新型金属陶瓷刀具在干切削中的应用
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摘要:以纳米TiN改性的金属陶瓷刀具为研究对象,用粉末冶金冷压成型工艺制成标准刀片,经过单因素切削45号钢实验发现该刀片与普通硬质合金相比具有更高的硬度、高温稳定性和抗磨损能力。是一种可用于干切削生产实践的理想刀具。
传统切削加工中使用切削液的费用约占整个制造成本的16%,不仅如此,切削液的使用对环境的污染、对操作者身体健康的威胁已不容忽视,因此随着环境保护法规的日臻完善,绿色制造这一清洁生产方式将成为制造企业必须的选择。干切削是在机械加工中不使用任何切削液的加工方式,在加工中不使用切削液在带来有利之处的同时也恶化了加工条件,对刀具与机床系统的热稳定性、刀具的抗磨损能力提出了更高要求。现将纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具(以下简称纳米金属陶瓷刀具)应用于干切削中,研究其在无切削液条件下的切削性能。

1 纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具制造

TiC基金属陶瓷是上世纪70年代在WC-Co基硬质合金基础上发展起来的新型硬质合金,通常把Ni粘结的TiC基硬质合金称为金属陶瓷。细晶粒结构是保证金属陶瓷材料高强度与优良力学性能的基础,所以在纳米材料制造技术有了一定发展的前提下,采用纳米级细粉制造高性能材料成为材料研究的方向之一。
  1. 纳米金属陶瓷刀具成分 纳米金属陶瓷刀具成分为:53TiC-10TiN(nm)-18Mo-18Ni-1C,TiN纳米粉粒度为30~50nm。实验研究表明,各力学性能的峰值分别对应一定的纳米TiN的添加量。当添加量达到10%左右时,可获得较优的综合物理力学性能。
  2. 纳米陶瓷刀片制造 纳米陶瓷刀片的制作工艺可分为8道工序:分散→混合→球磨→干燥→造粒→冷压→烧结→磨制。
    1. 使用超声波仪分散TiN纳米粉。纳米粉具有极微小粒度和高表面活性,由于颗粒间存在范德瓦斯力和库仑力,极易凝聚成二次颗粒,使颗粒增大形成软团聚和硬团聚而失去超细颗粒所具备的功能。因此必须通过物理与化学工艺对纳米粉进行表面处理,使其在液体介质中充分发散。
    2. 在混合粉末中加入湿润介质后进行均匀混合。
    3. 在球磨机上对混合粉末进行研磨。可使粉末粒度进一步细化,也使混合粉末达到均匀混合。这是关键工序,粉末混合是否均匀将决定烧结成的刀片质量,影响刀具的抗弯强度。
    4. 对混合粉末进行干燥处理,使粉末充分干燥。
    5. 在混合粉末中加入粉末成型剂进行造粒。通过造粒以提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的粘结摩擦。
    6. 采用冷压成型方法在专用模具中加压成型。可根据刀具类型选用不同的模具,冷压时压力要均匀,以保证材料有一致的致密度。与热压和热等静压粉末成型制作工艺比较,冷压成型工艺成本低廉,生产效率高。
    7. 在真空炉中将刀坯烧结成金属陶瓷刀具。烧结刀坯是整个制作过程的关键,真空炉中的真空度、烧结的温度以及时间必须精确,精确的温度与时间需要经过反复地实验以找到其最佳值。刀坯的烧结温度与时间对刀片的物理与力学性能有重要影响。
    8. 用工具磨床将刀坯磨制成标准机夹可转位刀片。金属陶瓷刀片的制造原理和工艺与WC-Co基硬质合金刀片基本类似,都采用液相烧结法。其中混合粉末的均匀混合与刀坯烧结是其中两个最为关键的步骤。
  3. 纳米TiN对TiC基金属陶瓷微观组织的影响 经上述工艺制作而成的纳米金属陶瓷刀片与未加纳米TiN的金属陶瓷刀片的显微结构的扫描电镜照片分别如图1、图2所示。

    图1 纳米TiN改性cermet(SEM×10000)

    图2 TiC基cermet(SEM×10000)
    由图1、图2可见:与未加纳米TiC基金属陶瓷相比,加入纳米TiN的TiC基金属陶瓷材料组织明显细化,这主要因为纳米TiN在TiC/TiC晶界上的分布阻止了TiC晶粒的增大。TiN在金属陶瓷中一部分与TiC、Ni 等形成固溶体,覆盖在TiC的表面,一部分残留下来作为硬质相,当其处于“SS”相(surrounding structure环行相)时可阻止Mo向硬质相核心的扩散,使得硬质相核心粒度与“SS”的厚度都减小。同时TiN还可使得材料中出现液相的温度上升,从而可以抑制Ni 中Ti 和Mo 的扩散。这两方面的效应都促使了金属陶瓷晶粒的细化。此外,气孔率(图1、2中黑的部分)作为一个显微结构参数对刀具寿命的影响是显而易见的,使用定量显微技术可确定刀具中气孔率的体积百分比,刀具性能是随着气孔率的减少而提高的。
  4. 纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具的物理与力学性能 经上述工艺制得的刀具试样在DSC-5000型材料试验机上测得三点弯曲强度,在洛氏硬度仪上测得洛氏硬度值。

    图3 摩擦系数测量原理图
    表1 纳米TiN改性金属陶瓷刀具物理与力学性能
    刀具种类硬度
    (HRA)
    本文作者:合肥工业大学 张崇高 钱昌明 李德宝 杨海东
    原载:《机械制造》2002年第7期
    上载于:2009-8-18 9:22:15

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