陶瓷刀具材料與木質(zhì)復合材料的摩擦特性分析1)

郭曉磊 劉會楠 曹平祥 郭 勇 藤 雨

(南京林業(yè)大學，南京，210037)

陶瓷材料具有極其優(yōu)異的耐熱性、耐磨性、化學穩(wěn)定性以及高硬度，已經(jīng)廣泛應用于金屬切削加工領域［1］。常見的陶瓷基材料有 Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷等［2-5］，但這些陶瓷材料在木工刀具方面鮮有應用［6］。隨著陶瓷材料的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了亞微米級的陶瓷材料［7-10］。這使我們看到了將陶瓷材料應用于木工刀具制造的前景和希望。木工刀具刃口圓弧半徑較小，一般應小于5μm，而亞微米級陶瓷材料的晶粒可達到微米級以下，這就滿足了制造木工刀具刃口的要求，并且增強了刃口強度［10］。此外，陶瓷材料晶粒的細化也降低陶瓷材料的空隙率，改善了作為木工刀具材料硬度、抗彎強度及斷裂韌性。

在木材切削加工過程中，由于刀具對切屑和加工表面的正壓力作用，使切屑與刀具的前刀面以及工件的加工表面與刀具的后刀面之間產(chǎn)生較大的摩擦力，所產(chǎn)生的摩擦力直接影響切削過程中的切屑變形、切削力、切削溫度、刀具磨損等的大小［11-12］。因此對刀具材料與工件材料摩擦特性的研究，有助于進一步分析研究刀具切削工件的各種物理現(xiàn)象。

本研究的目的是，通過試驗測試Al2O3基陶瓷材料、添加ZrO2的Al2O3基陶瓷、Si3N4基陶瓷材料及硬質(zhì)合金材料與木質(zhì)復合材料之間的摩擦系數(shù)，分析研究不同陶瓷刀具材料與不同木質(zhì)復合材料之間的摩擦特性。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗刀具材料選用南京颶風公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金、Al2O3基陶瓷、添加ZrO2的Al2O3基陶瓷、Si3N4基陶瓷等4種刀具材料，其物理力學性能如表1所示。試驗用木質(zhì)復合材料為中密度纖維板(MDF)、刨花板(PB)、木粉/PE復合材料等3種材料。

1.2 方法

本實驗在合肥工業(yè)大學摩擦實驗室M-200型摩擦磨損試驗機上進行。刀具材料試樣(上試樣)尺寸為20 mm×5 mm×5 mm，木質(zhì)材料試樣(下試樣)尺寸是外徑為40 mm、厚度為10 mm、內(nèi)徑為20mm。實驗原理如圖1所示，上試樣為刀具材料，下試樣為工件材料，上試樣與下試樣在壓力FN的作用下產(chǎn)生摩擦力F。

表1 刀具材料參數(shù)

圖1 摩擦系數(shù)測試示意圖

根據(jù)庫侖摩擦定律：

式中：F為摩擦力;μ為摩擦系數(shù);FN為正壓力。

同時摩擦力F對下試樣產(chǎn)生一扭矩M。即：

式中：r為下試樣的半徑。所以有：

通過測試扭矩M計算摩擦系數(shù)μ。同樣試驗進行5組，取平均值。

2 結果與分析

2.1 不同陶瓷刀具材料與MDF材料的摩擦特性

將不同刀具材料與MDF材料進行摩擦試驗，其結果如表2所示。可以看出，4種刀具材料與MDF的摩擦系數(shù)大小順序為硬質(zhì)合金＞Al2O3基陶瓷＞添加ZrO2的Al2O3基陶瓷＞Si3N4基陶瓷，這是由于Si3N4基陶瓷的晶粒要比Al2O3基陶瓷的密實許多，其與MDF的摩擦系數(shù)也要明顯比Al2O3基陶瓷材料的小。因此可以認為，材料晶粒的大小對摩擦性能有一定的影響作用。在不同刀具材料與MDF的摩擦副中，隨著正壓力增大，摩擦系數(shù)并沒有明顯變化。這也說明，正壓力對刀具材料與MDF摩擦系數(shù)的影響并不十分明顯。添加ZrO2的Al2O3基陶瓷材料摩擦系數(shù)要低于未添加ZrO2的Al2O3陶瓷材料，說明Al2O3陶瓷材料添加ZrO2后有助于提高Al2O3陶瓷材料的耐磨性能。

