金屬陶瓷刀具切削淬火鋼的磨損機(jī)理探討

摘要：使用納米陶瓷基復(fù)合材料制成的刀片來進(jìn)行淬火鋼單因素的試驗(yàn)，并且在試驗(yàn)過后使用SEM、EPMA來對刀片進(jìn)行探究。經(jīng)過試驗(yàn)表面，納米復(fù)合基金屬鋼刀片具有較高的耐磨性與切削能力，其主要的切削模式是在壓力下形成的擠壓變形與粘附磨損，同時(shí)具有一定的氧化磨損與質(zhì)變磨損。

關(guān)鍵詞：金屬陶瓷刀具；切削淬火鋼；磨損機(jī)理；單元素；切削實(shí)驗(yàn) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG714 文章編號：1009-2374（2015）05-0083-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0373

金屬陶瓷作為一種在刀具生產(chǎn)當(dāng)中廣泛運(yùn)用的材料，經(jīng)常用于鑄鐵與鋼材的加工。不僅如此，金屬陶瓷還經(jīng)常用于干切削，刀削面的溫度通常較高，當(dāng)中的強(qiáng)度與硬度必須有相應(yīng)的平衡。目前陶瓷金屬摩擦損傷的研究在摩擦領(lǐng)域當(dāng)中是重點(diǎn)研究的課題之一。淬火鋼在金屬切削的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，硬度與強(qiáng)度均是9A級，屬于比較難切削的材料之一，對陶瓷金屬進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)的研究，可以讓陶瓷金屬的實(shí)用價(jià)值提高。本文當(dāng)中使用的真空加工形成的陶瓷金屬刀片，對其進(jìn)行了單元素的切削實(shí)驗(yàn)，并對其中的問題作出闡述，從而找出解決的辦法。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所使用刀具的材料為Tinc-Tin-MO2系金屬陶瓷，主要的成分為Tic粉與Tnc納米結(jié)合物，使用常見的真空燒制工藝，然后再將刀片放入到打磨機(jī)床當(dāng)中進(jìn)行加工，最終形成刀片。

切削實(shí)驗(yàn)是在C012sxs號機(jī)床上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)刀片的型號為SUNM5122，刀片的安裝角度為d=45°，y=0°，a=6°，r=-6°。采用多重切削的方式。檢測實(shí)驗(yàn)過后刀片的磨損值。被切削材料的淬火鋼硬度為56與66HRC之間。

使用Jda-5700lc觀察鏡觀察刀片磨損后的表面形態(tài)，同時(shí)使用Naosh-694A能譜儀對刀片表面進(jìn)行全方面的分析，最后將刀具放入到Ksoini648電子定點(diǎn)儀當(dāng)中，對刀具面與點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，工作的電壓不能超過16kV。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的數(shù)據(jù)來看，具有納米復(fù)合金屬的刀具在初期階段的磨損規(guī)律是相同的，隨著時(shí)間的延長，刀具的磨損率會漸漸加大，從正常磨損階段轉(zhuǎn)換為疲勞磨損。另外，當(dāng)磨損速度加快的時(shí)候，刀具的耐磨度會大打折扣，最后總讓刀具的表面失效。隨著進(jìn)量的加大，刀具的耐磨度比實(shí)驗(yàn)初期的耐磨度有所降低，當(dāng)S=0.26mm/r情況下，刀具磨損表面會產(chǎn)生明顯的初期磨損現(xiàn)象，當(dāng)S=0.53mm/r時(shí)，刀具表面的曲線會呈現(xiàn)一線型曲線，這個(gè)時(shí)候刀具表面就開始進(jìn)入了疲勞磨損期。當(dāng)?shù)毒咔邢鞫仍黾訒r(shí)，刀具表面不會出現(xiàn)明顯的初期磨損現(xiàn)象，但是刀具的耐久度會快速下降。

通用合金刀片YT15與TN20的切削性能的對比圖。從對比圖當(dāng)中我們可以很清楚地看到，切削實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的淬火鋼金屬陶瓷刀片NM在切削性與耐磨性方面有很好的效果。當(dāng)切削時(shí)間到達(dá)122min時(shí)，金屬陶瓷刀片最佳的磨損值為0.2，可以明確看出對比刀片的磨損值較低。YT15的耐久度為17min，TN20的耐久度為9min，當(dāng)YT的磨損值達(dá)到臨界點(diǎn)過后，最終成為崩刃，因此這就說明了納米復(fù)合金屬陶瓷刀片在淬火鋼方面有良好的表現(xiàn)。

