CO 冷卻對(duì)Ti（C，N）基金屬陶瓷切削性能的影響研究

楊文燕

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江 佳木斯 154000）

0 引言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，金屬陶瓷作為一種重要的工程材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天等領(lǐng)域，Ti（C，N）基金屬陶瓷是一種具有優(yōu)異性能的切削工具材料［1］。然而，其切削性能受到多種因素的影響，其中冷卻條件是重要因素之一。 在金屬切削加工過程中，切削、溫度升高，加速刀具磨損，降低切削速度和生產(chǎn)效率［2］。 同時(shí)，切削熱還會(huì)導(dǎo)致工件表面燒傷、熱變形等缺陷，影響工件質(zhì)量和精度［3］。 因此，如何有效地將切削熱從切削區(qū)帶走，降低切削溫度，提高切削速度和生產(chǎn)效率，是金屬切削加工中需要解決的重要問題。 CO 冷卻是一種有效的冷卻方法，在金屬切削加工中得到了廣泛應(yīng)用［4］。 CO 冷卻可以提高工件的表面質(zhì)量，減少工件粗糙度，有利于后續(xù)加工和裝配。 然而，關(guān)于該方面研究較少，對(duì)其作用機(jī)制和影響規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不夠深入，為此提出本次課題研究，為優(yōu)化金屬陶瓷切削加工工藝、提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

Ti（C，N）基金屬陶瓷原材料的C／N 原子比例主要為2 ∶5、3 ∶7、5 ∶5 以及7 ∶9 四種，由于C／N 原子比例會(huì)影響Ti（C，N）材料的性能，從而影響到Ti（C，N）基金屬陶瓷的性能，如果Ti（C，N）材料中碳的含量略高，則制備的Ti（C，N）基金屬陶瓷的韌度會(huì)高一些，如果Ti（C，N）材料中氮的含量略高一些，則制備的Ti（C，N）基金屬陶瓷硬度會(huì)高一些。 并且Ti（C，N）基金屬陶瓷在高速切削過程中，需要承受高溫、振動(dòng)、高壓以及高摩擦等因素影響，因此考慮到Ti（C，N）基金屬陶瓷需要具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及較高的斷裂韌度，從Ti（C，N）基金屬陶瓷的綜合性能出發(fā)，選擇Ti（C，N）原子比為5 ∶5，實(shí)驗(yàn)中Ti（C，N）基體粉末購于上海IYFA 科技有限公司，Ti（C，N）基體粉末平均粒度為1.25 μm，純度為99.99%［5］。 Ti（C，N）基體硬度為15.45 GPa，彈性模量為521 GPa，熱膨脹系數(shù)為8.61 K，泊松比為0.28［6］。 Ti（C，N）基金屬陶瓷原料粉末主要特性如表1 所示。

表1 原料粉末主要特性

如表1 所示，增強(qiáng)相TiB2采購自背景機(jī)械研究院，純度為99.99%，粉末平均粒度為1.45 μm；WC 粉末采購自天津化學(xué)材料科技有限公司，純度為99.99%，粉末平均粒度為1.25 μm；（W，Ti）C 粉末采購自南京水田材料科技有限公司，純度為99.99%，粉末平均粒度為1.05 μm；金屬相材料Ni 與Mo 分別采購自湖南金屬材料有限公司和山東金屬材料有限公司，微米Ni 和Mo 的純度均為99.99%，平均速度分別為0.15 μm、0.22 μm。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用IYFAUIFA 型號(hào)車床。 實(shí)驗(yàn)中材料與設(shè)備均可以正常使用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按照48%Ti（C，N）基體%、10%WC、10%增強(qiáng)相TiB2、20（W，Ti）C、6Ni、6%Mo 的比例制備Ti（C，N）基金屬陶瓷材料，通過對(duì)不同原料粉體進(jìn)行單獨(dú)球磨，以防止粉體顆粒團(tuán)聚、分布不均等問題，采用JAZ103 電子天平對(duì)粉體進(jìn)行組分分配，并將粉體按一定比例放置于無水乙醇聚氨酯桶中，再添加碳化鎢粉體，球與料的質(zhì)量比例為8 ∶1，在球磨機(jī)上進(jìn)行連續(xù)球磨48 h。 將復(fù)合粉末在100 ～110 ℃的真空干燥箱中進(jìn)行干燥。 將該復(fù)合粉末經(jīng)100 目篩網(wǎng)過濾后，加入石墨模進(jìn)行燒結(jié)。 目前，Ti（C，N）金屬陶瓷的燒結(jié)溫度通常不高于1 300 ℃，其原因是高溫下Ti（C，N）分解、晶粒異常長大，導(dǎo)致Ti（C，N）金屬陶瓷機(jī)械性能下降。 然而，由于Ti（C，N）基金屬陶瓷的自擴(kuò)散系數(shù)比較低，燒結(jié)性差，需要在1 400 ℃以上進(jìn)行燒結(jié)。 本文從Ti（C，N）與Ti（C，N）基金屬陶瓷的燒結(jié)溫度兩個(gè)方面出發(fā)，選擇1 350 ～1 455 ℃的燒結(jié)溫度作為實(shí)驗(yàn)條件。 本項(xiàng)目擬利用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，利用真空環(huán)境下的負(fù)壓作用，將殘余氣體從顆粒間隙中抽離出來，并通過加壓燒結(jié)，快速實(shí)現(xiàn)Ti（C，N）基金屬陶瓷材料的致密化。

