納米氧化鋯增韌氧化鋁基陶瓷刀具切削HT200時的切削性能研究

鐘金豹，黃傳真

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

納米氧化鋯增韌氧化鋁基陶瓷刀具切削HT200時的切削性能研究

鐘金豹1，黃傳真2

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

文章研究了陶瓷刀具A15Zc和A20Z（c+m）在不同切削速度下切削HT200時的切削性能。通過對比后刀面磨損量，對比了兩種刀具在不同切削速度下的抗磨損能力；并與另外一種已商業(yè)化的氧化鋁基陶瓷刀具SG4（Al2O3/（W，Ti）C）作對比，探索了兩種刀具合適的加工條件。通過對刀具前后刀面磨損形貌SEM研究，得出了兩種刀具在兩種切削速度下的主要磨損形態(tài)和主要磨損機(jī)理。該文對納米相變增韌陶瓷刀具的研制及應(yīng)用具有較大指導(dǎo)意義。

陶瓷刀具；切削性能；磨損機(jī)理

0　引言

陶瓷刀具的成分或者制造方法不同，其切削性能不同，所以不同的陶瓷刀具有不同的適用范圍。工件材料的機(jī)械性能、切削用量和刀具幾何參數(shù)等對刀具磨損有重要影響。Al2O3/ZrO2陶瓷刀具的室溫性能優(yōu)良，且其中的組分Al2O3和ZrO2在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性好，與Fe的溶解度很小，不易向工件材料中擴(kuò)散及溶解，因此，Al2O3/ZrO2復(fù)合陶瓷刀具具有較高的耐磨性能［1-3］。

國外已成功研制出氧化錯增韌氧化鋁陶瓷刀具，如瑞典的CC620、德國的SN60和SN80、美國的Cer-Maxt460等。CC620刀片具有相當(dāng)高的刀刃強(qiáng)度和耐磨性，用于粗車和精車鑄鐵和球墨鑄鐵等材料，切削速度高達(dá)900m/min，用于加工合金鋼時，粗車速度可達(dá)200m/min，精車速度可達(dá)800m/min［4］。

國內(nèi)對氧化錯增韌氧化鋁基陶瓷刀具的切削性能研究較少，本文對新研制的兩種具有較高綜合力學(xué)性能的納米氧化錯增韌氧化鋁基陶瓷刀具進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)研究。本文對自己研制的兩種納米氧化錯增韌氧化鋁基陶瓷刀具A15Zc和A20Z（c+m）進(jìn)行切削加工試驗(yàn)研究，分析刀具的磨損破損機(jī)制，探索其合適的加工條件。

表1是試驗(yàn)選用陶瓷刀具材料的力學(xué)性能。其中，納米氧化錯增韌氧化鋁基陶瓷兩種，分別為A15Zc和A20Z（c+m），選用另外一種已商業(yè)化的氧化鋁基陶瓷刀具SG4（Al2O3/（W，Ti）C）［5］作為對比刀具材料。選取HT200（200-220HB）為加工材料。采用工具顯微鏡觀察刀具后刀面磨損量，并用掃描電鏡對刀具磨損形貌進(jìn)行觀察。

表1　試驗(yàn)選用刀具材料的力學(xué)性能

1　切削試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)條件

①車床：CA6140車床；②實(shí)驗(yàn)刀具：A15Zc和A20Z（c+m）；③工件材料：HT200（200-220HB）；④刀具幾何角度：前角γ0=-5°，后角α0=5°，刃傾角λ0=-5°，主偏角κr=45°，倒棱寬度bγ1=0.2mm，倒棱角γ01=20°，刀尖圓弧半徑γε=0.5mm；⑤切削用量：切削速度ν=115m/min（低速）和320m/min（高速），進(jìn)給量f=0.1mm/r，切削深度αp=0.1mm；⑥切削方式：干切削。

1.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1　不同切削速度下各刀具后刀面的磨損量

圖1是A15Zc和A20Z（c+m）在不同切削速度、特定進(jìn)給量和切削深度情況下切削灰鑄鐵時的后刀面磨損量與切削距離關(guān)系圖。從圖上可以看出，當(dāng)進(jìn)給量和切削深度一定、切削速度分別為115m/min和320m/min時，A15Zc的后刀面磨損量在每個切削距離測量點(diǎn)都小于A20Z（c+m）的后刀面磨損量，說明A15Zc刀具材料在切削鑄鐵時比A20Z（c+m）具有更好耐磨性；對比每種刀具材料在兩種切削速度下的后刀面磨損量可以發(fā)現(xiàn)，刀具在切削速度為115m/min時的后刀面磨損量總比切削速度為320m/min時大，原因本人認(rèn)為與切削時間相關(guān)，這兩種材料在切削鑄鐵時，由于低速切削時切削相同距離所用的切削時間比高速時長，所以磨損量大。鑄鐵的內(nèi)部缺陷和硬質(zhì)點(diǎn)較多，使得刀具在車削的過程中承受不穩(wěn)定的外力作用，這加劇了刀具的磨損，兩種刀具在切削距離為2000m時，后刀面的磨損量都很大，超過切削等距離的淬硬45#鋼和淬硬40Cr時的磨損量，見圖2與圖3［6-7］。

