金属陶瓷刀具切削淬火钢的磨损机理探讨

摘要：使用纳米陶瓷基复合材料制成的刀片来进行淬火钢单因素的试验，并且在试验过后使用SEM、EPMA来对刀片进行探究。经过试验表面，纳米复合基金属钢刀片具有较高的耐磨性与切削能力，其主要的切削模式是在压力下形成的挤压变形与粘附磨损，同时具有一定的氧化磨损与质变磨损。

关键词：金属陶瓷刀具；切削淬火钢；磨损机理；单元素；切削实验 文献标识码：A

中图分类号：TG714 文章编号：1009-2374（2015）05-0083-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.0373

金属陶瓷作为一种在刀具生产当中广泛运用的材料，经常用于铸铁与钢材的加工。不仅如此，金属陶瓷还经常用于干切削，刀削面的温度通常较高，当中的强度与硬度必须有相应的平衡。目前陶瓷金属摩擦损伤的研究在摩擦领域当中是重点研究的课题之一。淬火钢在金属切削的实验当中，硬度与强度均是9A级，属于比较难切削的材料之一，对陶瓷金属进行切削实验的研究，可以让陶瓷金属的实用价值提高。本文当中使用的真空加工形成的陶瓷金属刀片，对其进行了单元素的切削实验，并对其中的问题作出阐述，从而找出解决的办法。

1 实验

实验当中所使用刀具的材料为Tinc-Tin-MO2系金属陶瓷，主要的成分为Tic粉与Tnc纳米结合物，使用常见的真空烧制工艺，然后再将刀片放入到打磨机床当中进行加工，最终形成刀片。

切削实验是在C012sxs号机床上进行的。实验刀片的型号为SUNM5122，刀片的安装角度为d=45°，y=0°，a=6°，r=-6°。采用多重切削的方式。检测实验过后刀片的磨损值。被切削材料的淬火钢硬度为56与66HRC之间。

使用Jda-5700lc观察镜观察刀片磨损后的表面形态，同时使用Naosh-694A能谱仪对刀片表面进行全方面的分析，最后将刀具放入到Ksoini648电子定点仪当中，对刀具面与点进行统计分析，工作的电压不能超过16kV。

2 实验结果与分析

2.1 切削实验

通过实验结果得到的数据来看，具有纳米复合金属的刀具在初期阶段的磨损规律是相同的，随着时间的延长，刀具的磨损率会渐渐加大，从正常磨损阶段转换为疲劳磨损。另外，当磨损速度加快的时候，刀具的耐磨度会大打折扣，最后总让刀具的表面失效。随着进量的加大，刀具的耐磨度比实验初期的耐磨度有所降低，当S=0.26mm/r情况下，刀具磨损表面会产生明显的初期磨损现象，当S=0.53mm/r时，刀具表面的曲线会呈现一线型曲线，这个时候刀具表面就开始进入了疲劳磨损期。当刀具切削度增加时，刀具表面不会出现明显的初期磨损现象，但是刀具的耐久度会快速下降。

图1

图1是通用合金刀片YT15与TN20的切削性能的对比图。从对比图当中我们可以很清楚地看到，切削实验当中的淬火钢金属陶瓷刀片NM在切削性与耐磨性方面有很好的效果。当切削时间到达122min时，金属陶瓷刀片最佳的磨损值为0.2，可以明确看出对比刀片的磨损值较低。YT15的耐久度为17min，TN20的耐久度为9min，当YT的磨损值达到临界点过后，最终成为崩刃，因此这就说明了纳米复合金属陶瓷刀片在淬火钢方面有良好的表现。

2.2 SEM技术与EPMA技术的分析

为了对纳米金属陶瓷刀具的切削性能进行探究，使用SEM与EPMA技术对刀具材质的本身进行了详细的分析。当实验切削用量为V=32m/min，f=0.22mm/r，a=1mm的时候，实验刀具的前面与后面均会出现SEM磨损类型，刀尖处处于高度SEM形貌。作者从实验得知，纳米复合金属陶瓷刀片淬火实验蛀牙的磨损部位是刀尖处，在刀面向的磨损会过渡失效，并且受到磨损的刀面会呈现凹凸状，刀尖处受到挤压变形的痕迹很明显，距离刀口189pm的地方出现了一到裂纹。从这里我们可以知道，纳米复合金属陶瓷刀具在受到挤压变形后会严重

失效。

Ti、Mo、W、Ni这四种元素是刀具表面磨损过大时才会生产的元素，裂痕与刀面的受损面积保持一致，为刀具的碳合金元素。在裂纹集聚区当中仍然可以检测到Fe、Mn金属元素的分布，那么就可以断定Fn、Mn金属元素在接受淬火实验时发生了裂变，一个整体的元素模块向刀具周围散开，在实验当中发生了粘附磨损。为了进一步确定实验数据的正确性，对上图当中的各项磨损现象进行了线形分析，通过实验看到各项数据都与实验预期效果相同，各项数据都相对的温和。

2.3 磨损机理分析

2.3.1 强压下的压力变形。刀具在进行切削作业的时候，刀前面与刀背面的最高压力点都不在刀尖上，而是在离刀尖有一段的地方，这种情况是由于切削热量沿着刀面不断延伸，再加上切削滞留层的影响。淬火钢由于硬度比一般的钢材都高，当中会产生多次阻碍摩擦，阻碍摩擦的热量相当的高，通过刀具的切削层传入刀面，最终让刀具产生巨大的热量。

淬火钢的硬度为52～55HRC，远远高于正火钢的硬度，不仅如此，淬火钢的马氏金组织，抗变形能力较好，当切削形成的时候使用自身的抗变形能力来发出大量的能量，切削的力度比正火钢的切削力度多了37%，再加上马氏金材料的特性，整体钢材硬度约为正火钢

的55%。

2.3.2 粘附磨损机制。当纳米复合刀具在切削淬火钢的时候，刀具表面的温度会高达1000℃，在这样高的温度下，Ni元素的扩散面更广，速度也相对较快，使得刀具表面的硬度相当于刀具表面粘附度，从而形成了有力的磨损环境。在高温的环境下，淬火钢的导热系数较低，刀具当中的摩擦热量主要发生在刀具的中下层，使得刀具中下层发生较大塑性现象，由于对刀具上层的影响效果不大，因此在刀具的上层发生了较大的温度值与硬度值。而刀具当中产生的切削运动和摩擦运动当中产生的硬度与温度的变化，是刀具粘附磨损的基本条件。由于刀具底层温度的特性，使得当中的Fe奥式形体晶块的力方面与fcc晶块的y-ce相同，让两者之间的尺寸差异较小，电子模块的整体结构相当，从而使刀具的亲和力加大。

3 结语

总结全文给出的信息来看，真空工艺烧纸的纳米复合陶瓷金属刀具在切削淬火钢方面有很好的效果，刀具的使用耐磨度与切削效果都比较高，远远优于YT15与TN20钢材的刀具。

参考文献

[1] 郭飞翔，韩成良，赵娣芳，等.（Ti，W，Mo）C-NiCo金属陶瓷刀具切削性能研究[J].工具技术，2012，46（5）.

[2] 何光春.基于FEM的纳米TiN改性金属陶瓷刀具的切削性能研究[J].组合机床与自动化加工技术，2011，15（6）.

[3] 景秀并，林滨，张琪，等.用金属陶瓷刀具加工淬硬钢薄壁件切削参数优化[J].组合机床与自动化加工技术，2009，10（4）.

作者简介：刘宏（1967-），男，江苏人，贵阳博亚机械制造有限公司工程师，研究方向：金属材料切削性能、机电自动化控制项目。