張 良 屈盛官 王光宏 韓立發(fā)

（①華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640;②東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

粉末冶金是一項(xiàng)集材料制備與零件成形于一體的節(jié)能、節(jié)材、高效、近終成形、少（無(wú)）污染的先進(jìn)制造技術(shù)，在材料制備和零件制造中具有不可替代的地位和作用。顆粒增強(qiáng)鐵基粉末冶金復(fù)合材料的耐磨性更好、耐高溫性更強(qiáng)、制造的零件重量較大，在汽車及其發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用更加廣泛［1］。

雖然少切削和無(wú)切削是粉末冶金零件的主要優(yōu)點(diǎn)之一，但大部分發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)零件在制造過(guò)程中不能一次直接達(dá)到所需的凈形狀、精度及表面粗糙度的要求，只能是“接近最終形狀”，仍需要再進(jìn)行一定的機(jī)械加工。而切削加工是獲得高精度、小表面粗糙度值和低加工成本的零件的基本方法。和鑄件與鍛件相比，這種加工需要從粉末冶金零件上去除的材料雖然非常少，但是卻是典型的難加工材料的加工。由于陶瓷刀具具有很高的硬度，耐磨性能良好，與金屬的親和力小，并且化學(xué)穩(wěn)定性好。因此，陶瓷刀具可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工或者根本不能加工的超硬材料，其最佳切削速度可以比硬質(zhì)合金刀具提高3～10倍，而且刀具壽命長(zhǎng)，因而大大提高了切削加工效率［2］。近年來(lái)，由于控制了原料的純度和晶粒尺寸，采用多種增韌機(jī)制進(jìn)行增韌補(bǔ)強(qiáng)，使得陶瓷刀具的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和抗沖擊性能都有大幅度提高，應(yīng)用范圍也日益廣泛，可用于干切削、高速切削和硬切削等［3］。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用工件材料為NbC顆粒增強(qiáng)鐵基粉末冶金復(fù)合材料，成分（wt.%）為:（0.6 ～0.8）C+（1.5～2.5）Cu+（1.5 ～2.5）Ni+（0.8 ～1.2）Mo+（5 ～15）NbC+Fe（余量），成形方法為溫壓成形。由于NbC增強(qiáng)鐵基粉末冶金復(fù)合材料為高耐磨性的難加工材料，從刀具材料的硬度和耐磨性能方面考慮，可采用CBN（立方氮化硼）等超硬刀具材料進(jìn)行加工。但CBN不僅價(jià)格昂貴，而且其本身脆性大、易斷裂，如果使用不當(dāng)很容易損壞刀具。因此，考慮加工的經(jīng)濟(jì)性，試驗(yàn)用刀具選擇Al2O3基陶瓷刀片，基本成分為 Al2O3/（W，Ti）C。陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)型式為可轉(zhuǎn)位式，幾何參數(shù)為:前角－5°、后角5°、主偏角45°、副偏角45°、刃傾角 －5°、刀尖圓弧半徑0.8 mm，負(fù)倒棱參數(shù):寬度0.1 mm、前角－20°。

精加工試驗(yàn)在C6132A1及CM6140精密機(jī)床上進(jìn)行，切削方式為干式車削，采用LEO1530VP型掃描電鏡觀察刀片的磨損形貌，用萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量后刀面最大磨損值VBmax。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 刀具的磨損

精車鐵基粉末冶金復(fù)合材料時(shí)，Al2O3基陶瓷刀具的典型磨損形貌如圖1所示。

圖1a為精車含10wt．%NbC的復(fù)合材料時(shí)刀具后刀面磨損的微觀形貌。由圖可見(jiàn)，后刀面磨損帶沿切削速度方向分布著眾多深淺不同的溝痕，表現(xiàn)出典型的磨粒磨損形貌;切削時(shí)，除NbC外，燒結(jié)材料中大量硬質(zhì)點(diǎn)的高溫硬度有的比陶瓷材料的還要高，就像磨料一樣，對(duì)刀具后刀面形成持續(xù)不斷的“微切削”。由于Al2O3、TiC的硬度與NbC大體相當(dāng)甚至略高，且試樣中NbC尺寸較小、含量不高，切削過(guò)程中刀具不可能過(guò)多地被增強(qiáng)相反切削，因而陶瓷刀具不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的磨料磨損，緩慢的磨粒磨損進(jìn)程中，伴隨其他更為主要的磨損方式。

