層狀WC/TiC陶瓷刀具材料與軸承鋼的摩擦磨損性能

張 濤，呂 明，宋金鵬，安 晶

（太原理工大學 機械工程學院及精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

陶瓷刀具以其優(yōu)異的耐熱性、耐磨性和化學穩(wěn)定性在切削加工中展現(xiàn)出傳統(tǒng)刀具無法比擬的優(yōu)勢[1-3]，其中的層狀復合陶瓷刀具的切削性能更加顯著[4-6]。層狀復合陶瓷刀具材料克服了傳統(tǒng)陶瓷刀具材料斷裂韌度低、抗熱震性差等缺陷，具有較好的硬度、斷裂韌度、抗彎強度及抗熱震性[7-8]。由于其優(yōu)異的性能，陶瓷刀具常用于高速切削，切削溫度可達（800～1000）℃。在切削過程中，陶瓷刀具與被加工材料表面間存在摩擦，尤其是在高速切削條件下，這種摩擦更為劇烈，而刀具的使用壽命主要由其后刀面的磨損量來衡量。為了提高陶瓷刀具的使用壽命，有必要研究其的摩擦磨損性。本研究將采用霧化-噴覆液膜-干燥工藝和熱壓燒結(jié)技術(shù)制備層狀WC/TiC陶瓷刀具材料，并對其進行摩擦磨損實驗，研究其磨損機理。

2 實驗

2.1 實驗材料

實驗所用材料為層狀WC/TiC陶瓷刀具材料和GCr15軸承鋼。

2.1 .1層狀WC/TiC陶瓷刀具材料的制備

實驗所用WC和TiC粉體的性能參數(shù)，如表1所示。采用霧化-噴覆液膜-干燥工藝和熱壓燒結(jié)技術(shù)制備層狀WC/TiC陶瓷刀具材料。先將92wt.%WC+8wt.%Ni粉體與無水乙醇混合置于攪拌裝置中進行攪拌，使其形成懸濁液后，通過霧化裝置將其噴覆在Φ60的石墨磨具中，同時在202-00S型電熱恒溫干燥箱中進行干燥，作為第一層材料；待充分干燥然后，采用同樣的方法將85wt.%TiC+15wt.%Ni粉體與無水乙醇混合置于攪拌裝置中進行攪拌，使其形成懸濁液后，通過霧化裝置將其噴覆在第一層材料上，作為第二層材料，并進行充分干燥；依次循環(huán)上述步驟進行交替疊層，完成層狀陶瓷刀具材料素坯的制備。其中，92wt.%WC+8wt.%Ni層的總質(zhì)量為10.05g，85wt.%TiC+15wt.%Ni層的總質(zhì)量為3.74g。將制備好的層狀WC/TiC陶瓷刀具材料素坯置于真空熱壓燒結(jié)爐中完成燒結(jié)，其燒結(jié)溫度為1650℃，保溫時間為20min，燒結(jié)壓力為30MPa。將燒結(jié)后的層狀WC/TiC陶瓷刀具材料加工成（50×4×3）mm的試樣條，并將4mm的寬面研磨拋光，其表面粗糙度為0.35μm。

