TiBCN陶瓷線切割加工表面質(zhì)量及蝕除機(jī)理

趙健闖，胡建東，孟繁有，王耀民

(1吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春130025；2長春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，長春130012；3長春東基材料科技有限公司，長春130103)

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TiBCN陶瓷線切割加工表面質(zhì)量及蝕除機(jī)理

趙健闖1,2，胡建東1，孟繁有3，王耀民3

(1吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春130025；2長春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，長春130012；3長春東基材料科技有限公司，長春130103)

采用硼化法制備的TiBCN導(dǎo)電陶瓷粉末成功熱壓燒結(jié)為塊體材料。設(shè)置不同電火花線切割加工工藝參數(shù)，切割TiBCN塊材。通過加工表面質(zhì)量分析及SEM微觀形貌觀察，研究了線切割加工表面質(zhì)量的影響因素及材料蝕除機(jī)制。研究結(jié)果表明：線切割加工TiBCN陶瓷材料，可以獲得質(zhì)量良好的加工表面, 最小表面粗糙度Ra為0.4μm；脈沖電流Ip和脈間ti是影響加工表面質(zhì)量的主要影響因素；雖然設(shè)置長脈寬te有利于提高蝕除效率，但脈間過小，易形成表面裂紋。TiBCN塊材線切割加工最佳參數(shù)設(shè)置范圍為：Ip=2～6，te=20～22μs，ti=65～75μs。線切割加工TiBCN陶瓷材料，有三種蝕除機(jī)理：剝離、熔融/再凝固、氣化蒸發(fā)。

TiBCN；電火花線切割；表面質(zhì)量；微觀形貌；蝕除機(jī)理

將TiBCN導(dǎo)電陶瓷粉末壓制為塊體材料，對其物理、力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測分析[1]。分析結(jié)果表明TiBCN具有硬度高、耐磨、耐蝕，密度低、熱傳導(dǎo)率低等特點(diǎn)，這些特性是任何合金材料所無法兼?zhèn)涞模绕涫瞧渚哂袃?yōu)良的導(dǎo)電性能[2,3]，電導(dǎo)率遠(yuǎn)超過100～300Ω·cm，使其非常適合于電火花線切割加工(Wire-cut Electrical Discharge Machining, Wire-cut EDM)[4-6]，同已商業(yè)應(yīng)用的其他陶瓷材料相比，在電切削加工性能上具有明顯優(yōu)勢。

導(dǎo)電陶瓷材料在化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)、物理性質(zhì)等多方面，與鋼鐵材料及非導(dǎo)電陶瓷材料存在差異，故其Wire-cut EDM加工工藝及蝕除機(jī)理也同鋼鐵材料有明顯的不同之處。目前，國內(nèi)外研究人員及機(jī)構(gòu)從三方面對陶瓷材料EDM加工進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[7-9]。其一，研究較多的是電加工工藝參數(shù)優(yōu)化[10-14]，如：加工工藝參數(shù)與加工速率、表面粗糙度等工藝指標(biāo)的關(guān)系；用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法分析工藝參數(shù)的作用，進(jìn)行變量分析以優(yōu)化工藝等研究。其二，摻入導(dǎo)電陶瓷顆粒，提高非導(dǎo)電陶瓷的導(dǎo)電性能，提高切削加工性能[15-17]。應(yīng)用較多的導(dǎo)電陶瓷顆粒主要有TiB2，TiN和TiC等，Matsuo等[18]為提高ZrO2和Al2O3陶瓷去除率并獲得滿意的表面粗糙度，提出了包括TiC，NbC和Cr3C2最佳的碳化物含量配比。其三，EDM加工蝕除機(jī)制研究，Clijsters等[19]研究了EDM加工SiC材料,認(rèn)為同加工鋼材是一樣的，材料去除機(jī)理主要是熔化和蒸發(fā)，沒有機(jī)械磨蝕；Lauwer等[20]認(rèn)為材料蝕除機(jī)制主要有三種類型：熔化/蒸發(fā)、剝離，氧化和分解。

本研究對TiBCN陶瓷進(jìn)行Wire-cut EDM加工，分析了EDM加工表面的顯微組織形貌、電加工工藝性能及EDM加工的蝕除機(jī)理。目的是掌握TiBCN陶瓷材料EDM加工工藝特性，為其作為一種新型材料的選用、加工提供理論依據(jù)，拓寬TiBCN陶瓷材料的應(yīng)用研究領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

