立方氮化硼復合Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具切削性能

摘 要：采用熱等靜壓燒結(jié)工藝制備兩組含有不同立方氮化硼（CBN）成分的Ti（C，N）基金屬陶瓷刀片，在不同的切削速度和進給量的條件下進行45剛切削測試，分析了刀具的耐用度和失效方式，探討了立方氮化硼復合Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具磨損機理。結(jié)果表明，在Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具中添加立方氮化硼（CBN）能顯著提高切削性能，在高速切削情況下，方氮化硼（CBN）對擴散磨損、氧化磨損以及粘結(jié)磨損有較好的緩解作用。

關(guān)鍵詞：方氮化硼（CBN）；Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具；切削性能；磨損

1 前言

金屬陶瓷作為一種復合材料，由陶瓷和金屬按照一定方法制備而成，因此同時具備兩種材料在硬度、韌性、導熱性等方面的優(yōu)勢，得到了大量研究。其中，Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具因為硬度、耐磨性、化學穩(wěn)定性、摩擦系數(shù)等方面具有更強的優(yōu)勢被廣泛應用，在此方面的研究和應用也日益增多，方氮化硼（CBN）具有超高的硬度，原子間的結(jié)合鍵和晶格常數(shù)與金剛石相似，作為刀具切削材料，與鐵族元素及其合金材料不易發(fā)生化學反應，具有較高的抗氧化能力，同時當溫度增加時，熱導系數(shù)也會呈現(xiàn)正比例提高，這樣在切削加工中就能夠迅速完成熱量的擴散，確保切削加工的質(zhì)量[1]。本文采用熱等靜壓燒結(jié)工藝制備兩組含有不同立方氮化硼（CBN）成分的Ti（C，N）基金屬陶瓷刀片，以切削速度和進劑量為指標展開了多組切削試驗，深入分析了不同材質(zhì)刀具的性能相和相關(guān)機理。

2實驗材料和方法

采用微米級立方氮化硼和微米級Ti（C，N）粉末作為原料，制作方法為粉末冶金，刀具的相關(guān)成分和性能如表1表2所示。

將表1中的原材料粉末倒入行星式高能球磨機，按照6：1的球/料質(zhì)量比放入直徑Ф8硬質(zhì)合金球，再加入無水乙醇，濕磨30小時，漿料同時還需要經(jīng)真空干燥至少10小時，之后與濃度為6wt%汽油橡膠溶液配合展開造粒，200目過篩，壓制成型，放入熱等靜壓燒結(jié)爐燒結(jié)，在1430℃環(huán)境下進行燒結(jié)，維持一小時。

切削實驗條件：機床：CA6140；切削條件：干切削；工件材料：45鋼，硬度HB190；刀具安裝角度：a=11°～15°，Y = -6°，K=45°；切削用量：VC = 210～380m／min，f= 0.2～O.5mm／r，ap=0.2 mm～0.6mm。

3實驗結(jié)果分析

經(jīng)過實驗測試，兩種實驗刀具磨損過程如下：第一階段為初期磨損，磨損較快，主要是由于刀具表層結(jié)構(gòu)不耐磨或者刀具表面比較粗糙；第二階段為穩(wěn)態(tài)磨損階段，不耐磨的表層結(jié)構(gòu)已經(jīng)磨掉，刀面受到的壓強減小并且平均分布，所以磨損比較緩慢，呈現(xiàn)為傾斜的直線，由于該階段刀具屬于有效工作時間，切削時間越長，刀具也會出現(xiàn)更嚴重的磨損；第三階段刀具溫度上升速度極快，摩擦力增大，產(chǎn)生劇烈磨損，刀具切削性能急劇下降，最終導致刀具失效。

3.1切削速度對刀具壽命的影響

切削速度每分鐘不超過200m，兩種刀具切削性能表現(xiàn)較好，但是，當切削速度提高以后，兩種刀具的使用性能顯著降低。進一步研究發(fā)現(xiàn)，較低的切削速度，其中使用壽命較長的為刀具A，而較高的切削速度，刀具B使用壽命要比刀具A的長，原因可能是低速時，刀具氧化磨損及擴散情況相對較輕，所以刀具A能保持較長的使用壽命。當切削速度不斷提高，磨損和擴散也會不斷加劇，刀具B中立方氮化硼含量比刀具A高，而立方氮化硼有較高的耐氧化和耐磨損性能，所以，大大地增加了刀具B的使用壽命。

從圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，在低速切削下，刀具A和刀具B失效方式都是正常磨損，刀尖、刀面和邊界都出現(xiàn)磨損，其中刀尖和邊界的磨損情況更嚴重，邊界磨損量最大，在部分情況下可以達到刀面磨損的2～3倍。當切削速度進一步增加，刀具A的失效方式變化為邊界磨損，而刀具B會由于磨損到一定程度而崩壞。

3.2進給量對刀具壽命的影響

實驗表明，隨著進給量的增大，總體上，刀具B比刀具A使用壽命更長，當進給量f=0.1mm／r時，刀具耐磨性均相對較強，當進給量f=0.2mm／r時，兩種刀具劇烈磨損，當進給量f=0.3mm／r時，刀具A的使用壽命為2.6min，刀具B的使用壽命為3.7min。進一步的研究顯示，進給量直接關(guān)系著刀具的壽命。進給量越大說明刀具所運動的時間和工作量越大，在這個過程中產(chǎn)生的熱量也隨之增多，升高了切削溫度。同時，進給量增加，切削力大幅度增加，刀具與工件之間的摩擦力加大，產(chǎn)生粘結(jié)磨損，刀刃微崩以及硬質(zhì)相的剝落等情況，導致刀具最終失效。兩種刀具在進給量f=0.2mm／r時磨損區(qū)域的形貌如圖3和圖4所示。

4立方氮化硼復合Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具切削性能的磨損機理

金屬陶瓷刀具擁有特殊的物理、化學和機械性能，其磨損特性與普通硬質(zhì)合金不同，在干切削的條件下，具有以下特性。

（1）機械磨損

被切削的工件材料基體組織含有雜質(zhì)、碳化物、氧化鎢和氮化物等硬質(zhì)點，與刀具接觸，在刀具表面產(chǎn)生機械磨損，劃出深淺不一的溝紋，這種機械磨損存在各種切削速度之中，尤其切削速度較低時，該因素是引起刀具磨損的關(guān)鍵因素。研究分析認為，切削路程和磨削料會成正比例關(guān)系，因為金屬陶瓷刀具能夠保持非常高的切削速度，所以機械磨損并不是主要的磨損形式，但是由于切削的速度較高，導致切削溫度也較高，影響刀具性能[2]。高溫狀態(tài)下，刀具自身的材質(zhì)會由于磨損出現(xiàn)成分變化，對應刀具的性能也會出現(xiàn)改變，所以在高速切削中機械磨損所產(chǎn)生的磨損量影響也非常大。

（2）粘結(jié)磨損與摩擦焊

當溫度和壓力達到一定條件下，刀具在切削加工工件時，接觸面達到原子間距離時會產(chǎn)生結(jié)合現(xiàn)象，刀具和工件材料因為塑料變形而發(fā)生摩擦焊現(xiàn)象，接觸表面的粘結(jié)點作相對運動，晶粒或晶粒群受到剪應力或拉應力被對方帶走，從而造成粘結(jié)磨損[3]。

粘接一般出現(xiàn)在接觸面上，軟硬材料都存在一定發(fā)生率。并且在具體加工過程中，低硬度材料工件粘結(jié)點破裂的風險相對較高，但是經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)刀具表面粘結(jié)破裂也時有出現(xiàn)，這是因為刀具材料內(nèi)部組織不均勻、存在內(nèi)應力、局部軟點、空隙以及微裂紋。

（3）擴散磨損和氧化磨損

車速度每分鐘在200m到500m之間，由于處于高速切削狀態(tài)，所以產(chǎn)熱量非常大，刀具和加工工件間的溫度會迅速升高，達到1000℃左右，雖然金屬陶瓷化學穩(wěn)定性、耐熱性、抗氧化性均相對較強，但在1000℃高溫下，氧化磨損和擴散磨損等直接影響著刀具的磨損狀況[4]。一方面，刀具中的粘結(jié)相Co、Ni向工件的擴散加劇，刀具由于粘結(jié)相減少，脆性變大；另一方面，受高溫和磨損差影響，加工件中的Fe會加劇擴散到刀具之中，并在刀具中形成低硬度脆性相。以上的兩個過程都將導致刀具切削性能下降，刀具磨損加劇。