表1 WC和TiC粉體的性能參數(shù)Tab.1 The Performance Parameters of WC and TiC

2.1 .2 GCr15軸承鋼

采用直徑為4mm的GCr15軸承鋼球作為摩擦磨損實驗的試樣，其表面粗糙度為0.01μm，力學性能，如表2所示。

表2 GCr15軸承鋼力學性能Tab.2 The Mechanical Properties of GCr15 Bearing Steel

2.2 摩擦磨損性能測試

實驗采用中國科學院蘭州化學物理研究所研制的CFT-Ⅰ型材料表面性能綜合測試儀，利用往復摩擦測試方式在干摩擦條件進行摩擦磨損實驗。實驗條件為：（1）在載荷為100N、摩擦時間為30min 下，分別測試滑動速度為 3m/min、6m/min、9m/min、12m/min時的層狀WC/TiC陶瓷刀具材料的摩擦系數(shù)與磨損量；（2）在滑動速度為12m/min、摩擦時間為30min下，分別測試載荷為60N、80N、100N、120N時的層狀WC/TiC陶瓷刀具材料的摩擦系數(shù)與磨損量。為保證測試結(jié)果的真實性，分別測試三次取平均值。采用高倍顯微鏡對摩擦磨損后試樣的表面形貌進行觀測。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 層狀WC/TiC陶瓷材料的摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)與滑動速度和載荷間的關(guān)系，如圖1所示。摩擦系數(shù)與滑動速度間的關(guān)系，如圖1（a）所示。由圖1（a）可見：隨著滑動速度的增加，層狀WC/TiC陶瓷材料的摩擦系數(shù)總體呈現(xiàn)下降的趨勢。在滑動速度為3m/min時，層狀WC/TiC陶瓷材料的摩擦系數(shù)最大，達到了0.482；在滑動速度為12m/min時，層狀WC/TiC陶瓷材料摩擦系數(shù)最小，為0.276。

摩擦系數(shù)與載荷間的關(guān)系，如圖1（b）所示。由圖1（b）可見：隨著載荷的增加，層狀WC/TiC陶瓷材料的摩擦系數(shù)總體呈現(xiàn)下降的趨勢。當載荷最小為60N時，層狀WC/TiC陶瓷材料的摩擦系數(shù)為0.269；載荷最大為120N時，層狀WC/TiC陶瓷材料的摩擦系數(shù)為0.157。

圖1 摩擦系數(shù)與滑動速度和載荷間的關(guān)系Fig.1 Friction Coefficient Changed with Sliding Speed and Loads

有文獻[9]表明：在摩擦磨損過程中，當試樣處于低速和輕載條件下時，試樣與軸承鋼球的摩擦主要以局部微小晶粒間的機械撞擊為主，其將導致微小晶粒發(fā)生斷裂、脫落；脫落后的微小晶粒將介于摩擦界面，大量的這種晶粒將增大兩摩擦界面間的粗糙度，進而導致摩擦系數(shù)增大。當試樣處于高速和重載條件下時，軸承鋼球的塑性變形變大，導致微小晶粒較少脫落，摩擦界面的粗糙度變化較小，因而摩擦系數(shù)相對較小。

3.2 層狀WC/TiC陶瓷材料的磨損量

磨損量與滑動速度和載荷間的關(guān)系，如圖2所示。磨損量與滑動速度間的關(guān)系，如圖2（a）所示。由圖2（a）可見：隨著滑動速度的增加，層狀WC/TiC陶瓷材料的磨損量總體呈現(xiàn)下降的趨勢。在滑動速度為3m/min時，層狀WC/TiC陶瓷材料的磨損量為0.9×10-3mm3；滑動速度為12m/min時，層狀WC/TiC陶瓷材料的磨損量降為 0.68×10-3mm3。

磨損量與載荷間的關(guān)系，如圖2（b）所示。由圖2（b）可見：隨著載荷的增加，層狀WC/TiC陶瓷材料的磨損量總體呈現(xiàn)下降的趨勢。當載荷最小為60N時，層狀WC/TiC陶瓷材料的磨損量為1.97×10-3mm3；載荷最大為120N時，層狀WC/TiC陶瓷材料的磨損量降至 0.58×10-3mm3。

圖2 磨損量與滑動速度和載荷間的關(guān)系Fig.2 Wear Volume Loss Changed with Sliding Speed and Loads

有文獻[10]表明：在摩擦磨損過程中，當試樣處于低速和輕載條件下時，層狀WC/TiC陶瓷材料中的金屬添加相Ni沒有達到產(chǎn)生潤滑效果的條件或者潤滑效果較差，從而造成在摩擦磨損過程中磨損量較大；當處于高速和重載條件下時，金屬添加相Ni在高速和高載荷下達到潤滑的條件，在材料表面產(chǎn)生一層金屬潤滑膜，從而對材料的摩擦磨損性能改善，磨損量減小。