表2 刀具材料與MDF材料的摩擦系數(shù)

2.2 不同刀具材料與PB材料的摩擦特性

采用不同刀具材料與刨花板(PB)進行摩擦試驗，其試驗結果如表3所示。與不同刀具材料與MDF摩擦試驗結果相似，隨著正壓力從25 N增大到100 N，在不同刀具材料與PB的摩擦副中，摩擦系數(shù)并沒有明顯變化。對比表2與表3可以發(fā)現(xiàn)，幾種刀具材料與PB材料的摩擦系數(shù)并沒有表現(xiàn)出明顯的不同，不像與MDF材料的摩擦特性。這可能是由于PB材料成分中刨花大小差異較大，形態(tài)不規(guī)整，且存在較多空隙，而纖維板中的成分纖維尺寸差異不大，基本一致，形狀也比較規(guī)整。

表3 刀具材料與PB材料的摩擦系數(shù)

2.3 不同刀具材料與木粉/PE復合材的摩擦特性

采用不同刀具材料與木粉/PE復合材料進行摩擦試驗，其結果如表4所示。可見，在正壓力為25～100 N的變化范圍里，不同刀具材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數(shù)的范圍區(qū)間在0.15～0.45，其摩擦系數(shù)范圍較大。與木粉/PE復合材料摩擦實驗中，4種刀具材料的摩擦系數(shù)曲線的區(qū)別比較明顯，這與木粉/PE復合材料本身材料比較均勻的特性有關系。

表4 刀具材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數(shù)

由表4的趨勢可以看出，在正壓力為50 N以下時，4種刀具材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數(shù)大小為硬質(zhì)合金＞Al2O3基陶瓷＞添加ZrO2的Al2O3基陶瓷＞Si3N4基陶瓷;這是由于Si3N4基陶瓷得的晶粒要比Al2O3基陶瓷的細密許多，所以其與木粉/PE復合材料的摩擦系數(shù)也要明顯比Al2O3基陶瓷材料的小，摩擦性能要好些。因此，材料晶粒的大小對摩擦性能有一定的影響作用。

隨著正壓力的增大，所有陶瓷刀具材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數(shù)會逐步增大，Si3N4基陶瓷材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數(shù)隨正壓力的增大而略微增大;而Al2O3基陶瓷材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數(shù)隨正壓力的增大而快速增大。這是由于本試驗所用木粉/PE復合材料中PE含量較高，造成木粉/PE復合性能比較接近于塑料(PE)。在摩擦實驗過程中，刀具材料與木粉/PE復合材料不停地摩擦，會產(chǎn)生摩擦熱;而Al2O3基陶瓷刀具材料的導熱系數(shù)約為硬質(zhì)合金材料的1/2，熱量并沒有很快地被刀具材料傳遞走，而使木粉/PE復合材料受熱發(fā)生軟化。隨著正壓力的增大，木粉/PE復合材料軟化加劇，并且會黏附在刀具材料表面，造成摩擦力明顯增大。

在正壓力小于70 N時，硬質(zhì)合金材料與木粉/PE復合材料摩擦系數(shù)最大，并且隨著正壓力的增大，摩擦系數(shù)并沒有明顯增大。這是由于硬質(zhì)合金刀具材料具有比陶瓷更高的導熱系數(shù)，在摩擦過程中，產(chǎn)生的熱量大部分被硬質(zhì)合金刀具材料帶走，并沒有充分軟化木粉/PE復合材料，因此并沒有造成黏結現(xiàn)象。因此，用于木粉/PE復合材料的切削刀具材料，必須具有較好的導熱系數(shù)及抗黏結性能。

