陶瓷刀具材料與木質復合材料的摩擦特性分析1)

郭曉磊 劉會楠 曹平祥 郭 勇 藤 雨

(南京林業大學，南京，210037)

陶瓷材料具有極其優異的耐熱性、耐磨性、化學穩定性以及高硬度，已經廣泛應用于金屬切削加工領域［1］。常見的陶瓷基材料有 Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷等［2-5］，但這些陶瓷材料在木工刀具方面鮮有應用［6］。隨著陶瓷材料的不斷發展，近年來出現了亞微米級的陶瓷材料［7-10］。這使我們看到了將陶瓷材料應用于木工刀具制造的前景和希望。木工刀具刃口圓弧半徑較小，一般應小于5μm，而亞微米級陶瓷材料的晶粒可達到微米級以下，這就滿足了制造木工刀具刃口的要求，并且增強了刃口強度［10］。此外，陶瓷材料晶粒的細化也降低陶瓷材料的空隙率，改善了作為木工刀具材料硬度、抗彎強度及斷裂韌性。

在木材切削加工過程中，由于刀具對切屑和加工表面的正壓力作用，使切屑與刀具的前刀面以及工件的加工表面與刀具的后刀面之間產生較大的摩擦力，所產生的摩擦力直接影響切削過程中的切屑變形、切削力、切削溫度、刀具磨損等的大小［11-12］。因此對刀具材料與工件材料摩擦特性的研究，有助于進一步分析研究刀具切削工件的各種物理現象。

本研究的目的是，通過試驗測試Al2O3基陶瓷材料、添加ZrO2的Al2O3基陶瓷、Si3N4基陶瓷材料及硬質合金材料與木質復合材料之間的摩擦系數，分析研究不同陶瓷刀具材料與不同木質復合材料之間的摩擦特性。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗刀具材料選用南京颶風公司生產的硬質合金、Al2O3基陶瓷、添加ZrO2的Al2O3基陶瓷、Si3N4基陶瓷等4種刀具材料，其物理力學性能如表1所示。試驗用木質復合材料為中密度纖維板(MDF)、刨花板(PB)、木粉/PE復合材料等3種材料。

1.2 方法

本實驗在合肥工業大學摩擦實驗室M-200型摩擦磨損試驗機上進行。刀具材料試樣(上試樣)尺寸為20 mm×5 mm×5 mm，木質材料試樣(下試樣)尺寸是外徑為40 mm、厚度為10 mm、內徑為20mm。實驗原理如圖1所示，上試樣為刀具材料，下試樣為工件材料，上試樣與下試樣在壓力FN的作用下產生摩擦力F。

表1 刀具材料參數

圖1 摩擦系數測試示意圖

根據庫侖摩擦定律：

式中：F為摩擦力;μ為摩擦系數;FN為正壓力。

同時摩擦力F對下試樣產生一扭矩M。即：

式中：r為下試樣的半徑。所以有：

通過測試扭矩M計算摩擦系數μ。同樣試驗進行5組，取平均值。

2 結果與分析

2.1 不同陶瓷刀具材料與MDF材料的摩擦特性

將不同刀具材料與MDF材料進行摩擦試驗，其結果如表2所示。可以看出，4種刀具材料與MDF的摩擦系數大小順序為硬質合金＞Al2O3基陶瓷＞添加ZrO2的Al2O3基陶瓷＞Si3N4基陶瓷，這是由于Si3N4基陶瓷的晶粒要比Al2O3基陶瓷的密實許多，其與MDF的摩擦系數也要明顯比Al2O3基陶瓷材料的小。因此可以認為，材料晶粒的大小對摩擦性能有一定的影響作用。在不同刀具材料與MDF的摩擦副中，隨著正壓力增大，摩擦系數并沒有明顯變化。這也說明，正壓力對刀具材料與MDF摩擦系數的影響并不十分明顯。添加ZrO2的Al2O3基陶瓷材料摩擦系數要低于未添加ZrO2的Al2O3陶瓷材料，說明Al2O3陶瓷材料添加ZrO2后有助于提高Al2O3陶瓷材料的耐磨性能。

表2 刀具材料與MDF材料的摩擦系數

2.2 不同刀具材料與PB材料的摩擦特性

采用不同刀具材料與刨花板(PB)進行摩擦試驗，其試驗結果如表3所示。與不同刀具材料與MDF摩擦試驗結果相似，隨著正壓力從25 N增大到100 N，在不同刀具材料與PB的摩擦副中，摩擦系數并沒有明顯變化。對比表2與表3可以發現，幾種刀具材料與PB材料的摩擦系數并沒有表現出明顯的不同，不像與MDF材料的摩擦特性。這可能是由于PB材料成分中刨花大小差異較大，形態不規整，且存在較多空隙，而纖維板中的成分纖維尺寸差異不大，基本一致，形狀也比較規整。

