周 文，周后明，陳 聞

（湘潭大學(xué)機械工程學(xué)院，湘潭411105）

0 引 言

陶瓷刀具具有硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好以及耐磨損、耐腐蝕、抗氧化能力強等諸多優(yōu)點，可以高效加工傳統(tǒng)刀具不能加工的超硬材料，可實現(xiàn)“以車代磨”。陶瓷刀具的最佳切削速度比硬質(zhì)合金刀具的高2～4倍，可大大提高切削加工的生產(chǎn)效率［1-4］，但其耐磨性、耐熱性和斷裂韌性還有待進一步提高，常用的方法是在其表面制備涂層，但由于涂層很薄，一旦被破壞就很難修復(fù)。若使用其它性能優(yōu)異的刀具代替，則將會導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，而且會造成不必要的浪費。

疊層功能材料是20世紀80年代中后期提出和發(fā)展起來的一種組分、結(jié)構(gòu)和性能均呈連續(xù)性變化的新型復(fù)合材料［5-9］，它由層材料以及層與層的結(jié)合界面兩部分組成，其性能主要與各層材料的性能以及 結(jié) 合 界 面 的 性 能 有 關(guān)［10-11］。Amateau［12］和Scuor等［13］從表層材料產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力方面考慮分別制備出了Al2O3＋Al2O3/TiC對稱型疊層陶瓷刀具和Al2O3＋Al2O3/ZrO2疊層陶瓷刀具，進行切削試驗后發(fā)現(xiàn)，殘余壓應(yīng)力的存在有抑制前刀面磨損和崩刃的作用；段振興等［10］從層間材料性能差距方面考慮制備出了 Al2O3/（W，Ti）C＋Al2O3/TiC疊層陶瓷刀具，其力學(xué)性能得以明顯改善；鄭光明［14］和李艷征［15］從納米材料方面考慮分別制備出了Sialon-Si3N4系梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料和具有高抗熱震性能的梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料，但納米材料生產(chǎn)成本較高，適合加工難加工的材料。在保證表層形成殘余壓應(yīng)力和層間性能相差不大的前提下，制備表層為復(fù)合耐磨材料的疊層陶瓷刀具的研究還較少見。另外，TiB2、TiC和Al2O3的熱膨脹系數(shù)相差不大（分別為7.4×10-6，7.6×10-6，8.1×10-6℃-1）、相容性好、結(jié)合能力強、價格低廉。因此，作者以Al2O3-20%TiB2為疊陶瓷材料的表層、以Al2O3-20%TiC為中間層（Al2O3-TiB2的耐磨性、耐熱性遠好于Al2O3-TiC，且TiB2的熱膨脹系數(shù)小于TiC的，會在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，有利于阻止裂紋擴展），制備了Al2O3-20%TiB2/Al2O3-20%TiC對稱型疊層陶瓷刀具材料，采用該材料刀具對淬火45鋼進行高速切削試驗，并與Al2O3-20%TiC陶瓷刀具的切削性能進行了對比。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用原料為Al2O3粉（北京泛德辰公司生產(chǎn)，純度為99.9%，粒徑為1～2μm）以及TiB2和TiC粉（株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)，平均粒徑3μm）。首先對原料粉進行稱量配料、球磨混合（轉(zhuǎn)速275r·min-1，球磨10h），然后再進行真空干燥（干燥溫度為100℃，保溫2h），過100目篩后封裝待用；將過篩后的原料粉按原先設(shè)計好的配比（通過質(zhì)量控制每層的厚度），軸向疊層填充到石墨模具中，且每添加一層進行預(yù)壓（預(yù)壓壓力為2MPa）；最后在真空熱壓燒結(jié)爐中加壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 550～1 750℃，保溫時間為10～30min，壓力為32MPa。燒結(jié)制成的毛坯尺寸為φ42mm×4mm，如圖1所示，t1和t2分別為 Al2O3-20%TiB2層和 Al2O3-20%TiC層的厚度。

圖1 對稱型疊層陶瓷刀具材料的示意Fig.1 Diagrammatic drawing of symmetrical laminated ceramic cutting tool material

