相变增韧陶瓷刀具材料(二)
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航空航天业、核工业和其他一些行业的快速发展要求提高工程零部件的工作性能,这些需求促进了 各种难加工材料的大规模开发与应用,从而引起了许多加工难题。虽然现在已开发出很多新的非常规加工方法,但传统的加工方法仍被广泛采用。
接前篇:相变增韧陶瓷刀具材料(一)
图13 工程陶瓷可能的应用范围(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

Y-TZP陶瓷材料的应用

相变增韧陶瓷材料(如Y-TZP)的设计和应用是基于应力诱导Y-TZP或Ce-TZP的四方相(t)相变为单斜相(m)。图13为工程陶瓷可能的应用范围。由图可见,共价键的SiC和Si3N4系统可在较高温度下使用,而离子键的相变增韧系统(TZP、ZTA等)可在较高应力下使用,这要归功于ZrO2的应力诱导相变增韧,而认为ZrO2增韧陶瓷只适合低温应用是因为相对于SiC和Si3N4,部分稳定的ZrO2(PSZ)和TZP的蠕变速率很高。
图14是ZrO2增韧陶瓷的膨胀温度曲线。由图可知,加热时,m→t相变使基体体积减小;冷却时,t→m逆相变使基体膨胀,从而引起裂纹和裂纹分岔。当裂纹扩展时,约束放松,可促进增韧。在相变温度以下(室温),应力穿过裂纹尖端诱导t→m相变,造成体积增大和基体增韧。这种增韧机理与TZP内各相的动力学稳定性有关。
图14 ZrO2增韧陶瓷的膨胀温度曲线(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
表2 不同球磨时间的Y2O3-ZrO2粒度
球磨时间(h)612243648
粒度(μm)0.830.820.70.650.59
制备方法:在玛瑙行星式球磨机中,对ZrO2粉料和用化学共析法制备的Y2O3进行混磨。将Y2O3-ZrO2混合料与4wt%的聚醋酸乙烯脂/聚乙烯醇粘结剂混合,在空气中干燥。用激光颗粒分析仪测定Y2O3-ZrO2的粒度分布。例如,2mol%的Y2O3-ZrO2经过球磨不同时间后的平均粒度见表2。
图15 室温下保留的四方相与烧结密度的关系(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
对Y-TZP陶瓷刀具材料的试验研究包括烧结、磨削及加工应用。
  1. Y-TZP刀片的烧结:将含有不同Y2O3摩尔百分数(mol%)的Y-TZP细粉在玛瑙行星式球磨机中用丙酮作为分散剂进行混磨,得到平均粒度为0.83μm的粉末,加入4wt%的聚醋酸乙烯脂/聚乙烯醇粘结剂,在200MPa压力下干压成型。然后在SiC热处理炉空气中高温烧结为素坯,并进行抽样检测。
  2. ②Y-TZP的烧结观测:对烧结坯料的研究表明,室温下保留的四方相取决于烧结密度。图15表明,四方相含量随着烧结密度的增大而增加,这是因为密度增大使相邻颗粒施加的约束增大,从而能保留较多的四方相。临界粒度也会影响相变过程。图16显示了Y2O3含量对临界粒度的影响。由图可见,Y2O3含量约为2.5mol%时,其临界粒度急剧增大。烧结温度是影响粒度的另一个因素(见图17)。
    图16 Y2O3含量对临界粒度的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
    图17 烧结温度对平均粒度的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

