（材料学专业论文）纳米改性ticn基金属陶瓷组织性能及其刀具切削性能的研究.pdf

纳米改性t i ( c ，n ) 基金属陶瓷组织性能及其刀具切削性能的研究 摘要 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷具有优良的物理、力学性能和耐磨性能，因此其作为一 种替代硬质合金的新型工具材料已经被广泛应用于刀具制造，但在国内应用还 比较少。本文通过有限元技术和切削实验来研究分析自制的w i ( c ，n ) 基金属陶瓷 刀具的切削性能，为研究t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具的合理几何参数提供理论依据 和技术支持，对t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具在国内的推广具有重要的意义。 首先，采用了传统的粉末冶金方法制各了纳米t i n 改性t i c 基金属陶瓷材 料和超细晶t i ( c ，n ) 基金属陶瓷材料，通过x r d 、s e m 等手段分析两种材料的 成分、显微组织和宏观力学性能之间的关系。研究发现超细晶t i ( c ，n ) 基金属陶 瓷刀具除硬度高于纳米t i n 改性t i c 基金属陶瓷刀具外，其余力学性能均低于 纳米t i n 改性t i c 基金属陶瓷刀具。 其次，建立了二维切削有限元模型和三维切削有限元模型，利用d e f o r m 有限元软件仿真模拟t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具的切削过程。研究发现本实验自制 的纳米t i n 改性t i c 基金属陶瓷刀具最佳后角为6 0 ，最佳钝圆半径为0 2 m m ； 同时超细晶t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具的耐磨性能比纳米t i n 改性t i c 基金属陶 瓷刀具更优，这与后面的切削实验结果恰恰相反。 最后，进行两种金属陶瓷刀具切削4 5 钢的切削实验。研究表明后角为6 0 时， 纳米t i n 改性t i c 基金属陶瓷刀具的耐磨性最好，进一步验证了有限元模型的正 确性；同时分析了刀具磨损形貌，并讨论了刀具的磨损机理，揭示了金属陶瓷 刀具在较高切削参数条件下切f f u 4 5 号钢时，刀具的磨损形式以氧化磨损和扩散 磨损为主。 关键词：t i ( c ，n ) 基金属陶瓷，切削性能，有限元模型，后角，钝圆半径，磨 损机理 r e s e a r c ho nt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fn a n om o d i f i e d t i ( c ，n ) 一b a s e dc e r m e t sa n dt h e i rc u t t i n gp e r f o r m a n c e a b s t r a c t a san e w s t y l et o o lm a t e r i a li n s t e a do fc e m e n t e dc a r b i d e ，t i ( c ，n ) b a s e d c e r m e t sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nc u t t e rm a n u f a c t u r eo w i n gt ot h e i ro u t s t a n d i n g p h y s i c a l ，m e c h a n i c a la n dw e a r r e s i s t a n tp r o p e r t i e s b u tt i ( c ，n ) - b a s e dc e r m e t sa r e l e s su s e di nc h i n aa tt h ep r e s e n tt i m e i nt h et h e s i s t h ec u t t i n gp e r f o r m a n c eo ft h e s e l f - m a d et i ( c ，n ) 一b a s e dc e r m e t sw e r es t u d i e da n da n a l y s e db ym e a n so ff i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t e c h n o l o g ya n dt u r n i n ge x p e r i m e n t ，w h i c hc a np r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rs t u d y i n gt h er e a s o n a b l eg e o m e t r yo f t i ( c ，n ) - b a s e dc e r m e t sc u t t i n g ，a n da r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c et og e n e r a l i z et i ( c 。 