纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具及切削性能研究.doc

内蒙古科技大学本科生毕业论文_摘要: 本文主要研究了纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具：A20Z(c+m)和A15Zc切削淬硬45#钢、淬硬T10A、灰铸铁的切削性能。在给定的条件下，低速和高速情况下，研究在切削深度分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm时，A20Z(c+m)和A15Zc的切削性能，并探索最适合的切削深度。陶瓷刀具A20Z(c+m)和A15Zc在切削灰铸铁时，A15Zc刀具材料在切削铸铁时比A20Z(c+m)有更好的耐磨性，随着切削深度的增大，A20Z(c+m)和A15Zc后刀面磨损量也增大。A20Z(c+m)和A15Zc切削灰铸铁时，切削速度v=84.5m/min的条件下，其后刀面磨损量受切削深度的影响不大。高速切削灰铸铁时，A20Z(c+m)的后刀面磨损量比A15Zc要大。陶瓷刀具A20Z(c+m)和A15Zc在切削淬硬T10A时，A20Z(c+m) 在低速条件下切削T10A，对于进给量的改变，后刀面磨损量没有受多大影响。A15Zc在低速v=31m/min后刀面磨损量比A20Z(c+m)要大。A15Zc、A20Z(c+m)在都不适合在高速下切削T10A，且只能给小的切削深度。 陶瓷刀具A20Z(c+m)和A15Zc在切削淬硬45#钢时，A20Z(c+m)陶瓷刀具在低速下切削45#钢，只能在小的切削深度条件下合适切削。A15Zc的后刀面磨损量比A20Z(c+m)要小。低速下切削45#钢，A15Zc也只适合在小的切削深度下切削。关键词：纳米复合陶瓷刀具；切削性能；切削深度；磨损机理 ABSTRACTThis paper has researched the cutting performance of nano-scale ZrO2 toughening Al2O3 matrix ceramics tool materials, such as A15Zc and A20Z(c+m), in machining the hardened 45# steel, the hardened T10A steel and cast iron HT200. Under the low and high speed condition, researching the cutting performance of A15Zc and A20Z(c+m) in four cutting depth that 0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm. And explored the most suitable cutting depth.When cutting cast iron HT200 with the ceramic tools A15Zc and A20Z(c+m), for wear resistance , the A15Zc is better than A20Z(c+m). With the cutting depth increasing, the tool wear rate on flank of A15Zc and A20Z(c+m) would be increased. When cutting cast iron HT200 under the condition that cutting speed is 84.5m/min, the tool wear rate on flank of A15Zc and A20Z(c+m) has little effect by cutting depth. Under high cutting speed condition, the tool wear rate on flank of A20Z(c+m) is larger than A15Zc.When cutting hardened T10A steel with the ceramic tools A15Zc and A20Z(c+m), with the low speed condition, the tool wear rate on flank of A20Z(c+m) has little effect by cutting depth. And under the low speed v=31m/min condition, the tool wear rate on flank of A15Zc is larger than A20Z(c+m). Ceramic tools A15Zc and A20Z(c+m) are not suitable