陶瓷刀具切削加工时的磨损与润滑

作者：山东大学 邓建新 艾兴

欢迎访问e展厅 展厅 1 车刀/镗刀展厅 车刀, 槽刀, 切断刀, 倒角刀, 镗刀, ... 1．引言 陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高温力学性能优良、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点，可广泛应用于难加工材料切削、超高速切削、高速干切削和硬切削等。陶瓷刀具的最佳切削速度比硬质合金刀具高3～10倍，可大幅度提高切削加工生产率。近三十年来，由于在陶瓷刀具制造工艺中实现了对原料纯度和晶粒尺寸的有效控制，开发了各种碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶须或少量金属的添加技术，以及采用多种增韧补强机制等，使陶瓷刀具的强度、韧性、抗冲击性能等都有了较大提高。但陶瓷刀具并不是万能的。陶瓷刀具在切削加工过程中要承受高温、高压作用，不可避免地要受到不同程度的磨损或破损。已有的研究表明，每一种陶瓷刀具都有其特定的加工范围，不同的陶瓷刀具（或同种陶瓷刀具）在加工不同工件材料时其磨损形态和刀具寿命会有很大不同，因此存在陶瓷刀具与切削对象的最佳匹配问题。对于这方面的研究国内外已有一些文献报道，但因实验条件和研究方法各异，不同研究者的实验结果和研究结论也存在差异。 本文在作者已有的研究基础上，参考国内外的相关文献报道，对陶瓷刀具切削加工时的磨损、润滑以及陶瓷刀具与加工对象的最佳匹配问题进行了综合评述，以期对新型陶瓷刀具材料的研制与开发、实际加工中陶瓷刀具的选用与磨损控制等起到一定的指导和参考作用。 2．陶瓷刀具切削加工时的磨损机理 在陶瓷刀具切削加工过程中，始终存在两个摩擦副，即前刀面与切屑间的摩擦副和后刀面与工件间的摩擦副。其中，前者影响刀具前刀面的磨损，后者影响刀具后刀面的磨损和已加工表面质量，前、后刀面的磨损均影响刀具寿命。陶瓷刀具主要用于高速切削场合，切削温度常可高达800～1000℃（甚至更高），切削压力也很大。因此，陶瓷刀具的磨损是机械磨损与化学磨损综合作用的结果，其磨损机制主要包括磨料磨损、粘结磨损、化学反应、扩散磨损、氧化磨损等。已有的研究表明，陶瓷刀具的磨损与切削条件密切相关。不同的陶瓷刀具材料在不同切削条件下加工不同的工件材料时，占主导地位的磨损机制可能有所不同。如在低速切削时，由于切削温度较低，其磨损机理往往表现为磨粒磨损；而在高速切削时，则以高温引起的粘着磨损、化学反应、氧化磨损和扩散磨损为主。 作者的研究表明：Al2O3基陶瓷刀具在连续切削钢件时，其磨损机理主要为伴有微崩刃的磨料磨损和粘结磨损，而在切削铸铁时主要为磨料磨损。Wayne 和Brandt 等人通过研究用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718材料得出结论：在低速切削条件下，磨料磨损和粘结磨损为陶瓷刀具的主要磨损机制；而在高速切削条件下，粘结磨损、化学反应和扩散磨损为陶瓷刀具的主要磨损机制。由于Inconel 718材料高温强度高，塑性变形大，加工硬化严重，切削力和切削温度均很高。当切削温度小于900℃时，刀具前刀面以粘结磨损为主；当温度达到1200℃时，Ni就开始向刀具中心扩散。由于Ni的扩散，一方面使刀具材料表面硬度下降，性能降低；另一方面使刀具与工件的亲和性增加，粘结磨损增大。因此，用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718时必须使用切削液（含氯化石蜡的切削液效果更好）。 