n ) - b a s e dc e r m e t sc u t t e r si nc h i n a f i r s t ，t w ok i n d so fs a m p l e sw e r ep r e p a r e db yt h em e t h o do ft r a d i t i o n a lp o w d e r m e t a l l u r g y o n ei sn a n ot i nm o d i f i e dt i c b a s e dc e r m e t sc u t t e r sa n da n o t h e ri s u l t r a - f i n et i ( c ，n ) - b a s e dc e r m e t sc u t t e r s t h e nt h ec o m p o s i t i o n m i c r o s t r u c t u r e p r o p e r t yr e l a t i o n s h i po ft h et w ok i n d so fc e r m e t sw a sd i s c u s s e dw i t hx r da n d s e m r e s u l t ss h o wt h a tn a n ot i nm o d i f i e dt i c b a s e dc e r m e t sc u t t e r sp o s s e s s b e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a nu l t r a f i n et i ( c ，n ) - b a s e dc e r m e t sc u t t e r se x c e p t f o rh a r d n e s s n e x t ，2 da n d3 dm a c h i n i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l sw e r ef o u n d e d t h e nt h e t u r n i n gp r o c e s so ft i ( c ，n ) 一b a s e dc e r m e t sc u t t e r sw e r es i m u l a t e dw i t hd e f o r m s o f l w a r e r e s u l t sr e v e a lt h a tt h eb e s tc l e a r a n c ea n g l eo fn a n ot i nm o d i f i e dt i c b a s e dc e r m e t sc u t t e r si s6 0 a n dt h eb e s tr o u n d e dc u t t i n ge d g er a d i u si s0 2 m m ； s i m u l t a n e i t y ，t h ew e a r r e s i s t a n tp r o p e r t yo ft h eu l t r a f i n et i ( c ，n ) - b a s e dc e r m e t s c u t t e r si sb e t t e rt h a nn a n ot i nm o d i f i e dt i c b a s e dc e r m e t sc u t t e r s w h i c hi s o p p o s i t et ot h er e s u l t so fl a t t e rt u r n i n ge x p e r i m e n t l a s t ，t h et u r n i n ge x p e r i m e n to ft w ok i n d so fc u t t e r sa g a i n s ta i s i10 4 5c a r b o n s t e e lw e r ec a r r i e do u t r e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ec l e a r a n c ea n g l ei s6 0 t h e w e a r r e s i s t a n tp r o p e r t yo fn a n o ”nm o d i f i e dt i c b a s e dc e r m e t sc u t t e r si st h eb e s t ， w h i c hp r o v e st h a tt h em a c h i n i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l sa r er e a s o n a b l e ；a tt h es a m e t i m e ，t h ew e a rm e c h a n i s m so ft w ok i n d so fc u t t e r sw e r ei n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d ， a n dt h eo x i d a t i v ew e a ra n dd i f f u s i o nw e a rw e r et w op r i n c i p a lw e a rm e c h a n i s m si n h i g hc u t t i n gp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：t i ( c ，n ) 一b a s e dc e r m e t s ，c u t t i n gp e r f o r m a n c e ，f i n i t ee l e m e n tm o d e l ， c l e a r a n c ea n g l e ，r o u n d e dc u t t i n ge d g er a d i u s ，w e a rm e c h a n i s m s 插图清单 图1 - 1典型的金属陶瓷显微组织示意图3 图2 1切削变形区1 1 图2 2 切削变形程度表示1 2 图2 3 刀具磨损曲线1 4 图3 1 金属陶瓷制备工艺流程图2 2 图3 2 脱胶工艺曲线2 3 图3 3 烧结工艺曲线2 4 图3 4 三点弯曲试样及加载方式2 5 图3 5 压痕和裂纹示意图2 7 图4 1两组试样的x r d 衍射图2 9 图4 2 两组试样显微组织图2 9 图4 3 两组试样的断口形貌3 1 图4 - 4 两组试样裂纹扩展图31 图5 1 二维正交切削模型的简化过程3 3 图5 2 三维切削模型的简化过程3 4 图5 3a i s i1 0 4 5 钢材料性能曲线。3 6 图5 4 切屑与前刀面接触表面的摩擦模型3 6 图5 5二维切削几何模型3 8 图5 - 6二维切削有限元网格模型3 9 图5 7二维切削模型边界约束条件设置3 9 图6 1切削力随时间变化的曲线4 2 图6 2 不同后角刀具表面的等效应力分布4 4 图6 3 刀具的前、后刀面上最大等效应力随后角变化的曲线4 5 图6 4 切削时工件上的等效应力分布4 6 图6 5 不同后角刀具切削结束时温度分布4 7 图6 6 前、后刀面上最高温度随后角变化的曲线4 8 图6 7 不同钝圆半径的刀具表面应力状态分布4 9 图6 8 不同钝圆半径r n 刀具切削时的等效应变场分布5 0 图6 - 9 刀具的前、后刀面上最大等效应力随r n 变化的曲线5 0 图6 1 0 不同钝圆半径的刀具切削结束时温度分布5 2 图6 1 1 前、后刀面上最高温度随r n 变化的曲线。5 2 图6 1 2 刀具a 的磨损过程5 4 图6 1 3 两种金属陶瓷刀具的磨损总量曲线5 5 图7 1s n u n l 6 0 5 0 8 s r 型刀具外形尺寸简图5 6 图7 2 不同后角的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具磨损量与切削时间的关系曲线5 7 图7 3 不同后角刀具切削磨损的s e m 照片5 9 图7 4 不同后角刀具的前刀面磨损情况5 9 图7 5 两种不同金属陶瓷刀具磨损量与切削时间的关系曲线6 0 图7 6 两种金属陶瓷刀具磨损带上的能谱成分分析6 1 图7 7 两种金属陶瓷刀具磨损的s e m 照片6 2 图7 8 纳米t i c 改性t i c 基金属陶瓷刀具刀尖部分磨损的s e m 照片6 3 表格清单 表1 1t i ( c ，n ) 基金属陶瓷发展概况。2 表3 1试样成分配比设计2 0 表3 2原始粉末的主要技术参数2 1 表3 3各组元的理论密度2 2 表3 4试样的理论密度及混合粉料质量2 2 表4 1两组试样的各项力学性能实验数据3 0 表4 2各组分的材料物理性能3 2 表4 3t i ( c ，n ) 基金属陶瓷物理性能一3 2 表6 1切削力的验证4 3 表7 1两种金属陶瓷刀具的切削寿命和失效方式5 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目巴王些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：练式签字日期：厶哆年午月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月巴工些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：索葳 签字日期：唧年争月弓日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 、l 刀彳 签字日期罗年r 月j 日 t 卜 致谢 本文是在导师刘宁教授的悉心指导和热情关怀下完成的。在过去的三年里， 刘老师严谨的治学态度、渊博的知识、敏锐的科学思维、大胆创新的科学精神 以及无私奉献的高尚情操、乐观大度的生活态度让学生终生铭记，受益一生。 另外，刘老师在生活上也给予作者以无微不至的关怀和帮助，不仅传授科研治 学的思路和方法，更注重教导为人处世的道理和准则。值此论文完成之际，谨向 刘老师的辛勤培养和教育表示最崇高的敬意和最衷心的感谢! 