for cutting hardened T10A steel, and just on little cutting depth.When cutting hardened 45# steel with the ceramic tools A15Zc and A20Z(c+m), with the low cutting speed, A20Z(c+m) just suitable for cutting on little cutting depth condition. The tool wear rate on flank of A15Zc is less than A20Z(c+m). When cutting hardened 45# steel on low cutting speed condition, the A15Zc is also just suitable for little cutting depth working. Keyword: nano-composite ceramic tools, cutting performance, cutting depth, wear mechanisms 目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11. 1金属切削刀具11.2硬质合金刀具11.2.1硬质合金分类21.2.2硬质合金性能特点21.3 陶瓷刀具材料的性能特点31.4 陶瓷刀具的种类41.4.1氧化物系陶瓷刀具材料41.4.2非氧化物系陶瓷刀具材料51.5 陶瓷刀具的增韧61.5.1 陶瓷刀增韧的方法61.5.2 陶瓷刀具增韧机理81.6 陶瓷刀具的破损和磨损101.6.1 陶瓷刀具的磨损特性101.7 陶瓷刀具切削性能研究111.7.1 国内外陶瓷刀具切削性能研究111.7.2 本课题的研究目的12第2章A20Z(c+m)和A15Zc的切削实验132.1 概述132.2 连续切削灰铸铁时的切削性能142.2.1 实验条件142.2.2 实验结果分析142.2.3 刀具磨损形态及磨损机理分析192.3 连续切削淬硬T10A时的切削性能242.3.1 实验条件242.3.2 实验结果分析242.3.3 刀具磨损形态及磨损机理分析282.4 连续切削淬硬45#钢时的切削性能342.4.1 实验条件342.4.2 实验结果分析342.4.3 刀具磨损形态及磨损机理分析36结论40参考文献4142 第1章 绪论1. 1金属切削刀具 刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。金属切削刀具按加工方法分，可以分为： 切刀：车刀、刨刀、插刀、镗刀。 孔加工刀具：钻头、扩孔钻、铰刀。 拉刀：圆孔拉刀、花键拉刀、平面拉刀。 铣刀：圆柱形铣刀、面铣刀、立铣刀、曹铣刀、锯片铣刀。 螺纹刀具：丝锥、板牙、螺纹切刀。 齿轮刀具：滚齿刀、插齿刀、剃齿刀。 磨具：砂轮、沙带、油石。 金属切削刀具按照材料分，可分为：高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金刚石。通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。陶瓷刀具属于高技术陶瓷，具有高强度、高韧性和高耐磨性，用于机械加工行业大大提高了生产效率，有很好的社会效益和经济效益，现在已被越来越多的用户所认识，因此市场前景广阔。传统热压烧结陶瓷刀具工艺复杂，能耗很高。微波烧结生产出的陶瓷刀具，其主要性能指标均达到了国际先进水平，且工艺易控，产品一致性好。微波工艺技术与设备受到用户单位相当高的评价，同时，该技术与设备也可应用于陶瓷密封件、陶瓷轴承、陶瓷刀、陶瓷喷咀等耐磨、耐腐蚀、耐高温制品的生产，应用十分广泛。1.2硬质合金刀具硬质合金是现代机加道具的主导材料，有的国家有90%以上的车刀，55%以上的铣刀都采用了硬质合金制造，20世纪80年代以来，工具行业不断扩大各种整体和转位式硬质合金刀具或刀片的生产，其品种已经扩展到各种切削刀具领域，其中可转位式硬质合金刀片由简单的车刀、面铣刀扩大到各种精密、复杂、成形刀具领域。硬质合金还是制造钻头、面铣刀等通用刀具的常用材料。同时，铰刀、立铣刀、加工硬齿面中、大模数齿轮刀具、拉刀等复杂刀具使用硬质合金也日益增多。1.2.1硬质合金分类硬质合金按晶粒大小区分，可分为普通硬质合金、细晶粒硬质合金和超细晶粒硬质合金。按主要化学成分区分，硬质合金可分为碳化钨基硬质合金和碳（氮）化钛基硬质合金，碳化钨基硬质合金包括钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）和添加稀有碳化物类（YW）三类，它们各有优缺点，主要成分为碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）等，常用的金属粘接相是Co。