基于耦合機制的寬溫度自潤滑陶瓷刀具材料

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(1.湘潭大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105； 2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518029)

基于耦合機制的寬溫度自潤滑陶瓷刀具材料

曾國章1，周后明1，趙振宇2，羅文懿1，劉新乾1

(1.湘潭大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南湘潭411105；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳518029)

采用真空熱壓燒結(jié)工藝，制備TiB2/(W,Ti)C/Ag(TWA)雙潤滑機制耦合從低溫到高溫均具有潤滑性能的陶瓷刀具材料。X射線衍射(XRD)分析表明燒結(jié)過程中各組分化學(xué)相容性較好，斷口形貌掃描電子顯微鏡(SEM)照片顯示潤滑劑Ag不僅能有效填充晶粒間隙，還能增強晶粒間黏結(jié)強度。以TiB2/(W,Ti)C(TW)作為對比進(jìn)行摩擦磨損實驗，結(jié)果表明：室溫下磨損表面均出現(xiàn)輕微機械犁溝，隨著溫度升高，TWA磨損表面形成富含潤滑劑Ag的潤滑膜，能有效減少摩擦系數(shù)與磨損量，400℃時其磨損量僅為TW磨損量的一半，TW、TWA主要磨損機制分別為磨粒磨損和黏結(jié)磨損。TiB2在700℃原位生成的反應(yīng)膜能提高復(fù)合材料減磨與耐磨性能，TW、TWA磨損機制主要為輕微磨粒磨損和氧化磨損。

熱壓燒結(jié)； 陶瓷刀具； 耦合潤滑； 摩擦磨損

1 前 言

干式切削可以降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，是一種環(huán)境效益與經(jīng)濟效益俱佳的工藝，但由于缺少切削液的冷卻潤滑及輔助排屑作用，切削區(qū)溫度會急劇升高、切削力增大、刀具磨損加快，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量惡化且影響刀具使用壽命[1-2]。

自潤滑刀具在干式切削中有極好的應(yīng)用前景，其自身具有減摩和抗磨作用使其擁有濕式切削的效果，但單一的潤滑方式使其不能兼顧從低溫到高溫均具有良好的減磨與耐磨性能。曹同坤等[3]研制的陶瓷刀具Al2O3/TiC/CaF2利用CaF2在500℃由脆性向塑性轉(zhuǎn)變而具有潤滑性能，但由于刀具后刀面切削溫度較低，CaF2仍處于脆性狀態(tài)致使后刀面磨損嚴(yán)重。大量研究表明[4-6]，TiB2-TiN在高溫摩擦作用下會發(fā)生熱氧化反應(yīng)生成自潤滑氧化膜，其中TiB2到400℃才開始氧化，其氧化產(chǎn)物TiO2具有較低剪切強度與摩擦系數(shù)，氧化膜的形成有助于提高刀具材料減摩與耐磨性能。鄧建新等[7]研究表明，隨著TiB2含量增多，Al2O3/TiB2陶瓷材料減摩耐磨性能將更加顯著。從以上研究成果可看出，單一潤滑方法在高溫下雖能提供良好潤滑性能，但低溫下減磨效果并不顯著從而將嚴(yán)重影響刀具使用壽命。史曉亮等[8-9]研究表明，通過復(fù)合潤滑劑的協(xié)同潤滑作用可在寬溫度范圍內(nèi)提高基體的摩擦學(xué)性能，從室溫到400℃潤滑劑Ag以小顆粒形式擴散到摩擦界面形成富含Ag的潤滑膜，可減少摩擦系數(shù)波動幅度[10]。

過渡金屬及其化合物的添加可改善TiB2基陶瓷力學(xué)性能[11]，因此以TiB2為基體，(W,Ti)C為添加相，Ag為固體潤滑劑，制備添加固體潤滑劑自潤滑與原位反應(yīng)自潤滑兩種潤滑機制相耦合，可實現(xiàn)從低溫到高溫均具有減摩作用的TiB2/(W,Ti)C/Ag(TWA)自潤滑陶瓷刀具材料。本文研究Ag對刀具材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，探討自潤滑復(fù)合材料與Al2O3盤配副從室溫到700℃的摩擦磨損性能。