Casto等人通过研究用Al2O3/ZrO2陶瓷刀具加工AISI 1040材料得出结论：刀具的磨损机理主要表现为粘结磨损和磨料磨损，而用Si3N4陶瓷刀具加工AISI 1040钢时，刀具表面存在严重的化学反应。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI 4337钢时，前刀面和后刀面的磨损机理不同。化学反应及塑性变形是前刀面磨损的主要原因，后刀面的磨损机理则是陶瓷颗粒间发生断裂，导致陶瓷颗粒脱落所致。Brandt发现了Al2O3基陶瓷刀具切削时表层的塑性变形现象，并认为这是由于Al2O3与FeO（钢表面氧化产物）或MgO（陶瓷添加剂）反应形成了尖晶石结构，或者是Al2O3与SiO2、CaO作用形成了低熔点、低硬度的化合物。作者的研究表明：Al2O3/TiB2陶瓷刀具在加工高强钢和淬硬钢时具有较好的耐磨性，随着TiB2含量的增加，刀具的耐磨性能增强。 对于晶须增韧陶瓷刀具，由于晶须在热压过程中定向分布于垂直热压轴平面，造成晶须在不同表面上的分布差异，因此晶须增韧陶瓷刀具的耐磨性能与晶须的取向有关，θ=0°表面的耐磨性能最差，而θ=90°表面的耐磨性能最好。当刀具以后刀面磨损为主时，应选择θ=90°表面作为刀具后刀面；当刀具以前刀面磨损为主时，则应选择θ=90°表面作为刀具前刀面。当刀具前、后刀面同时存在较大磨损时，应选择θ=45°表面作为刀具的前（后）刀面，以提高刀具的抗磨损能力。 Si3N4基陶瓷自七十年代后期开始作为刀具材料使用，目前已在铸铁和镍基合金的切削加工中得到广泛应用。Si3N4基陶瓷刀具在高速切削铸铁时主要发生磨料磨损，而在高速切削碳钢时主要发生化学磨损。化学磨损本身在陶瓷刀具的总磨损量中所占比例一般并不大，但化学作用可使机械磨损的程度大大加剧，如化学溶解及扩散作用会引起陶瓷表面强度减弱，加剧刀具与工件间的粘结，从而导致严重的粘结磨损和微观断裂磨损。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI 1045钢时，其磨损率比切削灰铸铁时高出两个数量级；切削铸铁时工件与刀具之间的Fe、Si等元素的相互扩散作用比切削钢时小得多。切削钢时，Si3N4陶瓷刀具的磨损主要与刀具和工件间的化学作用有关，由于Si3N4颗粒的化学溶解及不断被从玻璃相中拔除，Si3N4陶瓷刀具表现出很高的磨损率。Si3N4陶瓷刀具切削钢时的高磨损率主要归因于以下两种因素：①Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2层不断被磨去；②SiO2与工件表面的FeO形成低熔点共晶混合物。有人对Sialon陶瓷刀具与铁基合金间的化学作用进行过专门研究，结果表明：在高温下β′-Sialon 颗粒与铁基合金发生化学反应，硅和氮在铁基合金中发生溶解和扩散。钢中的合金元素对Sialon与钢之间的反应活性有一定影响，镍、硅、碳、磷等元素可降低反应活性，而铬、钼、钛、钒等元素则会增大反应活性。 虽然陶瓷刀具的磨损与切削条件密切相关，但决定陶瓷刀具磨损特性的主要因素仍是陶瓷材料的组分和微观结构。陶瓷刀具磨损的基本现象是材料的断裂及转移，因此裂纹的形成与扩展将对磨损产生重要影响。陶瓷刀具材料多为复相陶瓷，在晶界处存在玻璃相、气孔、杂质等，且各相之间存在热胀失配和弹性模量的差别。晶界气孔的存在会导致应力集中，气孔作为裂纹源将诱导晶界裂纹，并且由于气孔主要在晶界上产生，裂纹扩展至气孔时与气孔连接，从而加速了裂纹的扩展。Rice等人的研究表明：气孔率的增加使陶瓷刀具的耐磨性能大大降低，弹性模量与热胀失配所产生的过大残余应力会导致材料在未受外载时就产生开裂。由于多晶陶瓷所加的添加剂在烧结过程中主要以玻璃相形式存在于晶界上，在高速切削产生的高温条件下，玻璃相粘度降低而发生塑性流动，导致晶界滑移，并在晶界交界处产生应力集中现象。