在课题的研究过程中，材料科学与工程学院材料加工工程专业的陈文琳老 师，材料科学与工程学院实验中心的汪冬梅、郑玉春、程娟文、刘玉、胡青卓、 舒霞、夏永红等老师，化工学院x r d 测试中心唐述培老师，合肥工业大学仪器 分析测试中心的黄新民、刘兰花、刘衍芳等老师，机械与汽车学院的杨海东老 师和邢庭元老师，以及中科院南京地质古生物研究所茅永强研究员，为作者提 供了实验上的大力帮助和支持，作者在此致以深深的谢意! 此外，同实验室的师兄章晓波、詹斌、于超、李勇，师姐陈炎，同组刘忠 伟、宋瑞颖、张红芹，和师妹李海艳、王丽利，还有材料加工专业的李伟师兄， 同年级材料加工专业的王荐同学和机械与汽车学院的庆振华同学，也不辞辛苦 地给予了大量的帮助和合作，让本人非常感激，在此也表示深深的谢意! 作者还要感谢同室好友及研2 0 0 6 - 0 8 班的全体同学，是他们在学习、生活 和工作上的关心、帮助和支持，伴随作者度过愉快的三年研究生学习生涯，令 作者终生难忘! 最后作者还要感谢家乡的父母所给予的无私关怀、默默支持和殷切鼓励! 衷心感谢所有关心支持作者的老师和同学! 作者：蔡威 2 0 0 9 年2 月9 日 第一章绪论 1 1引言 材料是现代科学技术的三大支柱之一，作为产业发展的基础，新材料的研 发已显得至关重要。随着社会生产力的迅速发展，各行各业日新月异，对材料 的要求也逐步提高。陶瓷材料是继金属材料、高分子材料之后出现的第三大类 材料。众所周知，金属材料( 纯金属或合金) 的化学键大都是金属键，是由金 属正离子和充满其间的电子云所组成。金属键没有方向性，因此金属具有很好 的塑性变形性能。而作为无机非金属化合物的陶瓷来讲，其化学键是离子键和 共价键。这种化学键有很强的方向性和很高的结合能，因而陶瓷具有耐高温、 耐腐蚀、耐磨损等优异性能，是最具有发展潜力的材料之一一。但是，陶瓷材 料的脆性问题导致陶瓷部件的可靠性得不到保障，制约着陶瓷材料的进一步发 展，如何提高陶瓷材料的强韧性，是当今材料学者关注的热点。近年来，人 们为克服陶瓷材料的脆性，提高其韧性和强度进行了大量的研究工作，并取得 了许多可喜的成果。目前陶瓷材料的强韧化方法主要有：相变韧化、纤维增韧、 晶须及颗粒韧化等。此外，通过向陶瓷材料中加入一定量的金属相，也是提 高陶瓷材料强韧性的重要途径。 金属具有良好的抗热震性和韧性，但高温强度不高并且容易氧化，而陶瓷 具有高的硬度，良好的耐热性和耐腐蚀性，但抗热震性低，脆性大。如果通过 一定的工艺方法将它们结合起来制成一种材料，那么该材料有可能兼有两者的 优点。金属陶瓷就是基于上述思想设计制备出来的。 “金属陶瓷 一词，英语里最常使用的是“c e r m e t ”，它是由陶瓷( c e r a m i c ) 和金属( m e t a l ) 两词词头组合的。由此可以简要地看出，金属陶瓷是由陶瓷相 ( c e r a m i c ) 和金属相( m e t a l ) 组成的一种复合材料。我国国标g b 3 5 0 0 8 3 给出了 金属陶瓷的定义：“由至少一种金属相和至少一种通常为陶瓷性质的非金属相 组成的烧结材料 。而本文中的金属陶瓷仅指t i ( c ，n ) 为主要陶瓷相，以n i 、c o 为金属粘结相的金属陶瓷材料。实践表明，合成后的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷兼有金 属优良的热稳定性、韧性、抗弯性和陶瓷的高硬度、耐高温、抗氧化和抗腐蚀 性能等优点，是一种适合用作切削刀具材料【4 西】。但是与w c 基硬质合金相比， t i ( c ，n ) 基金属陶瓷仍然存在着抗破损性能差和韧性低等问题。因此，如何提高 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的抗破损能力和韧性已经成为材料工作者努力的方向。 1 2 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷 1 2 1 t i ( c ，n ) 基陶瓷的发展状况 t i c n i 金属陶瓷问世于1 9 2 9 年，最初作为w c c o 系硬质合金的代用材料， 用于切削加工方面，但由于脆性很大，其应用受到限制【7 9 1 。进入2 0 世纪5 0 年代， 在研制喷气式发动机叶片用高温材料时，发现t i c n i 系金属陶瓷具有优良的高 温性能和比重小等优点。但是，在烧结时n i 不能完全润湿t i c 颗粒，t i c 颗粒发 生聚集长大，导致材料韧性很差，最终未能达到用作高温材料的目的【lo ，1 1 】。1 9 5 6 年，美国福特汽车公司发现在t i c n i 系金属陶瓷中添加m o ( 或m 0 2 c ) 可改善 液态金属n i 相对t i c 陶瓷相的润湿性，润湿角从7 0 0 降n 0 0 ，使t i c 晶粒细化，从 而大大提高金属陶瓷的强度 1 2 。14 1 ，这一发现是t i c 基金属陶瓷发展过程中重大 的突破。随后，更多美国、日本等国家硬质合金厂开始积极从事于t i c 基金属 陶瓷的研制工作【6 j 。 1 9 7 1 年，k i e f f e r 等人研究发现，在t i c m o n i 系金属陶瓷中添力i t i n ，不仅可 显著细化硬质相晶粒，改善金属陶瓷的室温和高温力学性能，而且还可大幅度 地提高金属陶瓷耐高温、耐腐蚀和抗氧化性能 1 5 , 1 6 】。