圖1b為切削相同材料時(shí)整個(gè)切削刃的磨損形貌。由圖可見(jiàn)，沿切削刃密布的因劃擦形成的溝痕間能清楚地看到陶瓷顆粒團(tuán)脆性剝落后留下的凹坑。分析其產(chǎn)生的原因，認(rèn)為刀具中的Al2O3、WC、TiC陶瓷顆粒團(tuán)在經(jīng)受來(lái)自復(fù)合材料中的硬質(zhì)增強(qiáng)相所進(jìn)行的“微切削”過(guò)程中，被沖撞、碾壓而成片地脫落后形成，表明刀具在磨粒磨損過(guò)程中伴隨著剝落和微崩刃。由于復(fù)合材料不可避免地存在氣孔、夾雜、硬質(zhì)點(diǎn)等各種類型的缺陷，其微觀組織不均勻，精車時(shí)形成剪切型或擠裂型切屑，刀屑接觸長(zhǎng)度小，使前刀面所受的壓力和溫度全部集中在刀尖，因而刀尖所受的機(jī)械沖擊和熱沖擊劇烈;另一方面，陶瓷刀尖是由無(wú)數(shù)細(xì)小的陶瓷顆粒構(gòu)成的，晶界處富集的“雜質(zhì)組元”相當(dāng)于一種“精細(xì)裂紋”，大大降低了晶界強(qiáng)度，而且存在不均勻的內(nèi)應(yīng)力，使刃口部位的微觀強(qiáng)度也不均勻［4－5］。在刀尖表面被NbC顆粒刮擦、沖撞和產(chǎn)生振動(dòng)的過(guò)程中，磨粒磨損溝痕兩邊容易形成微小裂紋，裂紋形核和擴(kuò)展時(shí)，引起陶瓷顆粒團(tuán)進(jìn)一步剝落產(chǎn)生微崩刃。當(dāng)剝落和微崩刃程度輕微時(shí)，可視作磨損;但當(dāng)?shù)毒弋a(chǎn)生的振動(dòng)沖擊過(guò)大或微崩刃產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，將會(huì)引起切削刃大面積崩刃或碎斷，引起刀具早期失效。

2．2 刀具磨損影響因素的分析

2．2．1 工件材料的影響

（1）增強(qiáng)相含量的影響

圖2給出了NbC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Al2O3基陶瓷刀具后刀面磨損量VBmax的影響曲線。由圖可見(jiàn)，材料中NbC的含量對(duì)刀具磨損的影響很大，隨增強(qiáng)相質(zhì)量分?jǐn)?shù)mf的增加，刀具磨損率顯著上升。例如，切削mf=5%的復(fù)合材料時(shí)，VBmax=0.6 mm時(shí)的刀具壽命達(dá)到13.5 min，但當(dāng)mf=15%時(shí)，刀具壽命迅速降低到6 min左右。NbC含量越高，對(duì)刀具后刀面的研磨和刮擦作用也越強(qiáng)，刀具的磨損越嚴(yán)重。文獻(xiàn)［6－8］在切削鋁基復(fù)合材料時(shí)得出了相似的結(jié)論。因此，上述結(jié)論對(duì)復(fù)合材料的切削加工具有普遍意義，而不管材料的制備方式及基體的屬性如何。

（2）材料密度的影響

通常，粉末冶金材料的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)引起刀具壽命的降低［9］。對(duì)采用溫壓工藝制備的鐵基粉末冶金復(fù)合材料來(lái)講，盡管其組織結(jié)構(gòu)更致密，材料中的孔隙仍不可避免。圖3是不同密度的復(fù)合材料對(duì)Al2O3基陶瓷刀具后刀面磨損量VBmax的影響。

由圖3可見(jiàn)，在相對(duì)密度大于90.3%的范圍內(nèi)，材料密度對(duì)刀具磨損的影響不太顯著，然而當(dāng)密度進(jìn)一步減小后，刀具磨損率迅速下降。分析相對(duì)密度較高時(shí)密度對(duì)刀具磨損影響不顯著的原因，可能由以下幾方面所造成:一方面，材料密度減小后，材料的孔隙率上升，孔隙的存在降低了材料的熱傳導(dǎo)率［10］，使切削溫度升高，將加劇刀具的磨損;另一方面，隨燒結(jié)體密度的降低，材料中孔隙邊緣物質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)力集中、裂紋、碎裂和脫落現(xiàn)象加?。?1］，切屑斷裂強(qiáng)度降低，對(duì)切削刃的機(jī)械和熱沖擊作用減弱，使刀具磨損率降低。