1.2 試驗方法

采用阿基米德排水法測疊層陶瓷刀具材料的實際密度（實際密度除以理論密度即為相對密度）；用HV-120型維氏硬度計測疊層陶瓷刀具材料的硬度，選用對面角為136°的金剛石壓頭，加載載荷為98N，保壓時間為60s；在RG4100型微機控制萬能電子試驗機上用三點彎曲法測疊層陶瓷刀具材料的抗彎強度，試樣為3mm×4mm×36mm的標準試樣，跨距為24mm，加載速度為0.5mm·min-1，取5次試驗的平均值；用壓痕法測疊層陶瓷刀具材料的斷裂韌性；用JSM-6610LV型掃描電鏡觀察疊層陶瓷刀具材料的微觀形貌。

采用CA6140型普通車床進行切削試驗，試驗刀具分別為Al2O3-20%TiB2/Al2O3-20%TiC對稱型疊層復(fù)合陶瓷刀具（簡稱A刀具）和Al2O3-20%TiC刀具（簡稱B刀具），工件材料為淬火45鋼；切削方式為干切削；切削速度v分別為70，120m·min-1，切削深度ap為0.25mm，進給量f為0.1mm·r-1。刀具的幾何角度如表1所示。采用YH-6XB-PC型全自動金相顯微儀測刀具的磨損量。

表1 刀具的幾何角度Tab.1 Geometry angles of tools

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能與顯微組織

在燒結(jié)溫度為1 700℃、保溫時間為20min、t2/t1（層厚比）為3時，制得的對稱型疊層陶瓷刀具的性能最佳，如表2所示。燒結(jié)溫度太低時，陶瓷材料不能充分燒結(jié)；燒結(jié)溫度太高時，又會增大陶瓷材料晶粒的長大速度，導(dǎo)致晶粒過分長大，從而嚴重降低材料的力學(xué)性能。保溫時間太短，反應(yīng)不充分，材料的致密度低；保溫時間過長，晶粒過分長大，降低了材料的整體性能。層厚比越大，對工藝條件的要求就越高，燒結(jié)難度也就越大，誤差也隨之增大。由表2可見，兩種刀具材料的維氏硬度和抗彎強度相差不大，但Al2O3-20%TiB2/Al2O3-20%TiC對稱型瓷刀具材料的斷裂韌性明顯比Al2O3-20%TiC的高。

表2 兩種刀具材料的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of the two tool materials

由圖2可以看出，對稱型疊層陶瓷刀具材料的致密度較好，只有極少數(shù)的氣孔，灰色硬質(zhì)相為Al2O3，亮白色金屬相為TiB2，它們之間相互嵌套，分布較為均勻，晶界結(jié)合良好，形成了空間骨架結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸基本均小于5μm，只有個別約為5μm的顆粒。這是因為在熱壓高溫燒結(jié)過程中出現(xiàn)了晶粒長大現(xiàn)象，溫度越高，越能促進晶粒長大，晶粒長大對于陶瓷材料的整體性能非常不利，故應(yīng)在保證陶瓷材料致密度的情況下，盡量控制燒結(jié)溫度，而且保溫時間也不宜過久。

圖2 對稱型疊層陶瓷刀具材料表層的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of surface layer of symmetrical laminated ceramic cutting tool material：（a）at low magnification and（b）at high magnification

由圖3可知，在表層能觀察到清晰的晶界，且有較多平整的表面出現(xiàn)，這些平整的表面多為陶瓷材料穿晶斷裂時造成的；中間層除了具有清晰的晶界外，還出現(xiàn)了明顯的孔洞以及晶粒被拔出的痕跡，可判斷該層斷裂以沿晶斷裂為主；界面層中晶粒被拔出的痕跡非常明顯，晶粒間存在間隙，該層也是以沿晶斷裂為主。以上分析表明，該對稱型疊層陶瓷刀具材料的斷裂模式是穿晶和沿晶斷裂的混合，而穿晶斷裂能遠大于沿晶斷裂能，故其表層材料Al2O3-20%TiB2有利于其切削性能的提高。

圖3 對稱型疊層陶瓷刀具材料斷口不同位置處的SEM形貌Fig.3 SEM morphology at different positions of fracture of symmetrical laminated ceramic cutting tool material：（a）surface layer；（b）middle layer and（c）interface layer

2.2 切削特性

以后刀面磨損量VB＝0.3mm作為磨鈍標準，以刀具磨鈍時的切削時間為刀具的磨損壽命。在切削加工時，切削速度v、進給量f、背吃刀量ap都會影響刀具的使用壽命，其中以切削速度的影響最大。