TiBCN粉末由長春東基材料科技有限公司提供，其形貌如圖1所示，粒度分布如表1所示。將TiBCN粉末壓入石墨模具中，氬氣氣氛保護(hù)下，1900℃，30MPa壓力下燒結(jié)1h，加熱和冷卻速率均為20℃/min。燒結(jié)TiBCN塊材尺寸為：直徑90mm，厚度7.3mm，密度約為5.0g/cm3。

圖1 TiBCN粉末SEM圖像Fig.1 SEM image of TiBCN powder

Particlesize/μm>746143403825<25Massfraction/%20．67．39．36．312．318．126．2

線切割加工TiBCN塊體材料，測量加工表面粗糙度Ra，并進(jìn)行組織形貌觀察與分析。電火花線切割設(shè)備型號為ACTSPARK FW1，由于脈沖電源是Wire-cut EDM加工的主要影響因素，因此本研究采用單因素實(shí)驗(yàn)法，依次改變電源參數(shù)，即峰值電流Ip、脈沖寬度te、脈沖間隔ti，而保持其他工藝參數(shù)不變；其中峰值電流用加工時(shí)開通的功率管數(shù)量Ip表示，開通功率管數(shù)量越多，峰值電流越大。電極絲使用φ0.2mm鉬絲，冷卻液為水，EDM加工工藝參數(shù)均為設(shè)備出廠優(yōu)化設(shè)置參數(shù)。表面粗糙度儀型號為Links 2206B，試樣在掃描電鏡 (JSM-5310)觀察前均經(jīng)超聲清洗，并熱鼓風(fēng)干燥。

2 結(jié)果與分析

2.1 TiBCN線切割加工表面組織結(jié)構(gòu)

2.1.1 加工表面微觀形貌

圖2為Wire-cut EDM加工TiBCN塊材，典型的加工表面SEM圖像，采用不同工藝參數(shù)加工的其他試樣表面微觀形貌與圖2相似。由圖2可以看出加工表面存在一些溝槽，但數(shù)量不多，深度較淺，分布不集中。

圖2 TiBCN塊材EDM加工表面SEM圖像(Ip=5，ti=60μs，te=23μs)Fig.2 SEM image of machined surface of TiBCN bulk cut by EDM(Ip =5，ti=60μs，te=23μs)

圖3(a)，(b)，(c)分別顯示了加工表面粗糙度Ra與峰值電流Ip、脈寬te和脈間ti的關(guān)系。由圖3可以看出峰值電流保持在很寬的范圍內(nèi)(Ip=2～6)，脈寬te=20～22μs，或脈間ti=65～75μs時(shí)，表面粗糙度Ra可低于2μm，最小表面粗糙度為0.4μm。表明Wire-cut EDM加工TiBCN塊體材料，加工表面質(zhì)量的重要影響因素是峰值電流和脈間。脈寬取值不可過大，脈間要設(shè)置為上限。但窄脈寬長脈間勢必會影響加工效率，因此加工時(shí)在保證加工表面質(zhì)量的前提下，還要盡量采用較大的峰值電流和脈寬；同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制脈間的設(shè)置不可過小，在保證加工表面質(zhì)量的前提下取下限，以利于減少加工表面溝槽及微裂紋，降低表面粗糙度，提高加工表面質(zhì)量及加工效率。

圖3 TiBCN塊材EDM加工表面粗糙度Ra與峰值電流Ip(a)、脈寬te(b)和脈間ti(c)的關(guān)系Fig.3 Relationship between surface roughness Ra and discharge current Ip(a),duration te(b),interval ti(c)

2.1.2 微裂紋

TiBCN塊材EDM加工時(shí)，若設(shè)置脈沖電流高，加工表面會出現(xiàn)微裂紋，如圖4所示，相似情況也可在其他加工表面觀察到。對于陶瓷材料，微裂紋的存在是典型的無抗拉伸應(yīng)力的表現(xiàn)。這主要是由于TiBCN陶瓷材料導(dǎo)熱系數(shù)小，膨脹系數(shù)大，因此，在整個(gè)脈沖放電加工區(qū)的溫度梯度較大，熱應(yīng)力也較大，勢必形成熱應(yīng)力裂紋。由于晶界熔點(diǎn)低，缺陷多，為薄弱受力區(qū)，因此熱應(yīng)力隨同脈沖作用不斷重復(fù)疊加，促使裂紋擴(kuò)展。脈沖能量對微裂紋的影響是非常明顯的，能量越大，微裂紋越寬越深。因此，為避免在EDM加工過程中產(chǎn)生微裂紋，脈沖能量不可過大，即脈沖電流避免過大，脈沖寬度不可過長，還要有足夠長的脈沖間隙。