在工件材料相對(duì)密度較小時(shí)，由于孔隙較多，而NbC顆粒又具有很高的硬度，車削過(guò)程中易受刀刃的擠壓、撞擊而移位、破碎甚至脫落，產(chǎn)生了NbC顆粒對(duì)刀具的研磨及犁削作用;當(dāng)相對(duì)密度進(jìn)一步減小后，微孔隙的大量增加使基體材料硬度下降，精車時(shí)顆粒容易在切削區(qū)隨基體變形，也可以在切削力的作用下將NbC顆粒壓進(jìn)孔隙或已加工的工件表面中，使刀具切削時(shí)直接接觸NbC的幾率減小;同時(shí)，孔隙還可以容留切屑表面的硬質(zhì)剝落物和磨粒［11］，從而減少了磨粒的數(shù)量，降低了刀具的磨損速度。因此，當(dāng)密度進(jìn)一步減小后，刀具磨損顯著減弱。

2．2．2 切削參數(shù)的影響

圖4給出了采用不同的切削參數(shù)精車含量為10wt.%NbC的復(fù)合材料時(shí)，切削速度Vc、進(jìn)給量f、背吃刀量ap對(duì)Al2O3基陶瓷刀具后刀面磨損量VBmax的影響關(guān)系曲線。

試驗(yàn)表明，切削速度Vc和背吃刀量ap增加時(shí)，VBmax迅速增加;進(jìn)給量f降低時(shí)，VBmax逐漸增加。但不同切削參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響程度并不相同，Vc的影響相當(dāng)顯著，例如當(dāng)Vc由48 m/min增加到136 m/min時(shí)，實(shí)驗(yàn)所示的精車條件下陶瓷刀具不到4 min就達(dá)到劇烈磨損（VBmax＞0.6 mm）;而進(jìn)給量f對(duì)刀具磨損有較小影響，這是由NbC/Fe粉末冶金復(fù)合材料的特殊性質(zhì)所決定。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于精車過(guò)程中，受增強(qiáng)顆粒的影響，陶瓷刀具在正常磨損狀態(tài)下伴隨著微崩刃、剝落等破損形式。由物理定律可知，運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能（E）及沖量（I）可表示如下［12］:

可見(jiàn)，硬質(zhì)顆粒的動(dòng)能、沖量與切削速度Vc有密切的關(guān)系。切削速度愈高，刀具遭受硬質(zhì)顆粒的沖擊程度越劇烈，由此產(chǎn)生的較大機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力使陶瓷刀刃上的微裂紋、孔洞加速成核和擴(kuò)展，加劇了切削刃的剝落及崩碎。因此，切削鐵基燒結(jié)合金時(shí)，為避免刀具過(guò)快磨損，要控制適宜的切削速度。

與車削傳統(tǒng)的單相材料不同，進(jìn)給量f降低時(shí)刀具磨損率上升，不利于提高刀具耐用度。這是由于在其它切削參數(shù)不變的條件下，f越小，切削相同體積材料時(shí)刀具滑過(guò)的路程越長(zhǎng)，受NbC顆粒刮擦機(jī)會(huì)愈多;此外，f越小，切削厚度ac（ac=fsinKr）越薄，加工表面對(duì)后刀面的摩擦、碾壓作用越嚴(yán)重。

3 結(jié)論

（1）車削顆粒增強(qiáng)鐵基粉末冶金復(fù)合材料時(shí)，增強(qiáng)相含量越高，對(duì)刀具的磨損越大。在相對(duì)密度大于90.3%的范圍內(nèi)，材料密度對(duì)刀具磨損的影響不太顯著，然而當(dāng)密度進(jìn)一步減小時(shí)，刀具磨損率迅速下降。

（2）切削參數(shù)的選擇與刀具磨損率有密切的關(guān)系，切削速度越高，背吃刀量越大，進(jìn)給量越小，刀具磨損越快;此外，切削速度對(duì)刀具磨損的影響最顯著，而進(jìn)給量對(duì)刀具磨損的影響最小。

（3）陶瓷刀具不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的磨粒磨損，刀具的高脆性及硬質(zhì)顆粒的劇烈刮擦、沖撞引起的切削刃微崩和剝落磨損是刀具磨損的主要原因。

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