Ti(C, N)基金属陶瓷刀具与纳米改性

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Ti(C，N)基金属陶瓷是近年来发展较快的一种刀具材料。这种刀具材料主要以Ti(C，N)为主要成分，通过冷压真空烧结而成。它不仅具有较好的综合机械性能，而且具有密度小、比陶瓷导热好、耐腐蚀、与钢的摩擦系数小等优良的物理性能。此类刀具材料的机械性能介于WC 基硬质合金刀具与陶瓷刀具之间，在加工范围上也刚好填补了两者之间的空白。 3 d3 R* c; o/ a7 }& B- X

1 Ti(C，N)基金属陶瓷性能及其适用范围

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Ti(C，N)基金属陶瓷属于硬质合金类，通常以TiC为主要成分，Ni作为粘结金属，增加Ni含量，可提高合金的强度，但会使合金的硬度降低。向Ni中添加Mo(或Mo₂C)，可改善液态金属对TiC的湿润性，使TiC晶粒变细，可提高合金的强度及硬度。Ni和Mo的总含量通常为20%～30%。

Ti(C，N)基金属陶瓷按其组成和性能不同可分为：①成分为TiC-Ni-Mo的TiC基合金；②添加其它碳化物(如WC、TaC等)和金属(如Co)的强韧TiC基合金；③添加TiN的TiC-TiN(或TiCN)基合金；④以TiN为主要成分的TiN基合金。

我们研制的是添加TiN的Ti(C，N)基金属陶瓷，其中TiN是纳米级的微粉。由于TiC比WC具有更高的硬度和耐磨性，TiN的加入可起到细化晶粒的作用，故Ti(C，N)基金属陶瓷可表现出比WC基或TiC基硬质合金更为优越的综合性能。 6 X- a3 d O& f) D- T& h9 w2 V

Ti(C，N)基金属陶瓷的性能特点如下：

1. 硬度很高 一般可达HRA91～93.5，有些可达HRA94～95，即达到非金属陶瓷刀具硬度水平。
2. 有很高的耐磨性和理想的抗月牙洼磨损能力，在高速切削钢料时磨损率极低 其耐磨性可比WC基硬质合金高3～4倍。 , f5 W+ g% x$ A1 G
3. 有较高的抗氧化能力 一般硬质合金月牙洼磨损开始产生温度为850～900℃，而Ti(C，N)基金属陶瓷为1100～1200℃，高出200～300℃。TiC氧化形成的TiO₂有润滑作用，所以氧化程度较WC基合金低约10%。 : o& ?/ F* \3 ^5 b0 x
4. 有较高的耐热性 Ti(C，N)基金属陶瓷的高温硬度、高温强度与高温耐磨性都比较好，在1100～1300℃高温下尚能进行切削。一般切削速度可比WC基硬质合金高2～3倍，可达300～400m/min，即使加工某些高硬度材料和难加工材料，切削速度也可达200m/min。
5. 化学稳定好 Ti(C，N)基金属陶瓷刀具切削时，在刀具与切屑、工件接触面上会形成Mo₂O₃，镍钼酸盐和氧化钛薄膜，它们都可以作为干润滑剂以减少摩擦。Ti(C，N)基合金与钢不易产生粘结，在700～900℃时也未发现粘结情况，即不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度值较低。Ti(C，N)基金属陶瓷在具有良好的综合性能的同时还可以节约普通硬质合金所必需的Co、Ta、W等贵重稀有金属材料。随着人类节约资源、推行“绿色工业”进程的加快，Ti(C，N)基金属陶瓷必会成为一种大有前途的工具材料。实际上，一些国家已在积极应用和推广这种刀具材料，如日本在1988年Ti(C，N)基金属陶瓷刀具已占年度硬质材料工具总量的27.3%，而且其使用量还在逐年提高。