圖4 TiBCN塊材EDM加工表面微裂紋 (Ip=7，te=30μs，ti=110μs)Fig.4 SEM image of micro cracks on machined surface of TiBCN bulk cut by EDM(Ip=7，te=30μs，ti=110μs)

2.2 EDM加工蝕除機(jī)理研究

2.2.1 剝離蝕除機(jī)制

圖5為TiBCN塊材EDM加工表面SEM圖像,從圖5(a)中可以看到加工表面凹凸有致，顆粒邊緣棱角分明、不連續(xù)，表明EDM加工TiBCN塊體材料，當(dāng)脈沖能量輸入較低時(shí)，其材料的蝕除主要以完整顆粒，即體積材料去除的方式從基體中分離，剝離蝕除現(xiàn)象非常明顯。

有文獻(xiàn)研究認(rèn)為，因熱應(yīng)力產(chǎn)生的熱剝離蝕除機(jī)制為陶瓷材料EDM加工的一種主要蝕除機(jī)制[20]。熱應(yīng)力的產(chǎn)生主要應(yīng)歸因于工程陶瓷材料的熱導(dǎo)率低，材料表面和內(nèi)部，加工區(qū)域和非加工區(qū)域，都存在明顯的溫度梯度，進(jìn)而導(dǎo)致膨脹(或收縮)的不同步。由于陶瓷材料抗張極限強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓極限強(qiáng)度，因此，由熱應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)生大量微裂紋，裂紋集中(垂直或平行于上表面)， 使體積分離特別容易發(fā)生。熱應(yīng)力剝蝕作用有助于提高材料去除率，但大量裂紋的產(chǎn)生要求高的能量輸入，勢必影響加工表面質(zhì)量，因此，此種機(jī)制越多參與材料去除，工藝參數(shù)的設(shè)置要求越嚴(yán)格。熱剝離蝕除對加工表面質(zhì)量的影響，主要取決于合成陶瓷粉末粒度的大小，粉末粒度大，蝕除材料的顆粒大，顆粒就不容易及時(shí)地被流動液體帶走，降低加工效率和表面質(zhì)量。

2.2.2 熔融/再凝固蝕除機(jī)制

從圖5(b)可以觀察到加工表面黏附著球狀、棱狀、片狀顆粒，說明EDM加工過程中存在著熔融、再凝固現(xiàn)象，證明EDM加工時(shí)若脈沖能量輸入較高，材料的蝕除機(jī)制存在熔融/再凝固機(jī)制。

熔融/再凝固機(jī)制蝕除存在兩方面的原因：(1)EDM放電加工過程中，兩極間隙中可瞬間形成溫度高達(dá)40000K的瞬時(shí)高溫?zé)嵩矗瑢⒈患庸げ牧先廴冢^熱熔融液體顆粒以爆裂的形式被蝕除。但脈沖放電后期，被熔融蝕除的液體顆粒很快進(jìn)入脈間冷卻期，微小液體顆粒會再凝固，并隨冷卻液被排除。當(dāng)爆炸沖擊力較小時(shí)，就會有部分顆粒附著在基體上，重新與基體結(jié)合，SEM圖像顯示為球粒狀組織形態(tài)；(2)無論是晶界熔化導(dǎo)致的整體顆粒剝離蝕除，還是熱應(yīng)力導(dǎo)致的片狀顆粒剝離蝕除，當(dāng)爆炸沖擊力較小時(shí)，也會產(chǎn)生再凝固黏附現(xiàn)象。無論上述哪方面導(dǎo)致的熔融/再凝固，不但增加表面粗糙度，還需要電火花放電進(jìn)行二次分離，明顯降低加工效率。