    表3 粉末、烧结、急冷(Q)和退火(A)试样的体积百分数和强度比计算值
    热处理工艺XmVmXtVt
    粉末0.5760.6460.4240.354
    JQ(Q)0.0830.1080.9170.892
    J200℃/24小时(Q, A)0.8970.9210.1030.079
    J200℃/48小时0.9120.9330.0880.067
    J200℃/120小时0.9000.9240.10080.076
    J950℃/24小时0.0610.0800.9400.921
    因此,为了获得良好的相变增韧效果,必须在室温下尽可能多地保留四方相,而这又取决于Y2O3含量和烧结温度。
  3. 烧结时四方相的形成:如前所述,利用Y-TZP中t→m相变增韧是基于基体内四方相的保留和亚稳定性。对Y2O3含量为2mol%的TZP陶瓷的X射线研究表明,经压型烧结的试样其四方相含量比松散粉末更高。为了解从亚稳态四方相到单斜相的相变,采用时效硬化技术,对急冷试样进行了不同的低温退火处理。可以观察到,急冷增加了四方相的含量。表3为对Y2O3(2mol%)-ZrO2试样的X射线研究结果。
    表4 热处理对四方相形成、密度和弯曲强度的影响
    热处理工艺平均密度
    (kg/m3
    平均弯曲强度
    (MPa)
    四方相含量(%)
    760℃/2.5小时
    1350℃/4小时
    5970429.5161.9
    760℃/2.5小时
    1350℃/4小时
    5738(炉冷)374.1736.0
    5900(急冷)380.7971.8
    急冷和退火   
    130℃/24小时5970292.01752
    200℃/24小时5981445.0940.5
    352℃/24小时60193927948.8
    由表3可见,经200℃/24小时退火处理的试样有相当数量的四方相相变为单斜相,说明试样急冷后产生了大量可相变的四方相。各种不同的热处理方法对Y2O3(2mol%)-ZrO2试样四方相的形成、密度和弯曲强度的影响见表4。
    相变增韧ZrO2陶瓷(TTZ)的硬度会受到热处理工艺的影响。根据在不同热处理条件下压痕负荷与硬度的关系可知,当压痕负荷约为100-150磅时,硬度值下降,TTZ表现出压力诱导t→m相变。退火时间也会影响TTZ试样的硬度值,延长退火时间会导致硬度下降。在退火时间约4500分钟时出现硬度值上升和下降可能是应力诱导相变、微裂纹和试样内颗粒交互作用的复合影响所致。烧结时间也会影响硬度,当烧结时间约为150分钟时,硬度值最大。基于以上试验,用于切削加工的TTZ刀片需经过以下热处理:760℃/150分钟→1350℃/150分钟→退火200℃/24小时。
    表5 陶瓷材料性能
    陶瓷材料密度(g/cm3)硬度HV(GPa)杨氏模量(GPa)
    Al2O33.9818.5344
    ZrO2(2mol%Y2O3)5.9012.5206
  4. Y-TZP的磨削加工:为了获得所需刀片形状,需用CBN和金刚石砂轮对经过烧结和热处理的刀片毛坯进行磨削加工。磨削量的大小取决于陶瓷缺陷的尺寸和密度,以及施加应力场的大小。应力场大小对材料去除率有很大影响。当应力场小于缺陷尺寸时,材料通过塑性变形和剪切被去除;如果应力场大于缺陷尺寸,磨削机理则是局部脆性微破裂和瞬时断裂。陶瓷的磨削加工与金属材料不同。陶瓷是脆性材料,大多存在缺陷,具有较小的E/H(弹性模量/硬度)值,因此其塑性区较小,磨削时容易获得较好的表面质量。表5为陶瓷材料的部分物理性能。
    陶瓷刀片的表面磨削条件:金刚石磨轮:BZ 1A1-100-6-1-6;CBN磨轮:3K 12 V9-125-3-6;磨削速度:350,700,900,1500,1800m/min;工作台速度:21.5mm/sec;磨削深度:10μm。
    用金刚石磨轮在不同磨削速度下获得的磨削表面轮廓见图18。由图可见,大多数磨削速度获得的磨削表面结构相当一致,其Ra、Rt和Ra/Rt值几乎相等。
    图18 金刚石磨削的表面轮廓(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
    图19 Y-TZP陶瓷磨削速度与表面粗糙度的关系(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

    图19是用金刚石磨削Y-TZP和工业级Al2O3陶瓷时磨削速度与表面粗糙度的关系。由图可见,Y-TZP陶瓷的表面粗糙度随着磨削速度的增大而增大。而当磨削速度在700-900m/min之间时,表面质量有所改善。磨削Y-TZP陶瓷时会产生较高的温度和应力(磨削比压)。磨削应力会促进应力诱导t→m逆相变,而磨削温度有利于m→t相变,因此在磨削时,Y-TZP将会产生t→m→t循环相变,其中t→m相变可提高材料韧性,而t→m→t相变则会提高材料硬度。在700-900m/min磨削速度范围内表面粗糙度的改善可能是t→m→t循环相变所致,但这种趋势难以持续,因为当磨削速度继续增大时,磨削温度的升高会使金刚石磨轮的磨削性能下降。此外,用金刚石磨削冷压烧结的工业级白色Al2O3陶瓷时,随着磨削速度的提高,表面质量持续下降,这是因为金刚石不适合在较高温度下磨削陶瓷材料。
    图20是用CBN和金刚石磨轮磨削Y-TZP陶瓷时磨削速度与表面粗糙度的关系。由图可见,CBN磨轮可获得较好的表面质量,部分原因是其摩擦系数较小(约为0.3)所致。此外,CBN晶粒较金刚石颗粒更锋利也使其在较大磨削速度范围内可获得更佳表面质量。
    图20 CBN和金刚石磨轮磨削Y-TZP陶瓷的表面质量(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
    图21 CBN和金刚石磨轮的磨削速度对磨削比压的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