2 材料制備和試驗方法

2.1材料制備

所采用的TiB2粉末粒徑為1.5μm，純度99.9%；(W,Ti)C固溶體粉末平均粒徑為0.8μm，純度99.9%；Ag粉粒徑為0.5μm，純度99.9%，作為固體潤滑劑。其中TiB2/(W,Ti)C/(TW)作為對比實驗，表1是復(fù)合材料各相質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)配比。

表1 TW和TWA復(fù)合材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)配比

以無水乙醇為介質(zhì)將混合粉末球磨48h后干燥過篩裝入石墨模具，真空熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1650℃，保溫50min，壓力為32MPa。把試樣加工成尺寸為3mm×4mm×36mm，用于三點彎曲測量抗彎強度，跨距為20mm，加載速率為0.5mm/min，壓痕法測量斷裂韌性，維氏硬度計測量硬度，阿基米德排水法測量相對密度。每個實驗條件至少重復(fù)進(jìn)行3次，XRD用于分析復(fù)合材料相組成成分，SEM用于觀察斷口形貌。

2.2摩擦磨損實驗

通過切割、磨削、拋光制成尺寸為4.2mm× 4.2mm× 15mm的測試樣條，在高溫銷盤式摩擦磨損試驗機(MG-2000)上與Al2O3盤配副進(jìn)行干滑動摩擦磨損實驗，加載載荷為30N，主軸轉(zhuǎn)速為320r/min，測試溫度分別為室溫、200℃、400℃、700℃，磨損時間為21min。將加熱爐升到測試溫度，保溫5min后再進(jìn)行摩擦磨損實驗，采用插入式熱電偶測量樣條溫度，通過SEM及其配備的EDS對磨損表面顯微形貌及其組成成分進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能

TW與TWA的X射線衍射圖譜如圖1所示。圖中只有TiB2、(W,Ti)C和Ag的衍射峰，這表明在燒結(jié)過程中各組分化學(xué)相容性較好。

圖1 TW和TWA的X射線衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of TW and TWA

表2是復(fù)合材料的各項機械性能。從表中可看出添加7wt%Ag的TWA相對密度明顯高于TW，相對密度的提高歸因于低熔點Ag增加了顆粒之間的潤濕性，改善了基體與增強相之間的粘結(jié)性能。TW的抗彎強度、斷裂韌性和維氏硬度分別為915.6MPa、6.1MPa·m1/2和19.5GPa。然而TWA的力學(xué)性能相對較低，這是因為潤滑劑Ag的添加降低了復(fù)合材料整體力學(xué)性能。圖2(a)、(b)分別為TW、TWA斷口形貌掃描電鏡照片，從圖中可看出添加相與基體相顆粒分布均勻，圖2(b)中金屬相均勻分布在晶粒邊界，填充晶粒之間的間隙，充當(dāng)晶粒增長抑制劑，致使其晶粒相對細(xì)小，提高復(fù)合材料致密度。

表2 TW和TWA復(fù)合材料的力學(xué)性能

圖2 TW(a)和TWA(b)斷口形貌SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photographs of TW and TWA fracture surfaces

圖3 TW和TWA在不同溫度下的摩擦系數(shù) (a) 室溫； (b) 200℃； (c) 400℃； (d) 700℃Fig.3 Friction coefficient of TW and TWA at different temperatures (a) room temperature; (b) 200℃; (c) 400℃; (d) 700℃

3.2磨擦性能及其磨損機制

圖3(a)～(d)分別為TW、TWA在室溫、200℃、400℃、700℃下的摩擦系數(shù)，其相應(yīng)磨損量如表3所示。在磨合初期，只有銷的表面微凸體與Al2O3盤相互接觸，隨著表面微凸體逐漸去除，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。如圖3(a)所示，TW、TWA在室溫下摩擦系數(shù)較高，其平均摩擦系數(shù)分別為0.63、0.57。隨著溫度升高，TW的摩擦系數(shù)在整個摩擦磨損過程中均出現(xiàn)較大程度的波動，磨損量也逐漸增大，400℃時磨損量為7.3mg。然而TWA的摩擦系數(shù)、磨損量卻逐漸降低，400℃時磨損量僅為TW的一半。當(dāng)溫度升至700℃時，TW、TWA均展現(xiàn)出較穩(wěn)定和低的摩擦系數(shù)，如圖(d)所示，平均摩擦系數(shù)分別為0.32、0.28，磨損量分別為2.8mg、3.1mg。