碳（氮）化钛基硬质合金是以碳化钛为主要成分（有些加入了其他碳化物或氮化物）的硬质合金，常用的金属粘接相是Mo和Ni。ISO（国际标准化组织）将切削用硬质合金分为三类：（1）K类，包括K10K40，相当于我国的YG类（主要成分为WC-Co）。（2）P类，包括P01P50，相当于我国的YT类（主要成分为WC-TiC-Co）。（3）M类，包括M10M40，相当于我国的YW类（主要成分为WC-TiC-TaC-（NbC）-Co）每一种中的各个牌号分别以一个0105之间的数字表示从最高硬度到最大韧性之间的一系列合金，以供各种被加工材料的不同切削工序及加工条件时选用。根据使用需要，在两个相邻的分类代号之间，可以插入一个中间代号，如在P10和P20之间插入P15，K20和K30之间插入K25等，但不能多于一个。特殊情况下，P01分类代号可再细分，即在其后再加一位数字，并以一小数点隔开，如P01.1、P01.2等，以便在这一用途小组作精细加工时能进一步区分不同程度的耐磨性和韧性。1.2.2硬质合金性能特点（1）高硬度：硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物（称硬质相）和金属粘结剂（称粘结相）经粉末冶金方法而制成的，其硬度达8993HRA，远高于高速钢，在540时硬度仍可以达到8287HRA，与高速钢常温时硬度相同。硬质合金的硬度值随碳化物的性质、数量、粒度和金属粘接相的含量而变化，一般随粘接金属相含量的增多而降低。在粘接含量相同时，YT类合金的硬度高于YG类合金，添加TaC（NbC）的合金具有较高的高温硬度。（2） 抗弯强度和韧性：常用硬质合金的抗弯强度在9001500MPa范围内。金属粘接相含量越高，则抗弯强度也就越高。当粘接剂含量相同时，YG类合金的强度高于YT类合金，并随着TiC含量的增加，强度降低。硬质合金是脆性材料，常温下其冲击韧性仅为高速钢的1/301/8。故硬质合金刀具一般是将合金刀片焊接或者夹固在刀柄上使用，有的小模数齿轮滚刀或小的硬质合金钻头和立铣刀等才能做成整体的。和抗弯强度的情况一样，WC-TiC-Co类。1.3 陶瓷刀具材料的性能特点 （1）硬度高、耐磨性好、耐高温： 陶瓷刀具材料的硬度远远高于硬质合金和高速钢材料，在1200以上的温度下仍能进行切削。Al2O3 系陶瓷刀具的硬度高达91-95HRC，在高温下有较好的化学稳定性，耐磨性和耐热性，高温硬度高，在1200高温下仍能进行切削（此时硬度为80HRA），如果加入一定的稳定剂并采用热压成型技术，可使刀具在1800高温下仍能保持硬度和耐磨性，且高温时刀具与工件间不产生化学反应，月牙洼磨损率较低，表面粗糙度小。Al2 O3 系陶瓷刀具主要用于加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等) 和各种钢料(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢 ,高锰钢、淬硬钢等) ;也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。由于铝元素的化学亲合作用 ,Al2 O3陶瓷刀具不适于加工铝合金和钛合金 , Al2 O3陶瓷制造的滚刀、铰刀、成形车刀等各类刀具不仅可用于普通车床加工 ,而且由于其稳定可靠的切削性能 ,特别适用于数控机床和自动生产线加工 ,尤其对高精度、高硬度以及大型工件的切削具有良好的效果。 在众多陶瓷材料中，Si3N4系陶瓷具有最佳的耐热性和抗热冲击性能，这使得它即使在12001450高温下进行长时间切削仍能保持一定硬度和强度；另外，Si3N4陶瓷刀具具有良好的断裂韧性，抗弯强度等；因此，用Si3N4系陶瓷刀具加工时允许采用远高于硬质合金刀具的切削速度，实现高速切削（其切削速度可比硬质合金刀具提高310倍）。Si3 N4 系陶瓷刀具的加工范围与 Al2 O3 系陶瓷刀具近似 ,但是 Si3 N4 系陶瓷刀具不适合加工产生长屑的钢料(如正火和热轧状态) ,Si3N4 系陶瓷刀具特别适合加工灰铸铁 (铸铁加工用刀具有一半被 Si3 N4 系陶瓷刀具替代) 和高温合金 ,其中陶瓷刀具主要用于加工铸铁(含玲硬铸铁) 与高温合金。（2） 化学温度性好：陶瓷刀具不易与金属产生粘接，且耐腐蚀，化学稳定性好，可以减小刀具的粘接磨损。（3） 摩擦系数低：陶瓷刀具与金属的亲和力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度。 （4）原料丰富：硬质合金中所含的W和Co等资源缺乏，价格昂贵，而陶瓷刀具材料使用的主要 Al2 O3、SiO2、碳化物等是地壳中最丰富的元素，对发展陶瓷刀具材料十分有利。1.4 陶瓷刀具的种类 陶瓷刀具材料的种类很多，按其主要成分大致可分为氧化物系和非氧化物系，氧化物系主要有氧化铝系（Al2 O3）、氧化锆系（ZrO2）、非氧化物系有氮化硅系（Si3 N4）、碳化硅系（SiC）、硼化钛、碳氮化物以及碳硼化物系几类。