由圖4（a）可知，在70m·min-1的切削速度下，當切削距離小于1 000m時，兩種刀具的后刀面磨損量相差不大；隨著切削距離增加，B刀具的后刀面磨損量迅速增大，切削距離達到3 000m時其刀尖出現(xiàn)了明顯的破損；A刀具的磨損量明顯要小于B刀具的，故前者的耐磨性能更好。由圖4（b）可知，在120m·min-1的切削速度下，A刀具的耐磨性能明顯要好于B刀具的，在切削距離為4 000m時，B刀具已完全破損；A刀具在整個切削過程中，后刀面的磨損一直比較平緩。A刀具表層中TiB2的熱膨脹系數(shù)比中間層中TiC的小，從而使材料表面在燒結(jié)過程中形成了殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力能阻止和降低裂紋的產(chǎn)生與擴展，再加上A刀具材料的斷裂韌性比B刀具材料的大，所以A刀具后刀面的磨損量較小。由此可見，A刀具更適合于高速連續(xù)切削。

圖4 在不同切削速度下兩種刀具后刀面的磨損量Fig.4 Flank wear of the two kinds of tools at different cutting speeds

2.3 切削力

由圖5可知，在相同條件下切削淬火45鋼時，A刀具的切削力在150～195N之間波動，B刀具在180～260N之間波動，后者的明顯較大。切削力出現(xiàn)波動的原因是，刀具在切削工件時會產(chǎn)生振動，機床本身也會出現(xiàn)振動，這些振動都會影響刀具切削力的大小。剛開始切削時，由于兩種刀具都沒有太大的磨損，所以切削力相差不大，隨著切削的進行，由于A刀具的表層材料具有一定的減磨作用，故而B刀具的磨損量逐漸大于A刀具的，所以B刀具的切削力逐漸大于A刀具的。在相同的切削條件下，切削力越小說明刀具的切削性能越好，故而A刀具的切削性能明顯高于B刀具的。

圖5 兩種刀具的切削力曲線Fig.5 Cutting force curves of the two kinds of tools

2.4 磨損形貌

由圖6～8可知，兩種刀具刀尖處的主切削刃均出現(xiàn)了不同程度的磨損，前刀面磨損嚴重，而且被刮出了相互平行的劃痕；A刀具刀尖有輕微的粘結(jié)，磨損量較小；B刀具的磨損嚴重，已經(jīng)出現(xiàn)了崩刀現(xiàn)象，這是由于切削力大，刀具脆性大、韌性較差，切削時在機床的振動下出現(xiàn)了崩刃現(xiàn)象。此外，B刀具的后刀面出現(xiàn)了嚴重的劃痕，是典型的磨粒磨損。

圖6 兩種刀具磨損后的SEM 形貌（v＝120m·min-1，ap＝0.25mm，f＝0.1mm·r-1）Fig.6 SEM morphology of the tool A（a）and tool B（b）after wear

圖7 兩種刀具前刀面磨損的SEM形貌（v＝120m·min-1，ap＝0.25mm，f＝0.1mm·r-1）Fig.7 SEM morphology of the worn rake face of tool A（a）and tool B（b）

圖8 兩種刀具后刀面磨損的SEM形貌（v＝120m·min-1，ap＝0.25mm，f＝0.1mm·r-1）Fig.8 SEM morphology of the worn flank face of tool A（a）and tool B（b）after wear

在相同的切削條件下，A刀具的斷裂韌性高以及其表層存在的殘余壓應(yīng)力是其耐磨性高于B刀具的主要原因。

3 結(jié) 論

（1）采用熱壓燒結(jié)工藝制備出了具有較好致密性、晶界結(jié)合良好的對稱型疊層陶瓷刀具材料，Al2O3-20%TiB2/Al2O3-20%TiC，其抗彎強度和斷裂韌度分別為 651MPa和4.59MPa·m1/2，比Al2O3-20%TiC陶瓷的分別提高了11MPa和0.59MPa·m1/2。

（2）對稱型疊層復(fù)合陶瓷刀具后刀面的磨損量明顯小于Al2O3-20%TiC陶瓷刀具的，前者的切削力比后者的小30～65N；且前者的磨損形貌為劃痕、輕微粘結(jié)，而后者磨損嚴重，出現(xiàn)了嚴重的劃痕，為典型的磨粒磨損。

（3）對稱型疊層陶瓷刀具表層材料的力學(xué)性能、耐磨性、耐熱性均較好，且存在殘余壓應(yīng)力，這使得其切削性能優(yōu)于Al2O3-20%TiC陶瓷刀具的。

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