AI2O3刀具車削NbC/Fe粉末冶金復(fù)合材料時的磨損

張 良 屈盛官 王光宏 韓立發(fā)

（①華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640;②東莞理工學(xué)院機械工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

粉末冶金是一項集材料制備與零件成形于一體的節(jié)能、節(jié)材、高效、近終成形、少（無）污染的先進制造技術(shù)，在材料制備和零件制造中具有不可替代的地位和作用。顆粒增強鐵基粉末冶金復(fù)合材料的耐磨性更好、耐高溫性更強、制造的零件重量較大，在汽車及其發(fā)動機中的應(yīng)用更加廣泛［1］。

雖然少切削和無切削是粉末冶金零件的主要優(yōu)點之一，但大部分發(fā)動機結(jié)構(gòu)零件在制造過程中不能一次直接達(dá)到所需的凈形狀、精度及表面粗糙度的要求，只能是“接近最終形狀”，仍需要再進行一定的機械加工。而切削加工是獲得高精度、小表面粗糙度值和低加工成本的零件的基本方法。和鑄件與鍛件相比，這種加工需要從粉末冶金零件上去除的材料雖然非常少，但是卻是典型的難加工材料的加工。由于陶瓷刀具具有很高的硬度，耐磨性能良好，與金屬的親和力小，并且化學(xué)穩(wěn)定性好。因此，陶瓷刀具可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工或者根本不能加工的超硬材料，其最佳切削速度可以比硬質(zhì)合金刀具提高3～10倍，而且刀具壽命長，因而大大提高了切削加工效率［2］。近年來，由于控制了原料的純度和晶粒尺寸，采用多種增韌機制進行增韌補強，使得陶瓷刀具的抗彎強度、斷裂韌性和抗沖擊性能都有大幅度提高，應(yīng)用范圍也日益廣泛，可用于干切削、高速切削和硬切削等［3］。

1 試驗方案

試驗用工件材料為NbC顆粒增強鐵基粉末冶金復(fù)合材料，成分（wt.%）為:（0.6 ～0.8）C+（1.5～2.5）Cu+（1.5 ～2.5）Ni+（0.8 ～1.2）Mo+（5 ～15）NbC+Fe（余量），成形方法為溫壓成形。由于NbC增強鐵基粉末冶金復(fù)合材料為高耐磨性的難加工材料，從刀具材料的硬度和耐磨性能方面考慮，可采用CBN（立方氮化硼）等超硬刀具材料進行加工。但CBN不僅價格昂貴，而且其本身脆性大、易斷裂，如果使用不當(dāng)很容易損壞刀具。因此，考慮加工的經(jīng)濟性，試驗用刀具選擇Al2O3基陶瓷刀片，基本成分為 Al2O3/（W，Ti）C。陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)型式為可轉(zhuǎn)位式，幾何參數(shù)為:前角－5°、后角5°、主偏角45°、副偏角45°、刃傾角 －5°、刀尖圓弧半徑0.8 mm，負(fù)倒棱參數(shù):寬度0.1 mm、前角－20°。

精加工試驗在C6132A1及CM6140精密機床上進行，切削方式為干式車削，采用LEO1530VP型掃描電鏡觀察刀片的磨損形貌，用萬能工具顯微鏡測量后刀面最大磨損值VBmax。

2 試驗結(jié)果與分析

2．1 刀具的磨損

精車鐵基粉末冶金復(fù)合材料時，Al2O3基陶瓷刀具的典型磨損形貌如圖1所示。

圖1a為精車含10wt．%NbC的復(fù)合材料時刀具后刀面磨損的微觀形貌。由圖可見，后刀面磨損帶沿切削速度方向分布著眾多深淺不同的溝痕，表現(xiàn)出典型的磨粒磨損形貌;切削時，除NbC外，燒結(jié)材料中大量硬質(zhì)點的高溫硬度有的比陶瓷材料的還要高，就像磨料一樣，對刀具后刀面形成持續(xù)不斷的“微切削”。由于Al2O3、TiC的硬度與NbC大體相當(dāng)甚至略高，且試樣中NbC尺寸較小、含量不高，切削過程中刀具不可能過多地被增強相反切削，因而陶瓷刀具不會發(fā)生嚴(yán)重的磨料磨損，緩慢的磨粒磨損進程中，伴隨其他更為主要的磨損方式。