如果应力集中使得相邻晶粒完全塑性变形，则会使应力松弛，如果不能与邻近晶界变形相适应，则应力集中将使晶界处产生裂纹。裂纹成核后，随着晶界滑移程度的不断增加，将会引起裂纹产生。陶瓷刀具材料晶体中的大量位错为裂纹成核提供了另一种方式，随着磨损过程的不断进行，位错不断增殖，在晶界处就会形成更多因位错而产生的微裂纹，这些裂纹相接就会形成连续裂纹，从而导致陶瓷刀具耐磨性能下降。 3．陶瓷刀具切削加工时的润滑 对于陶瓷刀具在切削加工中是否需要润滑目前看法尚不统一。有些学者认为，陶瓷刀具具有高硬度、高熔点、耐高温等特点，且抗热震性较差，对热应力很敏感，不适当的冷却作用会使刀具产生热裂纹而发生破损，因此陶瓷刀具切削加工时不需冷却和润滑即可满足使用要求。但也有不少研究者认为，陶瓷刀具在加工某些难加工材料时（如用晶须增韧陶瓷刀具加工镍基高温合金），必须充分使用切削液（含氯化石蜡的切削液效果更好）。采用适当的冷却和润滑对减小陶瓷刀具磨损、延长其使用寿命十分有益。 Tonshoff等人研究了Al2O3/TiC陶瓷刀具车削淬硬钢时润滑剂的作用，切削试验分别在干切削和不同润滑剂润滑条件下进行。结果表明：刀具的磨损、已加工表面质量以及切屑的形成均受到润滑剂的影响。与干切削相比，采用润滑剂的刀具寿命延长，工件已加工表面质量显著提高。这主要是因为润滑剂中的极压添加剂在切削条件下与工件表面发生摩擦化学反应而形成了化学吸附膜。通过对润滑切削条件下的工件表面进行成分分析，发现了含FeS和FePO4等成分的极压润滑膜，正是这种极压润滑膜降低了切削摩擦力，抑制了粘结的发生，从而减小了刀具磨损。 Cheryl对Si3N4 / TiC 陶瓷材料在900℃高温下的摩擦磨损试验研究表明：Si3N4和TiC在高温下发生氧化，在摩擦表面生成含Si和Ti的氧化物保护膜，可显著降低摩擦系数，并有利于提高材料的耐磨性能。用Si3N4基和Al2O3基陶瓷刀具进行镍基合金的切削试验发现，干切削条件下刀具失效的主要原因是严重的前刀面磨损及切屑在刀具上的粘结，而使用切削润滑剂改善了刀具的切削性能，提高了切削效率和加工件的表面质量。有人曾对多种润滑剂、添加剂对陶瓷—金属摩擦副的润滑作用进行了研究，发现油基切削液比水基切削液更为有效。如使用含二烷基二硫化磷酸锌（ZDDP）的润滑油进行润滑，Si3N4陶瓷刀具切削45钢时的磨损率与干切削相比可减小两个数量级，切削不锈钢时的磨损率比干切削时可减小一个数量级。表面分析发现，Si3N4及工件的磨损表面上有ZnO、FeS、FePO4等摩擦化学反应产物生成。 作者曾对Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬钢进行了试验研究，结果表明：该陶瓷刀具高速干切削时具有自润滑功能。当切削速度较低时，切削温度也较低，刀具的磨损机制主要表现为磨料磨损与粘结磨损；当切削速度很高时，刀具表面平均切削温度较高，实际瞬时最高温度大于平均温度，切削后刀具磨损区的XRD谱图中出现了TiO2衍射峰，这表明TiB2在切削高温的作用下发生了氧化。TiB2的氧化物TiO2能在切屑与刀具前刀面之间起到固体润滑剂的作用，进而可减小切削力和前刀面的平均摩擦系数μ，并能减轻刀具的粘结磨损，提高刀具的耐磨性能。 4．陶瓷刀具与加工对象的匹配 每一种陶瓷刀具都有其特定的加工范围，不同的陶瓷刀具（或同种陶瓷刀具）在加工不同工件材料时其磨损形态和刀具寿命有很大差别。因此，每一种陶瓷刀具都有其最佳加工对象，即存在陶瓷刀具与加工对象的最佳匹配问题。 Al2O3基陶瓷刀具中含有铝元素，因此Al2O3基陶瓷刀具在加工铝及铝合金时存在较大亲和力，刀具会产生较大的粘结磨损和扩散磨损。