  5. 磨削速度和磨削比压:为了评定TTZ陶瓷的磨削加工性,用测力仪测量法向磨削力Fn和切向磨削力Ft,并计算磨削比压。图21是用金刚石和CBN磨轮磨削TTZ陶瓷时磨削速度与磨削比压的关系。由图可见,CBN的磨削比压高于金刚石,这是因为CBN的抗氧化温度可到1300℃,而金刚石只有在800℃以下才能保持稳定。此外,CBN磨轮比金刚石磨轮软,更容易被磨平,其自砺作用不如金刚石好,故CBN具有更高的磨削比压。也可能是由于应力诱导t→m相变使表面材料增韧,而增韧材料的磨削加工往往与变形和剪切相关,从而具有较高的磨削比压。从图21还可发现,当磨削速度达到大约1000m/min以后,磨削比压快速增大,这可能是由于金刚石的热分解所致。为了进行对比,还对冷压烧结的工业级白色Al2O3陶瓷刀片进行了磨削试验,结果表明,磨削速度的变化对磨削比压影响很小,说明Al2O3陶瓷对热影响不敏感。ZrO2陶瓷在CBN磨削时则经历了应力诱导t→m相变增韧,导致试件表面的凹凸不平合拢,从而改进了磨削表面质量。上述磨削研究表明,总的来说,用CBN磨削Y-TZP陶瓷能改进磨削性能。
  6. Y-TZP陶瓷的性能:使用较广泛的冷压烧结白色Al2O3陶瓷刀片的主要缺点之一是可靠性差,在使用时其刀尖可能会突然破碎,这种倾向是其断裂韧性较小所致。通过相变增韧,可以控制或避免Y-TTZ陶瓷刀片的这一缺点。图22为不同刀具材料的应用范围(切削速度和进给量)。由图可见,复合陶瓷(Al2O3+TiC)和TTZ、ZTA陶瓷位于Si3N4陶瓷与纯陶瓷(白色陶瓷)之间。
    图22 不同刀具材料的应用范围(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
    图23 加工条件对表面粗糙度的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

  7. 表面粗糙度的控制:在VDF高速精密车床上进行钢件切削试验。加工条件为:机床:VDF车床(主轴功率18kW);切削速度:50、100、200、320m/min;进给量:0.1mm/r;切深:0.25、0.5、0.75、1.00mm;刀具几何参数:ν=-6°,α=5°,λ=-5°,β=75°,θ=90°,r=1.8mm。
    用切削力、切削比压、切削温度和表面粗糙度来评估刀具切削性能。图23是加工条件对表面粗糙度的影响。由图可见,TTZ陶瓷刀具在切削速度为200-300m/min、进给量为0.1mm/r、切深约为0.5mm的条件下有可能获得良好的表面粗糙度。当切深大于0.7mm,切削速度为204-328 m/min时,表面粗糙度有所改善,而当切深为0.5mm,切削速度为328 m/min时,获得了最佳表面粗糙度,可以认为,这是刀尖变形挤光工件表面的结果,而刀尖变形可能是刀尖受热软化所致,也可能是Y-TZP刀具材料与切屑界面的切削压力和温度导致Y-TZP相变增韧所致。
  8. 切削力:图24是Y-TZP(TTZ)刀片加工钢件时,用Kistler压电测力仪测得的切削力。可见,当切削速度较低时(<100m/min),由于刀尖在工件表面挤出沟槽,故切削力增大;当切削速度提高到100m/min以上,切削稳定,切削力减小;当切削速度达到7,200m/min时,可能由于相变增韧使刀尖变形,导致切削力有升高趋势。加工中未观察到刀尖破损。应当指出,试验所用Y-TZP刀片是用冷压烧结工艺制造的,如使用工业标准的热等静压烧结工艺,并完善切削刃制备,则切削性能应该会更好。
    图24 加工钢件时的切削力(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
  9. 刀具磨损:加工中,Y-TZP刀片的磨损形态为月牙洼磨损和后刀面磨损。月牙洼周边形态规则,表明刀刃未发生破碎,月牙洼表面的条纹为切屑滑痕。后刀面磨损相当平滑,只有很小的磨粒磨损标志,磨损面的边界也很均匀,表明后刀面磨损与小的不连续塑变有关,造成了光滑的磨损面。
(未完待续)

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本文作者:李义庭(编译)
原载:《工具展望》2012年第3期
上载于:2016-2-22 18:18:06

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