圖1b為切削相同材料時整個切削刃的磨損形貌。由圖可見，沿切削刃密布的因劃擦形成的溝痕間能清楚地看到陶瓷顆粒團脆性剝落后留下的凹坑。分析其產(chǎn)生的原因，認(rèn)為刀具中的Al2O3、WC、TiC陶瓷顆粒團在經(jīng)受來自復(fù)合材料中的硬質(zhì)增強相所進行的“微切削”過程中，被沖撞、碾壓而成片地脫落后形成，表明刀具在磨粒磨損過程中伴隨著剝落和微崩刃。由于復(fù)合材料不可避免地存在氣孔、夾雜、硬質(zhì)點等各種類型的缺陷，其微觀組織不均勻，精車時形成剪切型或擠裂型切屑，刀屑接觸長度小，使前刀面所受的壓力和溫度全部集中在刀尖，因而刀尖所受的機械沖擊和熱沖擊劇烈;另一方面，陶瓷刀尖是由無數(shù)細(xì)小的陶瓷顆粒構(gòu)成的，晶界處富集的“雜質(zhì)組元”相當(dāng)于一種“精細(xì)裂紋”，大大降低了晶界強度，而且存在不均勻的內(nèi)應(yīng)力，使刃口部位的微觀強度也不均勻［4－5］。在刀尖表面被NbC顆粒刮擦、沖撞和產(chǎn)生振動的過程中，磨粒磨損溝痕兩邊容易形成微小裂紋，裂紋形核和擴展時，引起陶瓷顆粒團進一步剝落產(chǎn)生微崩刃。當(dāng)剝落和微崩刃程度輕微時，可視作磨損;但當(dāng)?shù)毒弋a(chǎn)生的振動沖擊過大或微崩刃產(chǎn)生的裂紋擴展到一定程度時，將會引起切削刃大面積崩刃或碎斷，引起刀具早期失效。

2．2 刀具磨損影響因素的分析

2．2．1 工件材料的影響

（1）增強相含量的影響

圖2給出了NbC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對Al2O3基陶瓷刀具后刀面磨損量VBmax的影響曲線。由圖可見，材料中NbC的含量對刀具磨損的影響很大，隨增強相質(zhì)量分?jǐn)?shù)mf的增加，刀具磨損率顯著上升。例如，切削mf=5%的復(fù)合材料時，VBmax=0.6 mm時的刀具壽命達(dá)到13.5 min，但當(dāng)mf=15%時，刀具壽命迅速降低到6 min左右。NbC含量越高，對刀具后刀面的研磨和刮擦作用也越強，刀具的磨損越嚴(yán)重。文獻(xiàn)［6－8］在切削鋁基復(fù)合材料時得出了相似的結(jié)論。因此，上述結(jié)論對復(fù)合材料的切削加工具有普遍意義，而不管材料的制備方式及基體的屬性如何。

（2）材料密度的影響

通常，粉末冶金材料的多孔結(jié)構(gòu)會引起刀具壽命的降低［9］。對采用溫壓工藝制備的鐵基粉末冶金復(fù)合材料來講，盡管其組織結(jié)構(gòu)更致密，材料中的孔隙仍不可避免。圖3是不同密度的復(fù)合材料對Al2O3基陶瓷刀具后刀面磨損量VBmax的影響。

由圖3可見，在相對密度大于90.3%的范圍內(nèi)，材料密度對刀具磨損的影響不太顯著，然而當(dāng)密度進一步減小后，刀具磨損率迅速下降。分析相對密度較高時密度對刀具磨損影響不顯著的原因，可能由以下幾方面所造成:一方面，材料密度減小后，材料的孔隙率上升，孔隙的存在降低了材料的熱傳導(dǎo)率［10］，使切削溫度升高，將加劇刀具的磨損;另一方面，隨燒結(jié)體密度的降低，材料中孔隙邊緣物質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)力集中、裂紋、碎裂和脫落現(xiàn)象加?。?1］，切屑斷裂強度降低，對切削刃的機械和熱沖擊作用減弱，使刀具磨損率降低。

在工件材料相對密度較小時，由于孔隙較多，而NbC顆粒又具有很高的硬度，車削過程中易受刀刃的擠壓、撞擊而移位、破碎甚至脫落，產(chǎn)生了NbC顆粒對刀具的研磨及犁削作用;當(dāng)相對密度進一步減小后，微孔隙的大量增加使基體材料硬度下降，精車時顆粒容易在切削區(qū)隨基體變形，也可以在切削力的作用下將NbC顆粒壓進孔隙或已加工的工件表面中，使刀具切削時直接接觸NbC的幾率減小;同時，孔隙還可以容留切屑表面的硬質(zhì)剝落物和磨粒［11］，從而減少了磨粒的數(shù)量，降低了刀具的磨損速度。因此，當(dāng)密度進一步減小后，刀具磨損顯著減弱。

2．2．2 切削參數(shù)的影響

圖4給出了采用不同的切削參數(shù)精車含量為10wt.%NbC的復(fù)合材料時，切削速度Vc、進給量f、背吃刀量ap對Al2O3基陶瓷刀具后刀面磨損量VBmax的影響關(guān)系曲線。