3.3 磨損機理分析

對層狀WC/TiC陶瓷刀具材料的摩擦系數(shù)與磨損量進行分析可知，當滑動速度為12 m/min，載荷為120N時，層狀WC/TiC陶瓷刀具材料的摩擦系數(shù)和磨損量均最小，摩擦磨損性能最佳。因此對該條件下的磨損機理進行分析。滑動速度為12m/min，載荷為120N時，層狀WC/TiC陶瓷材料的表面形貌，如圖3所示。研磨拋光面，如圖3（a）所示。摩擦磨損表面，如圖3（b）～圖3（e）所示。圖3（b）、圖 3（d）和圖 3（a）對比可見，在層狀 WC/TiC 陶瓷材料的摩擦磨損表面存在大量因冷焊黏附的片狀磨屑，如圖3（b）、圖3（d）所示。材料晶粒被剝落后而造成的淺損傷，如圖3（b）、圖3（d）所示。這是由于在摩擦過程中，軸承鋼材料與層狀WC/TiC陶瓷材料之間的硬度相差較大，造成軸承鋼材料在接觸點處發(fā)生了剪切斷裂，而被剪切的一部分材料附著在層狀WC/TiC陶瓷材料的表面；TiC的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，在干摩擦的情況下更容易產(chǎn)生粘著磨損；同時層狀陶瓷材料在摩擦過程中由于自身脆性，導致從摩擦表面剝落，而在隨后的摩擦過程中被軸承鋼材料在摩擦表面覆蓋，在這種連續(xù)磨損的過程中，造成了較淺的損傷。由此可得，層狀WC/TiC陶瓷材料發(fā)生了粘著磨損。由圖 3（c）、圖 3（e）與圖 3（a）對比可見，在層狀WC/TiC陶瓷材料的摩擦磨損表面有清晰的機械磨損所造成的犁溝，如圖3（c）、圖3（e）所示。并出現(xiàn)許多的凹坑，如圖3（c）、圖3（e）所示。這是由于在摩擦過程中，陶瓷材料基體上的硬質(zhì)顆粒因脆性大，在摩擦力和擠壓力的作用下，將被剝落下來，殘留在摩擦界面上的硬質(zhì)顆粒，將在摩擦力和擠壓力的作用下，對摩擦界面進行微切削，進而導致犁溝和凹坑的形成。由此可得，層狀WC/TiC陶瓷材料發(fā)生了磨粒磨損。

圖3 層狀WC/TiC陶瓷刀具材料的表面形貌Fig．3 Morphologies of Worm Surfaces of Laminated WC/TiC Ceramic Cutting Tool Materials

4 結(jié)論

（1）通過采用霧化-噴覆液膜-干燥新工藝方法來制備層狀WC/TiC陶瓷刀具材料素坯并運用真空熱壓燒結(jié)的方法制備出了層狀WC/TiC陶瓷刀具。

（2）在室溫下，對層狀WC/TiC陶瓷刀具材料進行了摩擦磨損實驗。在載荷一定的情況下，摩擦系數(shù)和磨損量均隨著滑動速度的增大而減小，當滑動速度為12m/min時，材料的磨損量和摩擦系數(shù)最小，其值為 0．68×10-3mm3和 0．276；在相同滑動速度條件下，材料的磨損量和摩擦系數(shù)也均隨載荷的增大而減小，載荷為120N時，材料的摩擦系數(shù)和磨損量最小，其值為 0．58×10-3mm3和 0．157。

（3）滑動速度為12m/min，載荷為120N時，層狀WC/TiC陶瓷刀具材料的磨損形式主要為磨粒磨損和粘著磨損。

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