1.4.1氧化物系陶瓷刀具材料 氧化物系陶瓷刀具材料种类包括氧化铝系（Al2 O3）和氧化锆系（ZrO2）。其中氧化铝系包括纯氧化铝陶瓷以及Al2 O3 -TiC、Al2 O3-ZrO2、Al2 O3 -SiCw。目前市场上应用最多的就是氧化铝系陶瓷刀具该系陶瓷刀具材料是以氧化铝为主体的陶瓷材料，在高温下有较好的化学稳定性耐磨性和耐热性，高温硬度高，月牙洼磨损率较低，且高温时刀具与工件间不产生化学反应，表面加工粗糙度值小 氧化铝系陶瓷刀具主要有: 纯氧化铝陶瓷刀具，氧化铝 碳化物陶瓷刀具，氧化铝 氮化物硼化物陶瓷刀具。纯氧化铝陶瓷中Al2 O3的成分大于99. 9%, 多呈白色, 俗称白陶瓷。我国成都工具研究所生产的Pl 牌号属于此类, 其耐磨性好, 用于切削灰铸铁有较好效果, 也可切削普通碳钢。但因其强度低, 抗热振性及断裂韧性较差, 切削时易崩刃, 故目前已被其他Al2 O3 复合陶瓷取代。纯氧化铝系陶瓷刀适用于切削灰铸铁，其耐磨性好，但是抗弯强度低，抗热震性及断裂韧度较差，切削时易崩刀。在此情况下加入了TiC改善了Al2 O3抗弯强度与断裂韧度，能切削淬硬钢和各种耐磨铸铁。我国生产的牌号有AT6、LT35、LT55、M4、M5、M6、LD- 1等, 用其切削调质合金钢时的切削速度可达一般硬质合金刀具的1 3倍, 刀具寿命为硬质合金刀具的6 10倍, 由于其含有金属成分, 所以能用电加工切割成任意形状, 同时, 用金刚石砂轮刃磨时, 能获得较好的表面质量。其中LD1是在Al2 O3-TiC系陶瓷的基础上, 通过添加少量的特殊微粉, 利用多种增韧机制的协同作用而使断裂韧性有较大提高, 可达6. 0 6. 6MPam1/ 2, 而普通热压Al2 O3-TiC陶瓷断裂韧性为4MPa m1/ 2, 用其端铣淬硬钢时的刀片抗破损性能要比同类LT55牌号高出30% 110%。Al2 O3-ZrO2、Al2 O3 -SiCw这两类有良好的抗弯强度与耐磨性，断裂韧度比纯Al2 O3好，能够断续切削及粗车、铣削和钻孔等工序中，适于加工镍合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料。 氧化锆系陶瓷刀具具有良好的断裂韧度和抗弯强度，但硬度低，主要应用于玻璃纤维、磁带、纺织品切刀。1.4.2非氧化物系陶瓷刀具材料 非氧化物陶瓷刀包括氮化硅系、自增韧陶瓷、塞隆陶瓷、硼化钛系、碳氮化钛。 氮化硅系陶瓷刀具是以高纯度的Si3N4 为原料，添加MgO, ,Al2 O3 Y2O3等为助烧结剂，通过热压成形烧结而成，是上世纪 年代发展起来的刀具材料其性能在很多方面超过了氧化铝基陶瓷，硬度 ，抗弯强度，具有良好的耐热冲击性现在应用广泛的氮化硅系陶瓷刀具材料主要有:单一氮化硅陶瓷，氮化硅复合陶瓷。( 1) Si3N4-TiC-Co 复合陶瓷。该陶瓷的韧性和抗弯强度高于Al2 O3基陶瓷, 而硬度并未降低, 热导率亦高于Al2 O3基陶瓷, 故在生产中应用比较广泛。我国生产的牌号有FD02、SM、HDM1、N5等。( 2) Si3N4晶须增韧陶瓷。它是在 Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成, 从而提高了陶瓷刀具的断裂韧性, 如我国北京方大高技术陶瓷有限公司生产的FD03刀片及湖南长沙工程陶瓷公司生产的SW21牌号均属这一类。FD03刀片是在 Si3N4陶瓷基体中加入了硬质弥散颗粒TiC, SW21刀片则是在 Si3N4中加入了一定量的SiC晶须, 故有较好的使用性能。国外一些切削专家认为, 用Si3N4基陶瓷切削钢材的效果不如Al2O3基复合陶瓷, 故不推荐用其加工钢材。但用FD02、FD03和SW21切削淬硬钢( HRC60 68) 、高锰钢、高铬钢和轴承钢时, 其效果较好。塞隆陶瓷具有很高的抗弯强度和断裂韧度，抗弯强度可达1200MPa，硬度达1800HV。其冲击强度接近于涂层硬质合金刀具，主要用于铸铁和高温合金等难加工的材料。硼化钛系陶瓷刀具有高硬度、较高的抗弯强度、断裂韧度，极好的化学稳定性以及优良的导热、导电、耐磨等性能，较强的抗月牙洼磨损和抗粘着的能力。1.5 陶瓷刀具的增韧 为了使陶瓷在更大范围内达到实用化，必须解决两大问题，一是陶瓷的惰性，二是陶瓷的脆性。只有改善陶瓷的破坏韧性，才能实现材料的高强化，提高其加工性能和材料表面抗损伤能力，延长材料寿命，同时控制新的破坏源的生成，进一步降低成本。目前，科学家在如何改善陶瓷破坏韧性方面进行了广泛的研究。陶瓷材料的致命缺点是脆性，低可靠性和低重复性，这些不足严重影响了陶瓷材料的应用范围。只有改善陶瓷的断裂韧性，实现材料强韧化，提高其可靠性和使用寿命，才能使陶瓷材料真正成为一种广泛应用的新型材料，因此，陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展到指定的，可以通过分散裂纹尖端应力或消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需克服的能垒，也可以转换裂纹扩展的能量。