金屬陶瓷刀具切削淬火鋼的磨損機理探討

摘要：使用納米陶瓷基復合材料制成的刀片來進行淬火鋼單因素的試驗，并且在試驗過后使用SEM、EPMA來對刀片進行探究。經過試驗表面，納米復合基金屬鋼刀片具有較高的耐磨性與切削能力，其主要的切削模式是在壓力下形成的擠壓變形與粘附磨損，同時具有一定的氧化磨損與質變磨損。

關鍵詞：金屬陶瓷刀具；切削淬火鋼；磨損機理；單元素；切削實驗 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG714 文章編號：1009-2374（2015）05-0083-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0373

金屬陶瓷作為一種在刀具生產當中廣泛運用的材料，經常用于鑄鐵與鋼材的加工。不僅如此，金屬陶瓷還經常用于干切削，刀削面的溫度通常較高，當中的強度與硬度必須有相應的平衡。目前陶瓷金屬摩擦損傷的研究在摩擦領域當中是重點研究的課題之一。淬火鋼在金屬切削的實驗當中，硬度與強度均是9A級，屬于比較難切削的材料之一，對陶瓷金屬進行切削實驗的研究，可以讓陶瓷金屬的實用價值提高。本文當中使用的真空加工形成的陶瓷金屬刀片，對其進行了單元素的切削實驗，并對其中的問題作出闡述，從而找出解決的辦法。

1 實驗

實驗當中所使用刀具的材料為Tinc-Tin-MO2系金屬陶瓷，主要的成分為Tic粉與Tnc納米結合物，使用常見的真空燒制工藝，然后再將刀片放入到打磨機床當中進行加工，最終形成刀片。

切削實驗是在C012sxs號機床上進行的。實驗刀片的型號為SUNM5122，刀片的安裝角度為d=45°，y=0°，a=6°，r=-6°。采用多重切削的方式。檢測實驗過后刀片的磨損值。被切削材料的淬火鋼硬度為56與66HRC之間。

使用Jda-5700lc觀察鏡觀察刀片磨損后的表面形態，同時使用Naosh-694A能譜儀對刀片表面進行全方面的分析，最后將刀具放入到Ksoini648電子定點儀當中，對刀具面與點進行統計分析，工作的電壓不能超過16kV。

2 實驗結果與分析

2.1 切削實驗

通過實驗結果得到的數據來看，具有納米復合金屬的刀具在初期階段的磨損規律是相同的，隨著時間的延長，刀具的磨損率會漸漸加大，從正常磨損階段轉換為疲勞磨損。另外，當磨損速度加快的時候，刀具的耐磨度會大打折扣，最后總讓刀具的表面失效。隨著進量的加大，刀具的耐磨度比實驗初期的耐磨度有所降低，當S=0.26mm/r情況下，刀具磨損表面會產生明顯的初期磨損現象，當S=0.53mm/r時，刀具表面的曲線會呈現一線型曲線，這個時候刀具表面就開始進入了疲勞磨損期。當刀具切削度增加時，刀具表面不會出現明顯的初期磨損現象，但是刀具的耐久度會快速下降。

圖1

圖1是通用合金刀片YT15與TN20的切削性能的對比圖。從對比圖當中我們可以很清楚地看到，切削實驗當中的淬火鋼金屬陶瓷刀片NM在切削性與耐磨性方面有很好的效果。當切削時間到達122min時，金屬陶瓷刀片最佳的磨損值為0.2，可以明確看出對比刀片的磨損值較低。YT15的耐久度為17min，TN20的耐久度為9min，當YT的磨損值達到臨界點過后，最終成為崩刃，因此這就說明了納米復合金屬陶瓷刀片在淬火鋼方面有良好的表現。

2.2 SEM技術與EPMA技術的分析

為了對納米金屬陶瓷刀具的切削性能進行探究，使用SEM與EPMA技術對刀具材質的本身進行了詳細的分析。當實驗切削用量為V=32m/min，f=0.22mm/r，a=1mm的時候，實驗刀具的前面與后面均會出現SEM磨損類型，刀尖處處于高度SEM形貌。作者從實驗得知，納米復合金屬陶瓷刀片淬火實驗蛀牙的磨損部位是刀尖處，在刀面向的磨損會過渡失效，并且受到磨損的刀面會呈現凹凸狀，刀尖處受到擠壓變形的痕跡很明顯，距離刀口189pm的地方出現了一到裂紋。從這里我們可以知道，納米復合金屬陶瓷刀具在受到擠壓變形后會嚴重

失效。

Ti、Mo、W、Ni這四種元素是刀具表面磨損過大時才會生產的元素，裂痕與刀面的受損面積保持一致，為刀具的碳合金元素。在裂紋集聚區當中仍然可以檢測到Fe、Mn金屬元素的分布，那么就可以斷定Fn、Mn金屬元素在接受淬火實驗時發生了裂變，一個整體的元素模塊向刀具周圍散開，在實驗當中發生了粘附磨損。為了進一步確定實驗數據的正確性，對上圖當中的各項磨損現象進行了線形分析，通過實驗看到各項數據都與實驗預期效果相同，各項數據都相對的溫和。

2.3 磨損機理分析

2.3.1 強壓下的壓力變形。刀具在進行切削作業的時候，刀前面與刀背面的最高壓力點都不在刀尖上，而是在離刀尖有一段的地方，這種情況是由于切削熱量沿著刀面不斷延伸，再加上切削滯留層的影響。淬火鋼由于硬度比一般的鋼材都高，當中會產生多次阻礙摩擦，阻礙摩擦的熱量相當的高，通過刀具的切削層傳入刀面，最終讓刀具產生巨大的熱量。

淬火鋼的硬度為52～55HRC，遠遠高于正火鋼的硬度，不僅如此，淬火鋼的馬氏金組織，抗變形能力較好，當切削形成的時候使用自身的抗變形能力來發出大量的能量，切削的力度比正火鋼的切削力度多了37%，再加上馬氏金材料的特性，整體鋼材硬度約為正火鋼

的55%。

2.3.2 粘附磨損機制。當納米復合刀具在切削淬火鋼的時候，刀具表面的溫度會高達1000℃，在這樣高的溫度下，Ni元素的擴散面更廣，速度也相對較快，使得刀具表面的硬度相當于刀具表面粘附度，從而形成了有力的磨損環境。在高溫的環境下，淬火鋼的導熱系數較低，刀具當中的摩擦熱量主要發生在刀具的中下層，使得刀具中下層發生較大塑性現象，由于對刀具上層的影響效果不大，因此在刀具的上層發生了較大的溫度值與硬度值。而刀具當中產生的切削運動和摩擦運動當中產生的硬度與溫度的變化，是刀具粘附磨損的基本條件。由于刀具底層溫度的特性，使得當中的Fe奧式形體晶塊的力方面與fcc晶塊的y-ce相同，讓兩者之間的尺寸差異較小，電子模塊的整體結構相當，從而使刀具的親和力加大。

3 結語

總結全文給出的信息來看，真空工藝燒紙的納米復合陶瓷金屬刀具在切削淬火鋼方面有很好的效果，刀具的使用耐磨度與切削效果都比較高，遠遠優于YT15與TN20鋼材的刀具。

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作者簡介：劉宏（1967-），男，江蘇人，貴陽博亞機械制造有限公司工程師，研究方向：金屬材料切削性能、機電自動化控制項目。

（責任編輯：黃銀芳）