Ti(C，N)基金属陶瓷由于具有接近非金属陶瓷的硬度和耐热性，且其抗弯强度比非金属陶瓷高，最初被用来制作高速精加工用的刀具材料，以填补WC基硬质合金与非金属陶瓷材料之间的空白。近年来，Ti(C，N)基金属陶瓷的强度得到不断提高，从700～800MPa提高到1800～2000MPa，已接近WC基合金的强度，而且其韧性也不断提高，制作成可转位刀片，发展成为一个完整的加工钢材的硬质合金系列。目前它不仅可用作精加工，而且扩大到半精加工、粗加工和间断切削，在钢的高速切削中，特别对要求表面粗糙度值较小的精加工和半精加工，Ti(C，N)是无敌手的。

Ti(C，N)基金属陶瓷还可以加工灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。 Y6 k0 q& x3 X9 `/ v

2 纳米改性Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的研制

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1. 纳米改性Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的特点
   虽然Ti(C，N)基金属陶瓷刀具硬度高、耐磨损且具有高的高温抗软化能力和抗氧化能力，但也存在抗塑性变形能力、抗崩刃性能差及韧性不好等问题，因此，长期以来对金属陶瓷刀具进行增韧一直是材料科学工作者努力的方向。近几年来出现的“纳米技术”，特别是通过纳米添加对传统材料进行改性，为金属陶瓷刀具的增韧提供了新的途径。 # o, U* r8 q6 W+ {- n
   纳米材料是指材料颗粒尺度在100nm以下，直到接近原子的尺寸(0.2～0.3nm)，这时，很多传统的物理原则将不复存在，而出现光、电、磁、化学、机械性能的奇异变化，构成了一个全新的“介观物理”领域。纳米材料被人们誉为“21世纪最有前途的材料”，而其中通过纳米粉体对现有的硬质合金进行改性是当前国内外材料科学研究的一个热点，经纳米改性的金属陶瓷材料具有以下特点：

   1. 材料的硬度和强度提高 根据Hall-Petch关系式，材料的屈服应力(或硬度)与晶粒尺寸的关系为

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   式中，s为0.2%屈服应力；s_a为移动单个位错所需克服的点阵摩擦力；K_H为常数；d为平均晶粒直径；n为晶粒尺寸指数，通常为-1/2。 " ?6 t) c& Q: Z9 X0 m% \
   按照Hall-Petch关系式，由于晶粒尺寸的减小，纳米结构材料的强度或硬度应该提高。
   材料导热性能的改善 实验证明，纳米改性的金属陶瓷比没有改性的金属陶瓷材料的导热系数要大。材料的热导性提高，为充分发挥金属陶瓷刀具的切削性能提供了条件。 " K) W0 T! x. K6 u Q
   使材料的烧结温度降低 由于在纳米结构材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径，因此，纳米结构材料具有较高的扩散率。增强的扩散能力使经纳米改性的陶瓷材料的烧结温度降低。如英国学者把纳米氧化铝与二氧化锆进行混合，获得的高韧性的陶瓷材料，其烧结温度降低了100℃。这样使材料的制备成本得以降低。

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   综上所述，由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道等效应，使得经纳米改性的陶瓷材料具有优良的综合性能。
2. 材料制备 9 W9 i0 \% `; Q% ?" ?
   我们根据上述纳米材料的特性，在以TiC-Ni-Mo为主要成分的金属陶瓷基础上添加了纳米级的TiN，制备了经纳米改性的新型Ti(C，N)基金属陶瓷。其主要制造流程见图1。