1.5.1 陶瓷刀增韧的方法 陶瓷材料增韧的方法有：颗粒增韧、纤维/晶须增韧、自增韧、相变增韧、纳米增韧。纤维增韧是在陶瓷材料中加入纤维来改善陶瓷材料的脆性,增强陶瓷材料的韧度和强度,包括长纤维增韧、短纤维增韧、晶须及颗粒增韧等。纳米复合陶瓷增韧是指第二相纳米颗粒以某种方式弥散于陶瓷主相中二形成的一种纳米复合材料。在纳米复合陶瓷中，纳米粒子以两种方式存在，一是分布在基质的晶界，即所谓“晶界型”或“晶间型”；二是分布在基质晶粒内部，即所谓“晶内型”或“内晶型”自增韧是一种较为理想的陶瓷增韧方法，它是指在材料的烧结制备过程中自生出类似于晶须的棒状晶粒而使材料得以韧化。原位增韧的韧化机理主要是借助于自生增强体的拔出、桥连与裂纹的偏转机制。最典型的原位增韧陶瓷材料是原位增韧的Si3N4 陶瓷，即通过成分和工艺的优化来获得一定尺寸和长径比的-Si3N4棒晶，从而使材料的强度和韧性得到 提高。Lange通过晶粒原位生长方法，增大-Si3N4的长径比，率先使Si3N4陶瓷的断裂韧性达到6 MPam。为提高陶瓷材料的韧性开辟了新途径。 随后，材料工作者发现通过在陶瓷基体上人为引入或原位生长出棒晶或片晶，并相应增大其体积分数、 棒晶长径比及棒晶直径，通过片晶或棒晶对主裂纹的桥接及随即引发的晶粒拔出与裂纹偏转增韧机制，使材料的断裂韧性得以大幅度升高，最高可使-Si3N4 陶瓷的断裂韧性达到911MPam1/2。相变增韧ZrO2 是一种极有发展前途的新型结构陶瓷,它主要是利用ZrO2 相变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使其具有优良的力学性能、低的导热系数和良好的抗热震性。它还可以用来显著提高脆性材料的韧性和强度,是复合材料和复合陶瓷中重要的增韧剂。ZrO2在常压及不同的温度下,具有立方(c-ZrO2 ) 、四方(t-ZrO2 )及单斜(m-ZrO2 )等3种不同的晶体结构。m-ZrO2 t-ZrO2 c-ZrO2实际上,上式中的转变是t-ZrO2在冷却过程中大约950的温度下发生的,它具有变温马氏体相变特征,相变过程为非热过程,同时,相变过程中伴随有大约0. 16的剪切应变及7%的体积膨胀。如果通过成分控制和热处理获得t-ZrO2相,并使t-ZrO2相镶嵌在其它基体材料中,则周围基质对t m相变体积膨胀和形状改变起着约束作用。在基质的约束下,t-ZrO2相便有可能被保存至室温或更低温度。被约束的t-ZrO2相在以下两种情况可发生t m转变,提高材料的断裂韧性。(1) 在外加应力的作用下,t-ZrO2相周围的约束力被解除,这时便产生t m相变,并在裂纹端部产生压应力场,使主裂纹闭合,从而提高材料的断裂韧性。这就是ZrO2陶瓷的应力诱导相变增韧。(2) 当材料冷却到室温时,t-ZrO2 相自发地产生马氏体相变,并产生许多微裂纹。如果微裂纹处于主裂纹前端的作用区,则由于它们的延伸释放了主裂纹的部分应变能,增加了主裂纹扩展所需能量,从而有效地抑制了裂纹的扩展,提高了材料的断裂韧性。材料的弹性应变能主要将转化为微裂纹的新表面能。这就是ZrO2陶瓷的相变诱导微裂纹增韧。相变增韧有如下特征:无热相变、热滞现象,即相变发生在一定温度范围内;相变过程有4%的体积变化及0. 16的剪切应变;相变无扩散反应发生;相变温度受晶粒尺寸的影响,颗粒越小相变温度越低;添加稳定剂可以抑制相变;相变受外力作用的影响,Whitney的热力学计算表明,在大于或等于3700MPa的压力下,四方相可以维持到室温。1.5.2 陶瓷刀具增韧机理 要提高作为裂纹扩展抗力的韧性,需要缓和裂纹尖端的力集中,增大断裂所需的能。对于除高温以外无法依靠塑性变形的陶瓷,其断裂机理有以下几种:相变、显微裂化、裂纹弯曲、裂纹转向、拉脱、桥接效应和残留应变能效应。相变仅适用于氧化锆等有限的材料,因此,显微裂化、裂纹弯曲和裂纹转向便成为含粒子分散系的陶瓷烧结体的重要强韧化机理。虽然相变以外的机理也起作用,但各种机理所起的作用尚不能定量表达。拉脱和桥接效应可望通过晶须和粒子分散实现复合化,也可认为与晶须等引起的裂纹弯曲、转向等有关联。裂纹弯曲、转向是局部不均匀的裂纹,可理解为显微裂纹的形成扩展,也可认为包含显微裂化。残留应变能效应可以缓和显微裂纹形成的主裂纹应力集中,进而提高韧性,在理论上证明是可行的,对于不能依靠塑性变形的脆性材料是一个重要机理。陶瓷刀具增韧机制有相变增韧、微裂纹增韧，裂纹偏转增韧、桥联增韧、纤维拔出增韧、基体预压应力增韧、应力诱导相变增韧等。 微裂纹增韧：单斜相ZrO2 增韧Al2 O3 陶瓷 和TiB2。增韧 SiC陶瓷是典型的微裂纹增韧。材料中局部残余应力可诱发微裂纹，热膨胀系数失配和相变都会在局部形成残余应力而引发微裂纹。如果是张应力，微裂纹倾向于在第二相的颗粒表面和内部形成；如果是压应力，在基体形成微裂纹。