表3 TW和TWA在不同溫度下的磨損量/mg

圖4(a)、(b)分別為TW、TWA在室溫下磨損表面形貌照片。從圖中可看出磨損表面均存在輕微機械犁溝現(xiàn)象，這屬于典型的磨料磨損，然而圖4(b)中機械犁溝相對更加明顯，這是因為TWA相對TW的力學(xué)性能較低。圖4(b)磨損表面分布的Ag元素是摩擦系數(shù)在室溫下降低的主要原因，由于磨粒刻劃作用導(dǎo)致潤滑劑Ag很難在表面形成潤滑膜，其磨損量相對TW也較高。

圖4 TW(a)和TWA(b)在室溫下的磨損形貌和Ag元素分布照片F(xiàn)ig.4 Morphology and Ag elemental distribution of the TW and TWA worn surfaces at room temperature

圖5(a)、(b)分別為TW、TWA在200℃下磨損表面形貌照片。隨著溫度升高，摩損表面非周期性熱沖擊致使晶粒易發(fā)生脆性斷裂，如圖5(a)所示，破碎晶粒產(chǎn)生與消失導(dǎo)致摩擦系數(shù)產(chǎn)生較大波動，磨損量增大，其磨損機制主要為磨粒磨損。潤滑劑Ag具有較大的擴散系數(shù)和易剪切能力，隨著溫度升高析出，表面潤滑劑Ag逐漸增多，在熱應(yīng)力和摩擦載荷應(yīng)力作用下析出的表面潤滑劑被拖覆于磨痕表面，拖覆在圖5(b)磨痕表面的潤滑劑Ag雖能提高TWA復(fù)合材料減磨與耐磨性能，但由于析出的潤滑劑Ag未形成致密潤滑膜，磨損表面仍存在微裂紋和晶粒脆性斷裂，其磨損機制主要為輕微磨粒磨損和粘著磨損。

圖5 TW(a)和TWA(b)在200℃的磨損形貌和Ag元素分布照片F(xiàn)ig.5 Morphology and Ag elemental distribution of the TW and TWA worn surfaces at 200℃

圖6(a)、(b)分別為TW、TWA在400℃下磨損表面照片。在較高表面溫度和循環(huán)應(yīng)力條件下，非周期性熱沖擊加劇磨損表面疲勞裂紋和晶粒脆性斷裂的產(chǎn)生，破碎的晶粒粘附在摩擦副間，如圖6(a)所示，致使摩擦系數(shù)波動、磨損量進(jìn)一步增大，其磨損機制主要為磨粒磨損。潤滑劑Ag增強了基體相與添加相之間粘結(jié)強度，減少晶粒脆性斷裂，如圖6(b)所示，且圖6(b)EDS面掃描顯示在磨損表面還聚集著大量潤滑劑Ag，拖覆于磨損表面的潤滑劑Ag形成的固體潤滑膜能夠有效減少粘著現(xiàn)象發(fā)生，起到降低摩擦系數(shù)波動幅度及磨損量的作用，其磨損機制主要為粘著磨損。

圖6 TW(a)和TWA(b)在400℃下的磨損形貌和Ag元素分布照片F(xiàn)ig.6 Morphology and Ag elemental distribution of the TW and TWA worn surfaces at 400℃