在切削的高溫環(huán)境下，陶瓷刀具中的粘結(jié)點和環(huán)境中的氧氣出現(xiàn)反應，產(chǎn)生氧化物，氧化物的硬度相對較低，在切削加工過程中會隨著切削動作而帶走，產(chǎn)生氧化磨損，這是導致溝槽磨損的主要原因。切削時間越長，溝槽磨損越嚴重，有時導致刀具直接失效。通過對陶瓷刀具后刀面磨損帶研究發(fā)現(xiàn)：刀具原始成分立方氮化硼（CBN）含量正常，Mo、Co、Ni含量極低，同時Fe和0的含量大幅度升高，受高溫高壓的影響，刀具以及加工工件間的擴散反應會不斷增加，刀具表層中的部分成分也會隨著切削加工的進行擴散到工件之中，一部分元素因為高溫氧化形成揮發(fā)性物質(zhì)而流失，一部分元素因為向工件材料中擴散而分解，立方氮化硼（CBN）因為優(yōu)異的耐熱性和高硬度依然保留在刀具材料中，成為切削的穩(wěn)定因素。

刀具B的立方氮化硼（CBN）含量大于刀具A，一般情況下，刀具B的切削性能要高于刀具A，但是通過切削實驗發(fā)現(xiàn)，低速切削，刀具A的切削性能優(yōu)于刀具B，高速切削，刀具B的切削性能優(yōu)于刀具A。分析原因在低速切削狀態(tài)下，由于運動不夠劇烈，所以擴散和氧化磨損情況相對較輕，與高速切削相比，存在明顯差別，刀具A中WC和Co含量較高，具有較好的韌性和抗彎強度，表現(xiàn)出的整體性能要高于刀具B[5]。但是，隨著切削速度的提高，切削溫度和熱量大幅提高，磨損劇烈程度增加，刀具中的元素大量擴散到工件或切屑中，在刀具中形成大量細微的空洞，這些細微的空洞成為空氣中的氧進入刀具內(nèi)部的顯微通道，與刀具內(nèi)部材料結(jié)合，發(fā)生氧化反應產(chǎn)生氣態(tài)物質(zhì)，進一步加劇刀具原始成分的流失，同時，工件中的Fe大量擴散到刀具之中，形成新的脆性物質(zhì)。刀具B由于立方氮化硼（CBN）含量較高，不會輕易地擴散和流失，在高溫高壓下，依然表現(xiàn)優(yōu)異的穩(wěn)定性和切削性能，比刀具A整體性能要好。

由于測試的刀具沒有設(shè)置斷屑槽，也沒有優(yōu)化幾何外形，所以在實驗過程中，切屑對前刀面的磨損比較嚴重。同時刀具表面粗糙度較大，沒有經(jīng)過仔細研磨，存在一些組織缺陷限制了刀具發(fā)揮最佳性能。如果排除這些不利因素，結(jié)合實驗結(jié)果，金屬陶瓷刀具的切削性能是非常優(yōu)異的。

5結(jié)論

（1）添加立方氮化硼（CBN）能顯著提高Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具的切削性能，在較高切削速度下，整體性能良好。

（2）切削速度與進刀量對刀具的磨損影響較大，低速切削，立方氮化硼（CBN）含量低的刀具磨損較小，高速切削時相反；相同的進刀量，刀具磨損與立方氮化硼（CBN）含量成反比關(guān)系。

（3）Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具在高速切削時，磨損的主要形式是擴散磨損和氧化磨損，但是，機械磨損和粘結(jié)磨損也有重要的影響。

參考文獻

[1]方一航，夏伶勤，陳光，等. 成型壓力對Ti（C，N）基金屬陶瓷微觀組織結(jié)構(gòu)和力學性能的影響[J].材料與冶金學報，2023，22（3）：249-255.

[2]周后明，劉剛，周金虎，等.石墨烯／納米Al2O3增韌Ti（C，N）基金屬陶瓷的力學及摩擦磨損性能[J].材料科學與工藝，2023，31（3）：31-40.

[3]李吉遵，高洪玉，劉含蓮，等. 保溫時間對微波燒結(jié)Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具材料力學性能的影響[J].工具技術(shù)，2022，56（4）：23-27.

[4]周仕歡，陳信鍺，劉鋼，等.燒結(jié)氮分壓及原料粒度對Ti（C，N）基金屬陶瓷表面組織結(jié)構(gòu)和性能的影響[J].湖南工業(yè)大學學報，2023，37（5）：52-59.

[5]姜波，趙玉玲，湯愛民，等.CO冷卻對Ti（C，N）基金屬陶瓷表層結(jié)構(gòu)和切削性能的影響[J].硬質(zhì)合金，2021，38（1）：36-41.