2.4 磨損前、后粗糙度的變化率

刀具材料在與木質(zhì)復合材料摩擦實驗后，其接觸部分會受到一些磨損，其粗糙度會發(fā)生變化。為了判斷木工刀具在切削加工木材以后刀具材料的磨損的情況，本實驗通過測量摩擦實驗前后兩次刀具材料表面粗糙度的變化情況，來比較4種刀具材料的耐磨性能。以不同刀具材料與MDF材料摩擦實驗前后刀具材料表面粗糙度的變化率為例，通過測量其實驗前后表面粗糙度的值，可以得到刀具材料表面粗糙度變化率，如表5所示。其中Ra為在取樣長度內(nèi)，輪廓偏距絕對值的算術平均值;Ry為在取樣長度內(nèi)最大的輪廓峰高的平均值與5個最大的輪廓谷深的平均值之和;Rz為在取樣長度內(nèi)，輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離。

可知，硬質(zhì)合金表面粗糙度的各項粗糙度指標的變化情況最為嚴重，其次是Al2O3基陶瓷，再次是Si3N4基陶瓷，最后才是添加ZrO2的Al2O3基陶瓷。這個結論與觀察到的刀具材料表面的磨痕情況也是一致的。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于刀具材料與MDF材料摩擦試驗過程中，刀具材料的磨損不僅是磨料磨損，還同時存在著腐蝕磨損等，添加有ZrO2的Al2O3基陶瓷中，因ZrO2添加劑具有抑制腐蝕作用的效果，故而使得添加ZrO2的Al2O3基陶瓷。

表5 陶瓷刀具材料磨損表面粗糙度變化率

3 結論

對于MDF、PB材料而言，陶瓷刀具材料的摩擦特性都明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金，添加改性劑 ZrO2的Al2O3基陶瓷材料摩擦性能優(yōu)于未添加 ZrO2的Al2O3基陶瓷材料，而Si3N4基陶瓷的摩擦性能更是比Al2O3基陶瓷的好。

刀具材料與木質(zhì)復合材料摩擦過程中，正壓力對摩擦力的影響并不十分明顯。

刀具材料種類對MDF摩擦系數(shù)的影響顯著，而對PB摩擦系數(shù)的影響不顯著;硬質(zhì)合金材料與木粉/PE復合材料摩擦性能較陶瓷材料穩(wěn)定。

添加ZrO2的Al2O3基陶瓷材料摩擦試驗前后，磨損量最小，添加ZrO2有助于抑制腐蝕磨損。

隨著人們對陶瓷材料研究的深入，陶瓷材料的成本將大幅度降低，這意味著陶瓷刀具材料必將逐步應用于木工刀具的制造，為木材切削加工行業(yè)的發(fā)展起到推動作用。

［1］Li Xikun，Liu Jing，Qiu Like，et al.Composition，characteristics and development of advanced ceramic cutting tools［J］.Journal of Rare Earths，2007，25(2)：287-294.

［2］Yin Y S，Shi R X，Ma L P.Sintering and mechanical properties of Al2O3/TiC composites［J］.International Ceramic Review，2004，53(1)：24-27.

［3］Sato Kimitoshi，Kamiya Hidehiro.Erosion wear properties of TiCAl2O3composites［J］.Journal of the Ceramic Society of Japan，2003，111(6)：485-490.

［4］蘇利紅.Al2O3/Ti(C，N)基和 Si3N4基陶瓷刀具材料的制備［D］.沈陽：東北大學，2008.

［5］于金偉.氮化硅陶瓷刀具的應用研究［J］.機床與液壓，2008，36(6)：28-29.

［6］俞肇元，李曉東，修稚萌.氧化鋁陶瓷刀具材料的制備及力學性能［J］.材料與冶金學報，2008，7(3)：174-176，181.

［7］徐立強，黃傳真，唐志濤，等.微米/納米復合Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具切削鑄鐵的性能研究［J］.工具技術，2009，43(8)：24-27.

［8］鐘金豹，黃傳真.納米氧化鋯增韌氧化鋁基陶瓷刀具材料的研究［J］.工具技術，2008，42(10)：51-54.

［9］Poser K，Gahr K H，Schneider JZ.Development of Al2O3based ceramics for dry friction systems［J］.Wear，2005，259(6)：529-538.

［10］Eblagon F，Ehrle B，Graule T，et al.Development of silicon nitride/silicon carbide composites for wood-cutting tools［J］.Journal of the European Ceramic Society，2007，27(1)：419-428.

［11］金維洙.木材切削與木工刀具［M］.哈爾濱：東北林業(yè)大學出版社，2005.

［12］李黎.木材切削原理與刀具［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2005.