試驗表明，切削速度Vc和背吃刀量ap增加時，VBmax迅速增加;進給量f降低時，VBmax逐漸增加。但不同切削參數(shù)對刀具磨損的影響程度并不相同，Vc的影響相當(dāng)顯著，例如當(dāng)Vc由48 m/min增加到136 m/min時，實驗所示的精車條件下陶瓷刀具不到4 min就達(dá)到劇烈磨損（VBmax＞0.6 mm）;而進給量f對刀具磨損有較小影響，這是由NbC/Fe粉末冶金復(fù)合材料的特殊性質(zhì)所決定。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于精車過程中，受增強顆粒的影響，陶瓷刀具在正常磨損狀態(tài)下伴隨著微崩刃、剝落等破損形式。由物理定律可知，運動物體的動能（E）及沖量（I）可表示如下［12］:

可見，硬質(zhì)顆粒的動能、沖量與切削速度Vc有密切的關(guān)系。切削速度愈高，刀具遭受硬質(zhì)顆粒的沖擊程度越劇烈，由此產(chǎn)生的較大機械應(yīng)力和熱應(yīng)力使陶瓷刀刃上的微裂紋、孔洞加速成核和擴展，加劇了切削刃的剝落及崩碎。因此，切削鐵基燒結(jié)合金時，為避免刀具過快磨損，要控制適宜的切削速度。

與車削傳統(tǒng)的單相材料不同，進給量f降低時刀具磨損率上升，不利于提高刀具耐用度。這是由于在其它切削參數(shù)不變的條件下，f越小，切削相同體積材料時刀具滑過的路程越長，受NbC顆粒刮擦機會愈多;此外，f越小，切削厚度ac（ac=fsinKr）越薄，加工表面對后刀面的摩擦、碾壓作用越嚴(yán)重。

3 結(jié)論

（1）車削顆粒增強鐵基粉末冶金復(fù)合材料時，增強相含量越高，對刀具的磨損越大。在相對密度大于90.3%的范圍內(nèi)，材料密度對刀具磨損的影響不太顯著，然而當(dāng)密度進一步減小時，刀具磨損率迅速下降。

（2）切削參數(shù)的選擇與刀具磨損率有密切的關(guān)系，切削速度越高，背吃刀量越大，進給量越小，刀具磨損越快;此外，切削速度對刀具磨損的影響最顯著，而進給量對刀具磨損的影響最小。

（3）陶瓷刀具不會發(fā)生嚴(yán)重的磨粒磨損，刀具的高脆性及硬質(zhì)顆粒的劇烈刮擦、沖撞引起的切削刃微崩和剝落磨損是刀具磨損的主要原因。

［1］李元元，肖志瑜，倪東惠，等．溫壓成形技術(shù)的研究進展［J］．華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002，30（11）:15－20．

［2］Ai Xing，Li Zhaoqian，Deng Jianxin．Development and prespective of advanced ceramic cutting tool materials［J］．Key Engineering Materials，1995，108－110:53－66．

［3］艾興，等．高速切削加工技術(shù)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2003．

［4］艾興，蕭虹．陶瓷刀具的切削加工技術(shù)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1988．

［5］（蘇）洛拉得澤．切削刀具的強度和耐磨性［M］．艾興，等譯．北京:機械工業(yè)出版社，1988．

［6］Ibrahim Ciftci，Mehmet Turker．Evaluation of tool wear when machining SiCp－reinforced Al－2014 alloy matrix composites［J］．Materials and Design，2004，25（3）:251－255．

［7］韓榮第，姚洪權(quán)，嚴(yán)春華，等．SiCp/2024Al復(fù)合材料切削力與刀具磨損的試驗研究［J］．復(fù)合材料學(xué)報，1997，14（3）:71－75．

［8］Li X P，Seah W K H．Tool wear acceleration in relation to workpiece reinforcement percentage in cutting of metal matrix composites［J］．Wear，2001，247（2）:161－171．

［9］朱從容，王魄，王春濤．粉末冶金零件的車削加工［J］．機械工程師，2003（7）:25－27．

［10］Bonetti G．Gears for demanding applications－a comparison between cast iron，wrought steels and P/M steels［J］．SAE Trans．，2000 －01－0405．

［11］肖志瑜．高性能溫壓鐵基粉末冶金材料的制備、成形及其應(yīng)用的研究［D］．廣州:華南理工大學(xué)，2001．

［12］Zhang J Y，Yu Q X，Pang S Q．Study on the machining technology of composite materials［J］．Materials Science Forum，2004，471/472:876－880．