切削高硬度钢的氧化铝碳化钛陶瓷刀具工业开关

切削高硬度钢的氧化铝-碳化钛陶瓷刀具

表1　Al2O3-TiC陶瓷刀具毛坯成分及物理机械性能试样TiC含量(%)粒度(µm)硬度(HV)抗弯温度dm(MPa)断裂韧性KIC(MPa·m½)Al2O3TiCF-F101.21.019509003.0201.01.020009503.5301.01.0205010004.0501.01.021009004.3C-C103.02.018008003.2202.52.018509003.8302.22.319509004.3502.22.520509004.6F-C101.41.818508503.2201.41.819009003.8301.22.019509504.0501.22.020509004.5C-F102.21.219008503.1202.21.219509503.5301.81.2195010004.1501.81.220509004.5一、前言近年来，机械加工朝着高效、省力化方向发展。汽车齿轮、建筑机械的轴、轧辊等高硬度钢工件的加工正试图用切削方式来取代磨削加工。目前，加工高硬度钢的刀具主要有聚晶立方氮化硼(CBN)刀具和Al2O3-TiC陶瓷刀具。CBN刀具由于价格昂贵，难以普及；Al2O3-TiC陶瓷刀具则由于价格低廉而获得了广泛的应用。但陶瓷刀具在150m/min以上的速度切削时，前刀面容易产生贝壳形片状剥落，这是亟待解决的重要课题。人们通常把Al2O3-TiC陶瓷刀具产生剥落的原因归结为切削力和切削温度的变化，为此在刀具形状和切削条件等方面采取了一些改进措施，收到了一定的效果。但对陶瓷材料的组织结构及TiC含量对产生剥落的影响则尚未进行过研究。笔者用不同粒度和不同TiC含量的Al2O3-TiC系陶瓷作成刀具，进行了切削性能试验。 二、试验方法以粒度0.3µm和0.8µm的Al2O3粉末及粒度0.8µm和1.5µm的TiC粉末作原料，经48小时湿式球磨粉碎后，配制成含有10～50mass%TiC的各种混合粉剂(见表1)。混合粉经干燥处理后，装填在石墨模中，在Ar气氛下以20MPa的压力热压1小时，获得50×50×6mm3的板状毛坯。热压温度如下：由0.3µm的Al2O3微细晶粒和0.8µm的TiC微细晶粒组合(F-F)时，热压温度为1723K；由0.8µmAl2O3粗颗粒和1.5µmTiC粗颗粒组合(C-C)时，热压温度为1973K；由微细晶粒Al2O3和粗颗粒TiC组合(F-C)及粗颗粒Al2O3和微细晶粒TiC组合(C-F)时，热压温度为1874K。通过粒度的组合并改变热压温度，可以抑制热压烧结时晶粒的长大，从而获得组织致密的毛坯。将板状烧结毛坯切割成3×4×35mm3的试片，分别用于金相组织的观察、抗弯强度(sm)、硬度(HV)及断裂韧性(KIC)等的测定。此外，用同样的板状毛坯制成ISO标准的SNGN120408(倒棱0.15mm×－25°)刀片，切削淬火合金工具钢(SKD11，60HRC)，藉以分析TiC含量、Al2O3与TiC粒度对剥落的影响。 三、试验结果

图1　Al2O3-30%TiC陶瓷刀具毛坯的金相组织(用热磷酸腐蚀)

图1所示为不同粒度的Al2O3-30%TiC毛坯的金相组织，其中白色部分为TiC，灰色部分为Al2O3。F-F毛坯的粒度最细，C-C毛坯的粒度最粗，与F-F相比，F-C的Al2O3、C-F的TiC粒度稍粗，这是由于热压温度较高造成的。 表1列出了各种陶瓷成分与物理机械性能的关系。由表可知，各种毛坯的HV值均随TiC含量的增加而提高，其中，含30%TiC的陶瓷材料的dm值最大。从整体上看，F-F毛坯的HV与dm值均比C-C毛坯略高；KIC值则普遍显示出随TiC含量的增加而提高的趋势；但粒度不同所产生的差异却并不明显。

图2　F-F刀具切削SKD11时的磨损曲线(v=100m/min，d=0.2mm，f=0.05mm/r，T=20min)

图3　陶瓷刀具寿命与TiC含量的关系

(a)前刀面

(b)后刀面

图4　陶瓷刀具产生剥落时形貌

被加工材料：SKD11图5　陶瓷刀具月牙洼磨损状况

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