圖5 TiBCN塊材EDM加工表面形貌 (a)Ip=2，te=30μs，ti=110μs；(b),(c)Ip=5，te=19μs，ti=30μsFig.5 Machined surface morphology of TiBCN sintered bulk cut by EDM (a)Ip=2，te=30μs，ti=110μs； (b),(c) Ip=5，te=19μs，ti=30μs

2.2.3 氣化蒸發(fā)蝕除機(jī)制

EDM加工時(shí)，單脈沖能量較高(峰值電流高或脈寬長)，導(dǎo)致EDM加工表面明顯出現(xiàn)多處蝕除坑，如圖5(c)所示。這是由于火花爆裂形成的高達(dá)40000K的瞬時(shí)熱源，溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陶瓷材料的熔點(diǎn)，足以使其被熔化并氣化蒸發(fā)。單脈沖能量越高，氣化蒸發(fā)蝕除效應(yīng)越強(qiáng)，爆炸現(xiàn)象劇烈而強(qiáng)大，凹坑深徑比增加，表明EDM加工過程中材料的蝕除機(jī)制存在氣化蒸發(fā)機(jī)制。若氣化蒸發(fā)蝕除機(jī)制為主導(dǎo)機(jī)制，則導(dǎo)致表面粗糙度增高，表面加工質(zhì)量降低，由于存在類似深孔的凹坑，同時(shí)嚴(yán)重降低加工件的力學(xué)性能及使用壽命。

3 結(jié)論

(1)TiBCN陶瓷材料適合Wire-cut EDM加工，使用普通電火花線切割機(jī)床，采用傳統(tǒng)加工工藝參數(shù)，就能獲得較好的加工表面質(zhì)量。加工表面質(zhì)量的重要影響因素是脈間。加工時(shí)可選用出廠設(shè)置的峰值電流和較長脈寬，需要嚴(yán)格控制脈間，以保證加工表面質(zhì)量。

(2)Wire-cut EDM加工TiBCN陶瓷，加工表面存在顯微裂紋。脈沖能量對顯微裂紋的影響非常明顯，能量越大，顯微裂紋越寬越深。

(3)Wire-cut EDM加工TiBCN陶瓷材料，存在三種蝕除機(jī)理：剝離蝕除機(jī)制、熔融/再凝固蝕除機(jī)制、氣化蒸發(fā)蝕除機(jī)制；脈沖能量輸入較低時(shí)，以剝離蝕除機(jī)制為主；脈沖能量輸入較高時(shí)，三種蝕除機(jī)制共同作用于整個(gè)EDM加工過程中，但在脈沖放電加工的不同階段，主導(dǎo)蝕除機(jī)制不同。

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Quality and Removal Mechanism of Machined Surface of TiBCN Ceramic Material on Wire-cut EDM

ZHAO Jian-chuang1,2，HU Jian-dong1，MENG Fan-you3，WANG Yao-min3

(1 College of Materials Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China；2 Engineering Training Center,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China；3 Changchun Dongji Materials Science and Technology Co.,Ltd.,Changchun 130103,China)

TiBCN powder synthesized by boronizing was successfully sintered into the bulk sample by hot pressing. Then the bulk sample was machined by wire-cut EDM with variable processing parameters. By analyzing machined surface quality and observing SEM micro-morphology, the main factors which influence on quality of machined surface cut by wire-cut EDM and material removal mechanism were studied. The results show that it is possible to obtain suitable quality of TiBCN machined surface through wire-cut EDM processing，the minimum roughnessRaof machined surface obtained is 0.4μm; Discharge CurrentIpand Pulse Intervaltiare the main factors; longer Discharge Durationteis more favorable to increase removal rate, but surface crack are more easily formed if Pulse Interval is too short. The best range of processing parameters of TiBCN bulk sample cut by EDM areIp=2-6,te=20-22μs andti=65-75μs. Three types of material removal mechanism are identified, spalling, melting/resolidification and evaporation.

TiBCN；wire-cut EDM；surface quality；micro-morphology；removal mechanism

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.07.004

TF123.3+2；

A

1001-4381(2015)07-0021-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51172088)

2014-05-04；

2015-04-03

趙健闖(1967-)，女，副教授，在讀博士，研究方向?yàn)椴牧铣尚图疤沾刹牧系龋?lián)系地址：吉林省長春市長春工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心(130012)，E-mail: zjianchuang@ccut.edu.cn