材料中断裂能最低的地方也可能产生微裂纹。晶粒在冷却过程中发生tm相变的同时诱发出显微裂纹，这种尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端过程区域内张开而分散和吸收能量，使主裂 纹扩展阻力增大，从而使断裂韧性提高。这就是显微裂纹韧化(microcrack toughening)。微裂纹增韧材料的应力应变关系。会形成迥线，这是对微裂纹增韧机理进行断裂力学分析的基本出发点。 桥联增韧是指当基体出现裂纹后，纤维像“桥梁”一样牵拉两裂纹面，抵抗外力，阻止裂纹进一步扩展，从而提高材料的韧性和强度。 在各种第二相增韧陶瓷中，残余应力对裂纹扩展的影响是一个不可忽视的因素。虽然晶粒冷却到室温已发生了tm转变，但由于其粒径较小，积累膨胀较小，所以不能诱发显微裂纹。但在这部分m相晶粒周围存在着残余应力，当裂纹扩展进入残余应力区时，残余应力释放，同时又闭合阻碍裂纹扩展的作用，从而产生残余应力韧化(residual stress toughening)作用。 相变增韧机制：关于相变增韧的研究主要是围绕ZrO2的相变特 性展开的。相变增韧机理即应力诱导相变增韧，它是利用应力诱导四方ZrO2马氏体相变来改变陶瓷材料的韧性。氧化锆相变机制是：在由t-ZrO2 转变成为m-ZrO2 的过程中，伴随着体积和形状的变化而吸收能量，降低裂纹尖端的应力集中，阻止或延缓裂纹扩展，从而提高陶瓷的断裂韧度。在外力作用下萌生的裂纹，扩展过程中会通过裂纹尖端附近的高应力区诱发陶瓷内弥散的t-ZrO2 颗粒发生马氏体相变，由于t-ZrO2 转变m-ZrO2 的过程中产生体积膨胀和切向应变，改变了局部地区的应力强度因子，直至相变前后的局部应力场强度因子达到一个稳定值。此外，应力诱导相变产生的应力场，可能使裂纹传播方向发生偏转和绕行，增大裂纹扩展的阻力， 还可能由相变应力诱发基体产生微裂纹区，从而吸收能量。氧化锆颗粒的增韧机制与晶粒尺寸密切相关，当晶粒尺寸存在一定的分布范围时，不同尺寸的晶粒将起到不同的增韧作用。低于临界相变晶粒尺寸dc的晶粒冷却到室温仍为四方相，由于四方相氧化锆的稳定性随着晶粒度的减小而增大，因此对于小于dc的晶粒是否发生相变还存在临界尺寸dl，只有当dlddm，时，相变可以诱发微裂纹，产生微裂纹增韧；当dcddm，时，虽然氧化锆晶粒在冷却过程中发生了相变，但不足以诱发微裂纹，在其周围存在残余应力，起到残余应力增韧。在含有ZrO2相变增韧的陶瓷中，上述几种增韧机理常常相伴而生，这是由于任何陶瓷材料的晶粒尺寸都不是绝对均匀单一的，二是有一个尺寸分布范围。对于晶粒尺寸分布在某一范围ZrO2的粒子来说，不同尺寸的晶粒将起到不用的增韧作用。1.6 陶瓷刀具的破损和磨损1.6.1 陶瓷刀具的磨损特性引起刀具磨损的原因是多种多样的，归纳起来有以下几种：磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损、热电磨损及刀具的非正常磨损，但对于陶瓷刀具。从实验和其他相关资料的分析，由于切削时处于高速，小进给量的条件下，切削区温度极高，工件材料的被切削部分已经处于半融化状态，粘结磨损和磨粒磨损的程度比较轻。而刀具切出时，由于突然卸载、刀片上的主应力大大增加。从而导致破损和微小崩刃，这种微小崩刃在总的磨损量中占相当大的比例。刀具的磨损分布： 图1-1陶瓷刀具加工钢和铸铁，在连续切削时，磨损是其损坏的主要形式，其磨损形态主要是伴随有微崩刃的前、后刀面磨损与边界磨损，磨损比较均匀。陶瓷刀具磨损的原因是：切削钢件时主要为伴随有微崩刃的磨料磨损与粘结磨损，前刀面磨成月牙洼，后刀面磨成棱面；在加工铸铁时容易出现边界磨损，前刀面磨成台阶，磨损原因主要是磨料磨损与微崩刃，微崩刃是刀具一种破损形态，但这种破损如果在磨损限度范围内的话，刀具仍然可以继续使用。化学反应与扩散作用则加速刀具的磨损过程。陶瓷刀具的磨钝标准是决定其耐用度的基准。1.7 陶瓷刀具切削性能研究1.7.1 国内外陶瓷刀具切削性能研究陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性强、高温力学性能优良和不易与金属发生粘结等特点,广泛应用于难加工材料和硬材料的切削加工,可以采用高速切削、干切削等切削加工方式。由于陶瓷材料的弱点是其本征脆性,为了改善陶瓷材料的脆性,提高其强度和韧性,国内外众多学者进行了大量研究,已取得不同程度的进展。就氧化铝基陶瓷刀具的切削性能研究有很多，大部分是对氧化铝基陶瓷刀具的进行对比，找出最加工性能最好的增韧材料，如 Al2O3/Ti(CN)陶瓷刀与Al2O3/ TiC、Al2O3/ TiC/CaF2 在切削45#钢、铸铁时的磨损情况对比。以及对增韧氧化铝基陶瓷刀具的切削实验，如A20Z(c+m)和A15Zc两种陶瓷刀具的切削实验，通过与与商业化陶瓷刀SG4的对比，研究这两种陶瓷刀具的磨损情况。山东大学的钟金豹老师的硕士论文就是对这两种刀具，切削四种金属材料，在两种切削速度下刀具的磨损研究。