Al2O3/TiC和Al2O3（/W，Ti）C等陶瓷刀具中含有铝及钛元素，用此类陶瓷刀具加工钛及钛合金、铝及铝合金时也存在较大亲和力，因此它们都不适合加工铝、钛及其合金。纯铁与Al2O3刀具之间的粘结倾向比钢和铸铁更大，纯Al2O3陶瓷刀具在切削纯铁时约在500℃就开始粘结，与其它超硬刀具（如金刚石、立方氮化硼刀具）相比，Al2O3刀具与铁之间的扩散作用最小。 SiC颗粒或SiC晶须增韧的Al2O3刀具在加工镍基合金时表现出优良的切削性能，但在加工钢时，因Fe容易与SiC发生反应而使刀具材料急剧磨损。用含有SiC的陶瓷刀具加工淬硬钢时，在切削高温作用下，SiC很容易与工件中的Fe产生化学反应，反应式为 4Fe+SiC→FeSi+Fe3C 切削速度越高，切削温度也随之升高，会进一步加剧Fe与SiC的反应速度。SiC晶须与Fe反应后使晶须原有的硬度和耐磨性能降低，晶须与基体的结合强度削弱，因而晶须在磨粒作用下容易脱落，从而减弱晶须的增韧作用。此外，陶瓷刀具在高温下还会产生溶解磨损，表1为陶瓷刀具材料各组分与Fe在1323℃温度时的溶解度。由表可见，Al2O3和ZrO2在Fe中的溶解度最小，溶解度由大到小的顺序为：SiC→TiN→TiC→Al2O3→ZrO2。在高温下SiC在Fe中的溶解度比TiC和TiN的溶解度高两个数量级以上。由于Fe与SiC晶须的化学反应及相互溶解，使刀具材料中Fe元素含量增加，进一步增大了刀具与工件的粘着倾向，因此对刀具的耐磨性能不利。因此，含有SiC颗粒或SiC晶须的陶瓷刀具不适合加工钢件。 表1 陶瓷刀具材料组分1323℃时在Fe 中的溶解度 材料组分－溶解度（mol%） ZrO2－3.6×10-8 Al2O3－5.6×10-7 TiC－1.0×10-3 TiN－1.9×10-3 SiC－6.4×10-1 Al2O3/ZrO2陶瓷刀具中的材料组分Al2O3和ZrO2在高温下的化学稳定性好，且与Fe的溶解度很小，不易向工件材料中扩散及溶解，因此Al2O3/ZrO2具有较好耐磨性能。由于Al2O3/ZrO2陶瓷刀具在高温（1170℃以上）下ZrO2的增韧效果会显著减小，所以Al2O3/ZrO2陶瓷刀具不适合温度较高的高速或超高速切削，只适合在较低切削速度范围内进行切削加工，Si3N4基陶瓷刀具适于高速切削铸铁，加工镍基合金也能取得满意结果，但切削奥氏体不锈钢时则磨损严重。由于Si3N4和Fe 之间存在较大亲和力以及Si和Fe之间的相互扩散，高速切削产生的高温会大大加剧Si3N4与这类工件间的化学作用及元素扩散，加剧Si3N4刀具的磨损，所以Si3N4刀具也不适合高速切削纯铁和碳钢等材料。总的来说，Al2O3基陶瓷刀具具有良好的耐磨损性能及耐高温性能（均高于Si3N4基陶瓷刀具），且其高温化学稳定性很好，不易与铁元素发生相互扩散或化学反应，因而Al2O3基陶瓷刀具的应用范围最广，适于高速切削钢、铸铁及其合金；Si3N4基陶瓷刀具的断裂韧性和抗热裂性高于Al2O3基陶瓷刀具，适于断续加工铸铁及铸铁合金；ZrO2增韧陶瓷刀具室温韧性较高，适于断续切削，但不适合温度较高的高速或超高速切削；添加SiC的陶瓷刀具最适合加工镍基高温合金、纯镍和高镍合金等，但不适于加工钢和铸铁。 5．结语 综上所述，不同种类的陶瓷刀具（或同种类刀具）加工不同工件时，其磨损形态不同。冷却与润滑对陶瓷刀具的磨损和刀具寿命会产生很大影响，采用适当的冷却和润滑对减小陶瓷刀具磨损、延长使用寿命十分有益。 在实际应用中，每一种陶瓷刀具都有其特定的加工范围，陶瓷刀具与其加工对象之间存在最佳匹配问题，应根据所加工的工件材料选择合适的刀具材料，并根据刀具材料中是否含有高温下易与工件材料发生扩散及化学作用的组分来确定最佳切削用量。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/1/2006)