2.2 SEM技術(shù)與EPMA技術(shù)的分析

為了對納米金屬陶瓷刀具的切削性能進(jìn)行探究，使用SEM與EPMA技術(shù)對刀具材質(zhì)的本身進(jìn)行了詳細(xì)的分析。當(dāng)實(shí)驗(yàn)切削用量為V=32m/min，f=0.22mm/r，a=1mm的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)刀具的前面與后面均會出現(xiàn)SEM磨損類型，刀尖處處于高度SEM形貌。作者從實(shí)驗(yàn)得知，納米復(fù)合金屬陶瓷刀片淬火實(shí)驗(yàn)蛀牙的磨損部位是刀尖處，在刀面向的磨損會過渡失效，并且受到磨損的刀面會呈現(xiàn)凹凸?fàn)?，刀尖處受到擠壓變形的痕跡很明顯，距離刀口189pm的地方出現(xiàn)了一到裂紋。從這里我們可以知道，納米復(fù)合金屬陶瓷刀具在受到擠壓變形后會嚴(yán)重

失效。

Ti、Mo、W、Ni這四種元素是刀具表面磨損過大時(shí)才會生產(chǎn)的元素，裂痕與刀面的受損面積保持一致，為刀具的碳合金元素。在裂紋集聚區(qū)當(dāng)中仍然可以檢測到Fe、Mn金屬元素的分布，那么就可以斷定Fn、Mn金屬元素在接受淬火實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生了裂變，一個(gè)整體的元素模塊向刀具周圍散開，在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中發(fā)生了粘附磨損。為了進(jìn)一步確定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，對上圖當(dāng)中的各項(xiàng)磨損現(xiàn)象進(jìn)行了線形分析，通過實(shí)驗(yàn)看到各項(xiàng)數(shù)據(jù)都與實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果相同，各項(xiàng)數(shù)據(jù)都相對的溫和。

2.3 磨損機(jī)理分析

2.3.1 強(qiáng)壓下的壓力變形。刀具在進(jìn)行切削作業(yè)的時(shí)候，刀前面與刀背面的最高壓力點(diǎn)都不在刀尖上，而是在離刀尖有一段的地方，這種情況是由于切削熱量沿著刀面不斷延伸，再加上切削滯留層的影響。淬火鋼由于硬度比一般的鋼材都高，當(dāng)中會產(chǎn)生多次阻礙摩擦，阻礙摩擦的熱量相當(dāng)?shù)母撸ㄟ^刀具的切削層傳入刀面，最終讓刀具產(chǎn)生巨大的熱量。

淬火鋼的硬度為52～55HRC，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正火鋼的硬度，不僅如此，淬火鋼的馬氏金組織，抗變形能力較好，當(dāng)切削形成的時(shí)候使用自身的抗變形能力來發(fā)出大量的能量，切削的力度比正火鋼的切削力度多了37%，再加上馬氏金材料的特性，整體鋼材硬度約為正火鋼

的55%。

2.3.2 粘附磨損機(jī)制。當(dāng)納米復(fù)合刀具在切削淬火鋼的時(shí)候，刀具表面的溫度會高達(dá)1000℃，在這樣高的溫度下，Ni元素的擴(kuò)散面更廣，速度也相對較快，使得刀具表面的硬度相當(dāng)于刀具表面粘附度，從而形成了有力的磨損環(huán)境。在高溫的環(huán)境下，淬火鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較低，刀具當(dāng)中的摩擦熱量主要發(fā)生在刀具的中下層，使得刀具中下層發(fā)生較大塑性現(xiàn)象，由于對刀具上層的影響效果不大，因此在刀具的上層發(fā)生了較大的溫度值與硬度值。而刀具當(dāng)中產(chǎn)生的切削運(yùn)動和摩擦運(yùn)動當(dāng)中產(chǎn)生的硬度與溫度的變化，是刀具粘附磨損的基本條件。由于刀具底層溫度的特性，使得當(dāng)中的Fe奧式形體晶塊的力方面與fcc晶塊的y-ce相同，讓兩者之間的尺寸差異較小，電子模塊的整體結(jié)構(gòu)相當(dāng)，從而使刀具的親和力加大。

3 結(jié)語

總結(jié)全文給出的信息來看，真空工藝燒紙的納米復(fù)合陶瓷金屬刀具在切削淬火鋼方面有很好的效果，刀具的使用耐磨度與切削效果都比較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于YT15與TN20鋼材的刀具。

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作者簡介：劉宏（1967-），男，江蘇人，貴陽博亞機(jī)械制造有限公司工程師，研究方向：金屬材料切削性能、機(jī)電自動化控制項(xiàng)目。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）