yōu)良的物理性能［6］。采用金屬陶瓷刀具加工的工件表面質(zhì)量也優(yōu)于YG8刀具。因此可見，金屬陶瓷刀具較適合不銹鋼的半精加工和精加工。
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- 加工不銹鋼材料時(shí)，為保證切削加工順利進(jìn)行并獲得較高的刀具壽命和工件表面質(zhì)量，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①應(yīng)選用較大前角和較小主偏角，以減小切削力，使切削更輕快；②應(yīng)仔細(xì)研磨刀具的前面和后面，以獲得較高的表面光潔度，以避免切削時(shí)與工件發(fā)生粘結(jié)；③選用較高的切削速度或極低的切削速度；④不銹鋼切屑的韌性較強(qiáng)，故應(yīng)采取相應(yīng)的有效措施進(jìn)行斷屑、卷屑及排屑；⑤不銹鋼材料導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)較大，在切削區(qū)域局部高溫作用下極易產(chǎn)生熱變形，精加工時(shí)容易影響尺寸精度，因此應(yīng)選用導(dǎo)熱性較好的刀具；⑥應(yīng)盡量提高機(jī)床—刀具工藝系統(tǒng)的剛度。
4 結(jié)論
- 由于金屬陶瓷刀具的抗彎強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度較低，在切削冷硬鑄鐵時(shí)切削力和切削力波動較大，因此刀具壽命較低且多以崩刃、微崩的形式失效。而YG8硬質(zhì)合金刀具的壽命相對較高。
- 由于金屬陶瓷刀具具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和物理性能，因此在切削1Cr18Ni9Ti不銹鋼時(shí)其刀具壽命遠(yuǎn)高于YG8硬質(zhì)合金刀具。