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图1 材料制备流程

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1. 刀具切削试验
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   1. 试验条件
      1. 试验刀片 均为机夹可转位刀片，有正方形与三角形2种，刀片材料分别为Ti(C，N)基金属陶瓷(未加纳米材料)；纳米改性的Ti(C，N)基金属陶瓷；YT15和YG8。 ' a; d' V/ M4 l5 O* Y( ~' a1 _7 g
      2. 试验机床 CA6140 " c, G* p, O, P" |0 G
      3. 工件材料 45钢棒料，抗拉强度400～500MPa；45钢，经淬火热处理，硬度为HRC55，抗拉强度500～700MPa；不锈钢(1Cr18Ni9Ti)。
      4. 测量仪器 测量显微镜X30、卡尺、秒表等。 $ o8 h* Y. e" [) P1 z3 w
      5. 试验目的 进行上述刀片材料切削性能的对比试验。 K4 S* p0 w+ {
      6. 试验指标 观察、记录刀具磨损形态和刀具后刀面磨损量及相对应的切削时间。
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   2. 连续车削45钢棒料
      刀具几何参数如下：三角刀片，主偏角k_r=90°，前角g₀=7°，后角a₀=8°，无倒棱。切削参数如下：切削速度v=200m/min，切削深度a_p=0.5mm，f=0.09mm/r。 4 \) P7 c; a3 _4 b, `! Z8 ?
      由图2可知，在此切削条件下，纳米改性刀具比未加纳米材料刀具的耐用度提高了1倍，比YT15提高2倍以上。
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      图2 加工45钢时各刀具后刀面的磨损曲线

      图3 加工淬火钢时各刀具后刀面的磨损曲线

      图4加工不锈钢时各刀具后刀面的磨损曲线

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   3. 连续切削淬火钢(45钢，HRC=48～53)
      刀具几何参数如下：四方刀片，k_r=45°，g₀=5°，a₀=7°，刃倾角l_s=-5°，倒棱bγ1=0.2。切削参数如下：v=30m/min，a_p=0.5mm，f=0.1mm/r。由于此工件材料为淬过火的45钢，硬度高，所以能进行正常切削的切削速度比45钢(未淬火)的要低。试验证明，当v=30mm/min时，对纳米改性的金属陶瓷刀具较合适。从图3可以看出，在此切削条件下，纳米改性金属陶瓷刀具的使用寿命明显比其它刀具的使用寿命高，比未加纳米材料刀具高2～3倍，比YT15高4倍以上，显示出其良好的切削性能。由于工件硬度高，切削试验时，刀具的失效形式多为崩刃。
   4. 加工不锈钢
      刀具几何参数如下：三角刀片，k_r=90°，g₀=8°，a₀=6°，切削参数如下：v=60m/min，a_p=0.4mm，f=0.1mm/r。 6 B3 @) _/ ~5 G6 z. o
      试验结果见图4。不锈钢因其材料的导热性差，韧性好，加工中属难加工材料，常用YG类刀具进行加工。而纳米改性的金属陶瓷刀具材料，因其自身导热性能的改善，硬度的提高，在精加工不锈钢材料时，其刀具的使用寿命比YG8提高了2倍。

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3 主要结论

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1. 通过对3种不同工件材料的切削性能试验比较得知，所研制的纳米改性金属陶瓷刀具适合加工钢等塑性金属材料，因其具有良好的耐磨性及高温切削性能，特别适合于在高速精加工及半精加工中使用。由于纳米改性刀具表现出较好的导热性能，因此这类刀具在加工如不锈钢这类导热性差、韧性好的难加工工件材料时，也表现出很好的切削性能。 3 e" q2 o8 l* l3 k$ i
2. 淬过火的零件由于硬度高，一般采用磨削进行加工，本次试验用研制的纳米改性金属陶瓷刀具来进行车削，取得了初步成功，为以车代磨奠定了基础。
3. 在上述切削试验中，纳米改性的刀具均比未改性的刀具切削性能好，因此，用纳米技术来对金属陶瓷进行增韧不失为一种切实可行的方法。同时在试验中，我们发现纳米改性刀具容易刃磨，比YG8及YT15刃磨性能都要好，这为这类刀具的制造创造了条件。 * Y( s# |5 l, n. ^5 E
4. 所研制的刀具材料在高速切削时表现出良好的切削性能，因此纳米改性的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具不失为一种理想的用于高速切削加工的刀具，而且随着此类刀具的强韧性的不断提高，它的使用范围会不断扩大。在纳米改性的金属陶瓷刀具的制备中，由于纳米粉的添加量占整个材料成分的比例较小(约占4%左右)，因此使刀具的成本提高不大，而由于其切削性能的大幅提高，其性能价格比和未加纳米材料的金属陶瓷刀具相比还是高的，因此具有较好的市场前景。