陶瓷刀具切削加工時的磨損與潤滑情況分析(四)

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tags: 陶瓷刀具切削    時間:2014-03-12 03:50:03
陶瓷刀具切削加工時的磨損與潤滑情況分析(四)簡介
因此,每一種陶瓷刀具都有其最佳加工對象,即存在陶瓷刀具與加工對象的最佳匹配問題。   Al2O3基陶瓷刀具中含有鋁元素,因此Al2O3基陶瓷刀具在加工鋁……
陶瓷刀具切削加工時的磨損與潤滑情況分析(四)正文

因此,每一種陶瓷刀具都有其最佳加工對象,即存在陶瓷刀具與加工對象的最佳匹配問題。


Al2O3基陶瓷刀具中含有鋁元素,因此Al2O3基陶瓷刀具在加工鋁及鋁合金時存在較大親和力,刀具會產生較大的粘結磨損和擴散磨損。Al2O3/TiC和Al2O3(/W,Ti)C等陶瓷刀具中含有鋁及鈦元素,用此類陶瓷刀具加工鈦及鈦合金、鋁及鋁合金時也存在較大親和力,因此它們都不適合加工鋁、鈦及其合金。純鐵與Al2O3刀具之間的粘結傾向比鋼和鑄鐵更大,純Al2O3陶瓷刀具在切削純鐵時約在500℃就開始粘結,與其它超硬刀具(如金剛石、立方氮化硼刀具)相比,Al2O3刀具與鐵之間的擴散作用最小。


SiC顆粒或SiC晶須增韌的Al2O3刀具在加工鎳基合金時表現出優良的切削性能,但在加工鋼時,因Fe容易與SiC發生反應而使刀具材料急劇磨損。用含有SiC的陶瓷刀具加工淬硬鋼時,在切削高溫作用下,SiC很容易與工件中的Fe產生化學反應,反應式為


4Fe+SiC→FeSi+Fe3C


切削速度越高,切削溫度也隨之升高,會進一步加劇Fe與SiC的反應速度。SiC晶須與Fe反應后使晶須原有的硬度和耐磨性能降低,晶須與基體的結合強度削弱,因而晶須在磨粒作用下容易脫落,從而減弱晶須的增韌作用。此外,陶瓷刀具在高溫下還會產生溶解磨損,表1為陶瓷刀具材料各組分與Fe在1323℃溫度時的溶解度。由表可見,Al2O3和ZrO2在Fe中的溶解度最小,溶解度由大到小的順序為:SiC→TiN→TiC→Al2O3→ZrO2。在高溫下SiC在Fe中的溶解度比TiC和TiN的溶解度高兩個數量級以上。由於Fe與SiC晶須的化學反應及相互溶解,使刀具材料中Fe元素含量增加,進一步增大了刀具與工件的粘著傾向,因此對刀具的耐磨性能不利。因此,含有SiC顆粒或SiC晶須的陶瓷刀具不適合加工鋼件。


表1陶瓷刀具材料組分1323℃時在Fe中的溶解度


材料組分-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陶瓷刀具中的材料組分Al2O3和ZrO2在高溫下的化學穩定性好,且與Fe的溶解度很小,不易向工件材料中擴散及溶解,因此Al2O3/ZrO2具有較好耐磨性能。由於Al2O3/ZrO2陶瓷刀具在高溫(1170℃以上)下ZrO2的增韌效果會顯著減小,所以Al2O3/ZrO2陶瓷刀具不適合溫度較高的高速或超高速切削,只適合在較低切削速度範圍內進行切削加工,Si3N4基陶瓷刀具適於高速切削鑄鐵,加工鎳基合金也能取得滿意結果,但切削奧氏體不鏽鋼時則磨損嚴重。由於Si3N4和Fe之間存在較大親和力以及Si和Fe之間的相互擴散,高速切削產生的高溫會大大加劇Si3N4與這類工件間的化學作用及元素擴散,加劇Si3N4刀具的磨損,所以Si3N4刀具也不適合高速切削純鐵和碳鋼等材料。


總的來說,Al2O3基陶瓷刀具具有良好的耐磨損性能及耐高溫性能(均高於Si3N4基陶瓷刀具),且其高溫化學穩定性很好,不易與鐵元素髮生相互擴散或化學反應,因而Al2O3基陶瓷刀具的應用範圍最廣,適於高速切削鋼、鑄鐵及其合金;Si3N4基陶瓷刀具的斷裂韌性和抗熱裂性高於Al2O3基陶瓷刀具,適於斷續加工鑄鐵及鑄鐵合金;ZrO2增韌陶瓷刀具室溫韌性較高,適於斷續切削,但不適合溫度較高的高速或超高速切削;添加SiC的陶瓷刀具最適合加工鎳基高溫合金、純鎳和高鎳合金等,但不適於加工鋼和鑄鐵。


5.結語


綜上所述,不同種類的陶瓷刀具(或同種類刀具)加工不同工件時,其磨損形態不同。冷卻與潤滑對陶瓷刀具的磨損和刀具壽命會產生很大影響,採用適當的冷卻和潤滑對減小陶瓷刀具磨損、延長使用壽命十分有益。


在實際應用中,每一種陶瓷刀具都有其特定的加工範圍,陶瓷刀具與其加工對象之間存在最佳匹配問題,應根據所加工的工件材料選擇合適的刀具材料,並根據刀具材料中是否含有高溫下易與工件材料發生擴散及化學作用的組分來確定最佳切削用量。

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