在預(yù)壓壓力小于8 MPa 預(yù)壓縮條件下，選擇32 MPa燒結(jié)壓力。 保溫時(shí)間對(duì)燒結(jié)Ti（C，N）基金屬陶瓷的性能有很大的影響，如果保溫時(shí)間太短，燒結(jié)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的孔隙，從而導(dǎo)致Ti（C，N）基金屬陶瓷的致密性降低；而如果保溫時(shí)間太長，則會(huì)導(dǎo)致材料的異常生長，從而導(dǎo)致材料內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，因此將保溫時(shí)間控制在30 min左右，燒結(jié)保溫結(jié)束后停止加壓，Ti（C，N）基金屬陶瓷材料隨爐冷卻。

Ti（C，N）基金屬陶瓷材料冷卻過程中通入CO 氣體［7］。 為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的對(duì)比性，分別設(shè)計(jì)CO冷卻氣壓為0、1.5、2.5、3.5、4.5 kPa 五種工況，其中0 kPa CO 氣體為真空冷卻，其余為CO 冷卻。

利用以上五種工況下制備的Ti（C，N）基金屬陶瓷材料加工成規(guī)格為12.45 mm×12.45 mm×2.45 mm 刀片，Ti（C，N）基金屬陶瓷刀片的刀尖圓弧半徑為1.15 mm，刀片配合使用12.45 mm×12.45 mm×3.45 mm 墊片，以此組成標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)刀片［8］。 將制備的Ti（C，N）基金屬陶瓷刀片在IYFAUIFA數(shù)控車床上進(jìn)行車削試驗(yàn)，切削參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 Ti（C，N）基金屬陶瓷切削參數(shù)

每種Ti（C，N）基金屬陶瓷刀片車削60 min 后，采用IYFAHGAFJ 型號(hào)光學(xué)顯微鏡觀察并測(cè)量Ti（C，N）基金屬陶瓷刀面半切身位置的磨損量、粗糙度，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)算Ti（C，N）基金屬陶瓷刀片的軸向應(yīng)力，當(dāng)Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具達(dá)到磨損標(biāo)準(zhǔn)為0.33 時(shí)停止切削。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 CO 冷卻對(duì)軸向應(yīng)力的影響規(guī)律

根據(jù)Ti（C，N）基金屬陶瓷切削數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不同CO 冷卻氣壓下Ti（C，N）基金屬陶瓷軸向應(yīng)力如圖1 所示。

圖1 CO 冷卻對(duì)軸向應(yīng)力的影響

如圖1 所示，在CO 冷卻通入氣壓0～4.5 kPa 區(qū)間內(nèi)，隨著CO 氣壓的增加，Ti（C，N）基金屬陶瓷軸向應(yīng)力逐漸增大，CO 氣壓為0 時(shí)，Ti（C，N）基金屬陶瓷軸向應(yīng)力最小，說明相比于真空冷卻，CO 冷卻Ti（C，N）基金屬陶瓷軸向應(yīng)力更強(qiáng)，切削性能越好。 在氣壓3.5 kPa～4.55 kPa 區(qū)間，切削軸向應(yīng)力上升不明顯，說明CO 冷卻氣壓在3.5 kPa 左右時(shí)切削軸向應(yīng)力最高，Ti（C，N）基金屬陶瓷切削性能最好。

2.2 CO 冷卻對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

根據(jù)Ti（C，N）基金屬陶瓷切削數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不同CO 冷卻氣壓下Ti（C，N）基金屬陶瓷表面粗糙度如圖2 所示。