表3 刀具材料與PB材料的摩擦系數

2.3 不同刀具材料與木粉/PE復合材的摩擦特性

采用不同刀具材料與木粉/PE復合材料進行摩擦試驗，其結果如表4所示。可見，在正壓力為25～100 N的變化范圍里，不同刀具材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數的范圍區間在0.15～0.45，其摩擦系數范圍較大。與木粉/PE復合材料摩擦實驗中，4種刀具材料的摩擦系數曲線的區別比較明顯，這與木粉/PE復合材料本身材料比較均勻的特性有關系。

表4 刀具材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數

由表4的趨勢可以看出，在正壓力為50 N以下時，4種刀具材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數大小為硬質合金＞Al2O3基陶瓷＞添加ZrO2的Al2O3基陶瓷＞Si3N4基陶瓷;這是由于Si3N4基陶瓷得的晶粒要比Al2O3基陶瓷的細密許多，所以其與木粉/PE復合材料的摩擦系數也要明顯比Al2O3基陶瓷材料的小，摩擦性能要好些。因此，材料晶粒的大小對摩擦性能有一定的影響作用。

隨著正壓力的增大，所有陶瓷刀具材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數會逐步增大，Si3N4基陶瓷材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數隨正壓力的增大而略微增大;而Al2O3基陶瓷材料與木粉/PE復合材料的摩擦系數隨正壓力的增大而快速增大。這是由于本試驗所用木粉/PE復合材料中PE含量較高，造成木粉/PE復合性能比較接近于塑料(PE)。在摩擦實驗過程中，刀具材料與木粉/PE復合材料不停地摩擦，會產生摩擦熱;而Al2O3基陶瓷刀具材料的導熱系數約為硬質合金材料的1/2，熱量并沒有很快地被刀具材料傳遞走，而使木粉/PE復合材料受熱發生軟化。隨著正壓力的增大，木粉/PE復合材料軟化加劇，并且會黏附在刀具材料表面，造成摩擦力明顯增大。

在正壓力小于70 N時，硬質合金材料與木粉/PE復合材料摩擦系數最大，并且隨著正壓力的增大，摩擦系數并沒有明顯增大。這是由于硬質合金刀具材料具有比陶瓷更高的導熱系數，在摩擦過程中，產生的熱量大部分被硬質合金刀具材料帶走，并沒有充分軟化木粉/PE復合材料，因此并沒有造成黏結現象。因此，用于木粉/PE復合材料的切削刀具材料，必須具有較好的導熱系數及抗黏結性能。

2.4 磨損前、后粗糙度的變化率

刀具材料在與木質復合材料摩擦實驗后，其接觸部分會受到一些磨損，其粗糙度會發生變化。為了判斷木工刀具在切削加工木材以后刀具材料的磨損的情況，本實驗通過測量摩擦實驗前后兩次刀具材料表面粗糙度的變化情況，來比較4種刀具材料的耐磨性能。以不同刀具材料與MDF材料摩擦實驗前后刀具材料表面粗糙度的變化率為例，通過測量其實驗前后表面粗糙度的值，可以得到刀具材料表面粗糙度變化率，如表5所示。其中Ra為在取樣長度內，輪廓偏距絕對值的算術平均值;Ry為在取樣長度內最大的輪廓峰高的平均值與5個最大的輪廓谷深的平均值之和;Rz為在取樣長度內，輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離。

可知，硬質合金表面粗糙度的各項粗糙度指標的變化情況最為嚴重，其次是Al2O3基陶瓷，再次是Si3N4基陶瓷，最后才是添加ZrO2的Al2O3基陶瓷。這個結論與觀察到的刀具材料表面的磨痕情況也是一致的。出現這種現象的原因在于刀具材料與MDF材料摩擦試驗過程中，刀具材料的磨損不僅是磨料磨損，還同時存在著腐蝕磨損等，添加有ZrO2的Al2O3基陶瓷中，因ZrO2添加劑具有抑制腐蝕作用的效果，故而使得添加ZrO2的Al2O3基陶瓷。

表5 陶瓷刀具材料磨損表面粗糙度變化率

3 結論

對于MDF、PB材料而言，陶瓷刀具材料的摩擦特性都明顯優于硬質合金，添加改性劑 ZrO2的Al2O3基陶瓷材料摩擦性能優于未添加 ZrO2的Al2O3基陶瓷材料，而Si3N4基陶瓷的摩擦性能更是比Al2O3基陶瓷的好。

刀具材料與木質復合材料摩擦過程中，正壓力對摩擦力的影響并不十分明顯。

刀具材料種類對MDF摩擦系數的影響顯著，而對PB摩擦系數的影響不顯著;硬質合金材料與木粉/PE復合材料摩擦性能較陶瓷材料穩定。

添加ZrO2的Al2O3基陶瓷材料摩擦試驗前后，磨損量最小，添加ZrO2有助于抑制腐蝕磨損。

隨著人們對陶瓷材料研究的深入，陶瓷材料的成本將大幅度降低，這意味著陶瓷刀具材料必將逐步應用于木工刀具的制造，為木材切削加工行業的發展起到推動作用。

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