1.7.2 本课题的研究目的切削加工是机械加工中应用最广泛的加工方法，大多数机械零件的最终形状是通过切削加工技术实现。随着制造技术向高效率、高精度、高柔性和环境保护等方向发展，且机械加工中的辅助工时越来越短，提高加工效率的关键就在于缩短加工工时。高速切削时降低加工工时、提高效率的主要方法，高速切削的发展不仅取决于高速机床的发展，更取决于高速切削刀具的发展。在切削加工中，刀具材料直接影响加工过程的效率、成本和能源消耗；另外，随着现代制造技术的发展，各种新型的难加工材料在产品中大量应用，传统的刀具已经难以满足生产需要，陶瓷刀具具有高硬度、高耐磨性和优良的高温性能而成为新一代的刀具材料。陶瓷刀具不仅可以大大提高生产效率，也可以解决构成高速钢与硬质合金的主要成分钨资源在全球范围内枯竭问题。基于钟金豹老师的研究，本课题是对A20Z(c+m)和A15Zc两种陶瓷刀具，通过改变切削深度，切削三种金属材料，淬硬45#钢、淬硬碳素工具钢T10A和灰铸铁，研究刀具的磨损情况和磨损机理，探索最合适的切削深度。这些工作的完成对相变增韧陶瓷刀具材料的进一步研究具有指导意义。 第2章A20Z(c+m)和A15Zc的切削实验2.1 概述 Al2O3/ZrO2陶瓷刀具的室温性能优良，且其中的组分Al2O3和ZrO2在高温下的化学稳定性好，与Fe的溶解度均很小，不易向工件材料中扩散及溶解，因此，Al2O3/ZrO2复合陶瓷刀具具有较高的耐磨性能。但其只适合在较低的切削速度下进行切削加工，因为氧化锆对温度十分敏感，如果切削速度过高，产生过高的切削热，就会导致氧化锆的相变，从而减小或是去增韧的效果。氧化锆增韧陶瓷在不同的条件下产生不同的相变，使陶瓷便面产生张应力，从而诱发裂纹的产生与扩散，导致磨损的加剧。国内外对氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具的切削性能研究较少，本章对A20Z(c+m)和A15Zc两种陶瓷刀具进行切削实验研究，对不同的工件材料进行切削加工，分析刀具的磨损破损机制，探索其合适的加工条件。实验选取了四种加工材料，分别为淬硬45#钢、淬硬碳素工具钢T10A和灰铸铁。 选用刀具材料的力学性能材料代号抗弯强度（MPa）断裂韧度（MPam1/2）维氏硬度（GPa）A15Zc 813 5.50 16.7A20Z(c+m) 869 5.85 16.12.2 连续切削灰铸铁时的切削性能2.2.1 实验条件车床：CA6140车床实验刀具：A20Z(c+m)和A15Zc工具材料：HT200（57.5HRC）刀具几何角度：前角 0= -7，后角0=5，刃倾角0=-5， 主偏角 r=45，倒棱宽度b1= 0.2 ，倒棱角 01 =20，刀尖圆弧半径 =0.5。切削用量：切削速度v=84.5m/min(低速)和206.5m/min(高速)，进给量f=0.1mm/r ,切削深度 p=0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm。切削方式：干切削2.2.2 实验结果分析图2-1是A20Z(c+m)和A15Zc在不同切削速度、特定进给量和切削深度 p=0.1mm情况下切削灰铸铁时的后刀面磨损量与切削距离关系。从图上可以看出，当进给量、切削速度一定，切削深度给定时，A15Zc的后刀面磨损量在每个切削距离测量点都小于或则等于 A20Z(c+m)的后刀面磨损量，说明A15Zc刀具材料在切削铸铁时比A20Z(c+m)有更好的耐磨性；当改变切削深度时，A15Zc 和 A20Z(c+m) 的后刀面磨损量都增大，从图2-2可以看出， A20Z(c+m) 随切削深度的增大，后刀面的磨损量的增大程度大于A15Zc 的后刀面磨损量。 后刀面磨损量 /m 切削距离/m 图2-1 低速切削灰铸铁HT200时刀具后刀面磨损量（v=84.5m/min）图2-2是A20Z(c+m)切削灰铸铁时，切削速度v=84.5m/min，在四个切削深度下的后刀面磨损量。A20Z(c+m)后刀面磨损量随切削深度的增大而增大，切削深度 p=0.3mm、0.4mm时，后刀面磨损量急剧增大，达到了0.15左右，相比 p=0.1mm、0.2mm时磨损量增大了不少。在切削深度 p=0.3mm、0.4mm条件下，切削672m后磨损量开始增大的比较明显，最大达到0.15mm，相对来说磨损量不算太大。说明A20Z(c+m)陶瓷刀在低速下切削灰铸铁受切削深度的影响不大。 图2-2 A20Z(c+m)低速切削灰铸铁HT200时刀具后刀面磨损（v=84.5m/min）图2-3是A15Zc 低速v=84.5m/min切削灰铸铁时，在四个切削深度下的后刀面磨损量。后刀面磨损量随着切削深度的增大急剧增大，p=0.3mm、0.4mm时的后刀面磨损量在切削1120m后没有明显差异。比较图2-2和图2-3，可以看出，当切削速度为低速，切削深度相同时，A15Zc 后刀面磨损量比 A20Z(c+m)要小一些，说明A15Zc陶瓷刀适合在小的切削深度下低速切削灰铸铁，且在切削灰铸铁时，A15Zc较A20Z(c+m)耐磨一些。