圖2 CO 冷卻對(duì)表面粗糙度的影響

從圖2 可以看出，CO 冷卻氣壓為0 時(shí)，即真空冷卻情況下Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具的表面粗糙度最大，隨著CO 冷卻氣壓的增加，Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具的表面粗糙度開始逐漸降低，當(dāng)CO 冷卻氣壓在2.5 kPa 時(shí)，Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具表面粗糙度達(dá)到最低，在CO 冷卻氣壓在2.5 kPa～3.5 kPa 區(qū)間，刀具表面粗糙度緩慢上升。 刀具表面粗糙度越低，則說明刀具表面質(zhì)量越好，金屬陶瓷切削性能越好。

2.3 CO 冷卻對(duì)磨損量的影響規(guī)律

統(tǒng)計(jì)Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具切削試驗(yàn)中刀具磨損量如表3 所示。

表3 CO 冷卻對(duì)磨損量的影響

從表3 中數(shù)據(jù)可以看出，在Ti（C，N）基金屬陶瓷切削測(cè)試中，CO 冷卻氣壓為0 時(shí)，即真空冷卻情況下Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具后刀面磨損量最大，隨著CO 冷卻氣壓的增加，Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具后刀面磨損量開始逐漸降低，當(dāng)CO 冷卻氣壓在2.5 kPa～3.5 kPa 時(shí)，Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具后刀面磨損量達(dá)到最低，在0.5 ～0.6 mm 區(qū)間，均為金屬陶瓷刀具后刀面正常磨損。 在CO 冷卻氣壓超過3.5 kPa 時(shí)，刀具后刀面磨損量緩慢上升。 刀具后刀面的磨損量越大，則表示刀具的使用壽命越短，刀具的切削性能越差。 刀具的磨損量直接關(guān)系到Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具的使用壽命，磨損量越大，說明Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具的使用壽命越短，刀具的切削性能也就越差，CO冷卻對(duì)刀具的切削性能的影響間接影響到了刀具的使用壽命，因此通過以上分析CO 冷卻對(duì)提高陶瓷刀具使用壽命和切削性能具有重要影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：CO 冷卻對(duì)Ti（C，N）基金屬陶瓷的切削性能具有重要影響，CO 冷卻與真空冷卻相比，Ti（C，N）基金屬陶瓷軸向應(yīng)力更強(qiáng)、表面粗糙度更小，刀具后刀面的磨損量更小，Ti（C，N）基金屬陶瓷的切削性能更強(qiáng)。 并且隨著CO 冷卻氣壓的增加，Ti（C，N）基金屬陶瓷切削性能逐漸增強(qiáng)，當(dāng)CO 冷卻氣壓在2.5 kPa～3.5 kPa 區(qū)間時(shí)，Ti（C，N）基金屬陶瓷的軸向應(yīng)力最強(qiáng)、表面粗糙度最小，刀具后刀面的磨損量最小，金屬陶瓷的切削性能最佳。 因此，在實(shí)際Ti（C，N）基金屬陶瓷CO 冷卻過程中將CO 氣壓控制在2.5 kPa ～3.5 kPa，以此保證Ti（C，N）基金屬陶瓷具有良好的切削性能。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著科技的不斷進(jìn)步，金屬陶瓷作為一種重要的工程材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天等領(lǐng)域。 Ti（C，N）基金屬陶瓷作為一種具有優(yōu)異性能的切削工具材料，因其具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注。 然而，其切削性能受到多種因素的影響，其中冷卻條件是重要因素之一。 因此，本文通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CO 冷卻可以顯著提高Ti（C，N）基金屬陶瓷的切削性能。 在切削過程中，CO 冷卻可以有效地將切削熱從切削區(qū)帶走，提高切削軸向應(yīng)力，降低金屬陶瓷表面粗糙度，提升刀具表面光滑度，以及降低金屬陶瓷磨損量，提高刀具壽命，有利于后續(xù)加工和裝配。 此外，還發(fā)現(xiàn)CO 冷卻對(duì)Ti（C，N）基金屬陶瓷的硬度、韌性等力學(xué)性能也有一定影響。在相同的熱處理?xiàng)l件下，采用CO 冷卻的Ti（C，N）基金屬陶瓷的硬度略有提高，韌性有所降低。 這表明CO 冷卻對(duì)Ti（C，N）基金屬陶瓷的力學(xué)性能也有一定影響，但相對(duì)于切削性能的影響較小。