圖7(a)、(b)分別為TW、TWA在700℃下磨損表面形貌圖。TiB2在700℃下會發(fā)生熱氧化反應(yīng)，在刀具材料表面原位生成具有潤滑作用的反應(yīng)膜，圖7(c)、7(d)分別為圖7(a)、7(b)中標(biāo)記處的EDS能譜，圖譜顯示的O元素是由于TiB2發(fā)生氧化反應(yīng)生成較低剪切強度的TiO2，TiO2為摩擦接觸區(qū)域提供良好潤滑性能，然而在機械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋會導(dǎo)致部分潤滑膜發(fā)生剝落，但隨著裂紋向基體材料繼續(xù)擴展，原位反應(yīng)會再次發(fā)生使?jié)櫥ぴ偕岣邚?fù)合材料在高溫下的減磨與耐磨性能。圖7(b)EDS面掃描顯示磨損表面潤滑劑Ag分布極其稀疏，這是因為潤滑劑Ag在高溫條件下易被氧化和刮擦流失，從而造成TWA的磨損量比TW高。其磨損機制主要為輕微磨粒磨損和氧化磨損。

圖7 TW(a)和TWA(b)在700℃磨損形貌及其對應(yīng)的EDS(c)、(d)圖譜Fig.7 Morphology and EDS spectrum of worn surfaces of the TW and TWA at 700℃

1.向TiB2/(W,Ti)C中添加的7wt%Ag不僅能填充晶粒間間隙，提高復(fù)合材料粘結(jié)強度，還能充當(dāng)晶粒增長抑制劑起到細(xì)化晶粒的作用，粘結(jié)強度的提高能減少磨損表面晶粒脆性斷裂，降低磨損量，且在200℃、400℃下潤滑劑Ag逐漸被拖覆于磨損表面形成潤滑膜，有利于降低摩擦系數(shù)。

2.利用潤滑機制相耦合可以拓寬自潤滑陶瓷刀具材料TWA的潤滑范圍。固體潤滑劑Ag在200℃、400℃能提供較好潤滑性能，400℃時其磨損量僅為TW的一半，TW、TWA主要磨損機制分別為磨粒磨損和粘著磨損。TiB2在700℃原位生成具有較低摩擦系數(shù)TiO2，能提高復(fù)合材料減磨與耐磨性能，TW、TWA磨損機制主要為較輕微的磨粒磨損和氧化磨損。

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WideTemperatureandSelf-lubricatingCeramicToolMaterialsBasedonSomeCouplingMechanism

ZENGGuozhang1,ZHOUHouming1,ZHAOZhenyu2,LUOWenyi1,LIUXinqian1

(1.SchoolOfMechanicalEngineering,XiangtanUniversity,Xiangtan411105,China;2.ShenZhenInstituteofInformationTechnology,Shenzhen518029,China)

TiB2/(W,Ti)C/Ag(TWA) coupling mechanisms ceramic tool material possessing the lubricity from room temperature to 700℃ was prepared by the hot pressing sintering. X-ray diffraction patterns showed that the composites with wide chemical compatibility in sintering possess. It can be seen from scanning electron microscope (SEM) photographs of fracture surfaces that lubricant Ag can not only fill into the gap between (W,Ti)C(TW) and TiB2grains, but also enhance the bonding strength. Friction and wear testing results indicated that mechanical furrows exist in TWA and TW worn surface at room temperature. With increasing temperature, the lubricant Ag was smeared on TWA worn surface and they exhibit lower friction coefficient, only a half of that of the TW ceramic. Abrasive wear and adhesive wear are found dominant in both TW and TWA. The properties of antifriction and wear resistance can be improved by in-situ generated reaction film of TiB2at 700℃, mild abrasive wear and tribo-oxidation are the dominant wear mechanisms in TW and TWA.

hot pressing sintering; ceramic tools; coupling lubrication; friction and wear

TQ174

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.05.017

2016-05-05；

2016-06-17

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375418、51375419、51275436)；湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金資助項目(13K040)；深圳市科技計劃資助項目(JCYJ20160415114050831)

曾國章(1992-)，碩士研究生，主要研究方向為陶瓷刀具。E-mail：1411471467@qq.com。

周后明(1970-)，博士，教授，研究方向為高速加工技術(shù)及其工具。E-mail：zhouhouming@xtu.edu.cn。

1673-2812(2017)05-0775-06