同样，A15Zc在低速下切削灰铸铁，切削深度对后刀面的磨损量影响比较小。图2-3 A15Zc低速切削灰铸铁HT200时刀具后刀面磨损（v=84.5m/min） 图2-4是A20Z(c+m)在高速v=206.5m/min，切削灰铸铁，四个切削深度的后刀面磨损量。从图中可以看出，当切削深度p=0.4mm时，后刀面磨损量达到0.3mm，后刀面急剧磨损。切削深度p=0.1mm、0.2mm、0.3mm时磨损也比较大，说明A20Z(c+m)陶瓷刀不适合在高速下切削灰铸铁。 对比图2-2，A20Z(c+m)在高速下切削灰铸铁，当切削深度相同时，低速下的磨损量远远小于高速下的后刀面磨损量。 图2-4 A20Z(c+m)高速切削灰铸铁HT200时刀具后刀面磨损（v=206.5m/min） 图2-5是A15Zc在高速下切削灰铸铁时的后刀面磨损量，切削深度分别为 p=0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm。从图中可以看出，随着切削深度的增大，后刀面的磨损量都没有明显的增大，切削深度为0.4mm时的后刀面磨损量只有0.21mm，对比图2-4，可以看出，高速切削灰铸铁时，A20Z(c+m)的后刀面磨损量比A15Zc要大。A15Zc在高速切削灰铸铁时，切削深度对后刀面的磨损量比较小，可以用较大的切削深度。 图2-5 A15Zc高速切削灰铸铁HT200时刀具后刀面磨损（v=206.5m/min）2.2.3 刀具磨损形态及磨损机理分析 图2-6（a） 、（b）、（c）、（d）和图2-7（a） 、（b）、（c）、（d）是A15Zc在切削速度V=84.5m/min，切削深度分别为p=0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm，切削灰铸铁HT200时刀尖和前刀面的激光扫描图。 从图2-6（a）、（b）、（c）、（d）可以看到，在四个切削深度条件下，A15Zc在低切削速度V=84.5m/min切削灰铸铁时的刀尖处均有不同程度的前刀面磨损和少许的边界磨损。对比图2-7（a） 、（b）、（c）、（d）前刀面的磨损形貌，可以看到四个切削深度条件下均有不同程度的材料剥落，这是由于灰铸铁属于脆性材料，在切削时会产生脆性断裂。 (a) (b) 图2-6 A15Zc低速切削灰铸铁HT200的磨损形貌（刀尖） (c) (d) 图2-6 A15Zc低速切削灰铸铁HT200的磨损形貌（刀尖） （a） （b） 图2-7 A15Zc低速切削灰铸铁HT200的前刀面磨损形貌(SEM) （c） （d） 图2-7 A15Zc低速切削灰铸铁HT200的前刀面磨损形貌(SEM) 图2-8（a）、（b）、（c）、（d）A15Zc在切削速度V=206.5m/min，切削深度分别为p=0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm，切削灰铸铁HT200时刀尖的激光扫描图。从图2-8（a）、（b）、（c）、（d）中可以看出，随着切削深度的增大，刀尖处的前刀面磨损越来越大。切削深度p=0.1mm时，A15Zc在切削速度V=206.5m/min条件下刀尖处没有出现边界磨损，切削深度分别为p=0.2mm、0.3mm、0.4mm，A15Zc均有不同程度的边界磨损和前刀面磨损。 （a） （b） 图2-8 A15Zc高速切削灰铸铁HT200的磨损形貌（刀尖） （c） （d） 图2-8A15Zc高速切削灰铸铁HT200的磨损形貌（刀尖） 图2-9 （a）、（b）、（c）、（d）和图3-10 （a）、（b）、（c）、（d）是A20Z(c+m)在切削速度V=84.5m/min，切削深度分别为p=0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm，切削灰铸铁HT200时刀尖和前刀面的激光扫描图。图2-9 （a）是切削深度为p=0.1mm的刀尖磨损，出现了微崩刃。切削深度p=0.2mm、0.3mm、0.4mm时，刀尖处的磨损情况没多大差别。图2-10 （a）、（b）、（c）、（d）可以看到，前刀面的磨损机理为粘结磨损和磨粒磨损。切削深度p=0.1mm时A20Z(c+m)的前刀面磨损机理为典型的磨粒磨损。p=0.2mm、0.3mm、0.4mm时前刀面有磨粒磨损和少许的粘结磨损。低速切削时，A20Z(c+m)刀具前刀面的磨损随着切削深度的增大没有太大的变化，前刀面上也没有明显的磨损，说明刀具前刀面的磨损较小。 （a） （b） 图2-9 A20Z(c+m)低速切削灰铸铁HT200的磨损形貌（刀尖） （c） （d） 图2-9 A20Z(c+m)低速切削灰铸铁HT200的磨损形貌（刀尖） （a） （b） 图2-10 A20Z(c+m)低速切削灰铸铁HT200的前刀面磨损形貌(SEM) （c