圖2　不同刀具材料在不同切削速度下切削淬硬45#鋼時后刀面磨損量

圖3　不同刀具材料在不同切削速度下的后刀面磨損量（ap=0.2mm）

1.3刀具磨損形態(tài)及磨損機(jī)理分析

圖4和圖5分別是A15Zc和A20Z（c+m）兩種陶瓷刀具在低速下切削鑄鐵時的磨損形貌SEM圖。對比圖4和圖5可見，兩種刀具在低速下切削鑄鐵時，刀具的磨損形態(tài)沒有明顯的區(qū)別，刀尖處有邊界磨損和后刀面磨損，同時都有較輕的前刀面磨損。前刀面磨損都是粘結(jié)磨損和磨粒磨損。

圖4　A15Zc低速切削灰鑄鐵時的磨損SEM（ν=115m/m in）

圖5　A20Z（c+m）低速切削鑄鐵時的磨損SEM（ν=115m/m in）

圖6和圖7分別是A15Zc和A20Z（c+m）兩種陶瓷刀具在高速下切削鑄鐵時的磨損形貌SEM圖，對比其低速切削下的刀具磨損形貌，高速切削時，刀尖處也有后刀面磨損和邊界磨損，但在前刀面上沒有明顯的磨損，刀具前刀面顯微形貌基本無變化，沒有發(fā)現(xiàn)刀具表面晶粒被切屑帶走的痕跡，說明刀具前刀面的磨損較小。

圖6　A15Zc高速切削鑄鐵時的磨損SEM（ν=320m/m in）

圖7　A20Z（c+m）高速切削鑄鐵時的磨損SEM（ν=320m/min）

圖8是A15Zc分別在低速和高速下切削鑄鐵時后刀面磨損形貌。由圖8a可見，低速切削時，在后刀面磨損帶上可以看到明顯的脆性斷裂引起的材料剝落。刀具在周期性振動切削力作用下，材料會產(chǎn)生疲勞磨損，由于接觸應(yīng)力場分布的特點(diǎn)，裂紋除了從材料表面萌生外，還可能從材料的亞表面層內(nèi)產(chǎn)生，其擴(kuò)展方向或是平行于材料表面或是與表面成一定的角度。疲勞磨損是一個疲勞損傷的累積過程，隨著疲勞磨損裂紋在亞表面層內(nèi)的不斷擴(kuò)展，材料會產(chǎn)生大塊的剝落。而在高速切削鑄鐵時，后刀面磨損除了有疲勞磨損造成的材料剝落外，還可以看到明顯的磨粒磨損痕跡［8-11］。

圖8　A15Zc在不同切削速度下切削鑄鐵時的后刀面磨損SEM（標(biāo)尺：10μm）

圖9是A20Z（c+m）分別在低速和高速下切削鑄鐵時后刀面磨損形貌。由圖可以看出，其磨損面都比較光亮平整，表面上存在一些細(xì)小的劃痕，具有磨粒磨損的特征。因此，A20Z（c+m）的后刀面磨損在低速和高速下都是磨粒磨損。

圖9　A20Z（c+m）在不同切削速度下切削鑄鐵時的后刀面磨損SEM（標(biāo)尺：10μm）

2　結(jié)論

本文研究了陶瓷刀具A15Zc和A20Z（c+m）切削灰鑄鐵HT200時的切削性能。結(jié)果表明，刀具A15Zc的抗磨損能力好于A20Z（c+m）；兩種刀具材料在切削速度為115m/min時的后刀面磨損量比切削速度為320m/ min時大；低速切削（115m/min）時，兩種刀具的主要磨損形態(tài)是前后刀面磨損和邊界磨損，刀面的主要磨損機(jī)理是粘結(jié)磨損和磨粒磨損；高速切削（320m/min）時，兩種刀具的主要磨損形態(tài)是后刀面磨損和邊界磨損，刀具的主要磨損機(jī)理是疲勞磨損和磨粒磨損。

本文研究的兩種陶瓷刀具A15Zc和A20Z（c+m）的力學(xué)性能偏低，尤其是維氏硬度較低，但通過切削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩種刀具都具有較好的抗磨損能力，下一步需對這兩種陶瓷刀具抗磨損能力進(jìn)行深入研究。

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

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（編輯 趙蓉）

Study on Cutting Performance of Nano-Scale Zirconia Toughening Alumina Matrix Ceramic Tool Materials When Cutting HT200

ZHONG Jin-bao1，HUANG Chuan-zhen2
（1.School of Mechanical Engineering，Inner Mongolia Science and Technology University，Baotou Inner Mongolia 014010，China；2.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

Compared to the commercial ceramic tool SG4，the cutting performance of nano-scale ZrO2toughening Al2O3matrix ceramics tool materials，such as A15Zc and A20Z（c+m），in machining cast iron HT200.When machining cast iron HT200，the wear resistance of A15Zc is better than that of A20Z（c+ m），and tool flank wear width of A15Zc and A20Z（c+m）at the low speed of 115m/m in is bigger than that at the high cutting speed of 320m/m in.The wear patterns at the low cutting speed are tool wear on rake face and flank as well as notch wear，and the wear mechanisms arre bonding and abrasive wear.The wear patterns at the high cutting speed are tool wear on flank and notch wear，and the wear mechanisms are fatigue and abrasive wear.

ceramic tools；cutting performance；wear mechanism

TH162；TG711

A

1001-2265（2015）02-0024-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.007

2014-07-08；

2014-10-22

鐘金豹（1980—），男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，內(nèi)蒙古科技大學(xué)教師，碩士，主要從事陶瓷刀具的研制及切削性能方面的研究；（E-mail）zhongjinbao122@126.com。