这一重大发现，促使t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的研制与开发迅速地发展起来。随着经济全球化的逐渐形成和制造 加工业的迅速发展，美国、日本、欧洲和我国对t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的研究与应 用急剧增加。据统计，1 9 9 0 年日本的刀具材料中，金属陶瓷已占总数的2 8 2 ， 而且这一比率将会有较大的增加【1 7 j 。 8 0 年代末9 0 年代初，纳米技术( n a n o s t ) 诞生并迅速崛起。它的出现为金属 陶瓷的发展注入了新的活力。本实验室的刘宁等人研究了添加纳米t i n 对t i c 基 金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。研究发现加入纳米t i n 可以有效抑带l j t i c 颗粒的粗化，材料的各项性能( 抗弯强度、硬度、断裂韧性) 都有所上升【l 引。 随后的切削试验表明纳米改性的金属陶瓷刀具与y g 类硬质合金相比，具有硬度 高，耐高温和化学稳定性好等优良特性，切削寿命显著延长【l9 1 。纵观t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的发展历程，t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的发展可大致总结于下表【2 0 】： 表1 1 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的发展概况 1 2 2t i ( c ，n ) 基金属陶瓷组织结构 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的正常组织是由陶瓷硬质相( c e r a m i cp h a s e ) 和金属粘结 相( b i n d e rp h a s e ) 组成的两相组织。其中金属陶瓷的硬质相通常为芯壳 ( c o r e r i m ) 结构，且金属陶瓷的壳( r i m ) ( 即包裹相) 还可以分为内壳层( i n n e rr i m ) 和外壳层( o u t e rr i m ) 两个部分( 如图1 所示【2 1 1 ) ，其中内壳层是在固相烧结阶 2 段形成的，而外壳层是在液相烧结阶段形成的【2 ”。金属陶瓷芯部的成分主要是 没有完全溶解的t i ( c ，n ) 颗粒，而壳部主要是通过溶解一再析出 ( d i s s o l u t i o n r e p r e c i p i t a t i o n ) 机制新形成的复杂的( t i ，w ，m e ，t a ) ( c ，n ) 碳氮化 物固溶体 2 3 】。研究表明，芯部和壳部的晶体结构都是面心立方结构。由于壳部 含有芯部所没有的m o 、w 、t a 、n b 等重元素，在背散射模式( b a c ks c a t t e r e d e l e c t r o n b s e ) 下用s e m 观察这种芯壳结构时，芯部呈黑色，壳部呈现灰色，这 也是金属陶瓷显微组织最典型的特征。 图1 1典型的金属陶瓷显微组织示意图i 2 t i ( c 。n ) 基金属陶瓷中加入w c 、t a c 、n b c 、h f c 、v c 、a i n 等添加剂，或 以c o 部分或全部代替n l ，不会从根本上改变t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的这种微观组织 结构。 由于t i ( c ，n ) 基金属陶瓷在烧结过程中，会在碳氨化物硬质相颗粒周围形成 壳层，使得硬质相颗粒几乎不会通过合并机制长大。t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的硬质 相晶粒度大多为微米级，如果采用亚微米级的t i c 、t i n 原材料，可获得更细的 组织结构。壳层的厚度与烧结温度及n 含量等因素有关。随着烧结温度升高， 壳层会变厚，而随着n 含量增加，壳层会变薄。由于壳层属于脆性相，如果太厚 会对材料的性能不利，因此为得到性能优异的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷，必须控制壳 层的生长2 ”。 123 合金成分对t i ( c ，n ) 基陶瓷组织和性能的影响 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷添加剂的种类较多，可形成多种系列的金属陶瓷，但其 基本的系列仍是t i ( c ，n ) n i - m e 系和t i c t i n - m 0 2 c - n i 系。其常用的添加剂主要 起到以下的作用：改进硬质相的性能；强化粘结相：控制环形相的厚度及改进 环形相的结构和性能；细化晶粒等 2 4 1 。 1 2 3 1c 的影响 c 含量对材料的组织性能有着较大影响。c 粉的的加入量取决于原料粉中氧 和钼粉加入量。c 的加入量一方面要确保m 0 2 c 和脱氧所需碳量，使烧结后的组 织处于粘结相和硬质相两相区内，c 含量过低或者过高，都会使组织离开两相 区而生成第三相；另一方面要使材料中碳化物有合适的c 含量，以获得较高的 韧性。一般情况下，随着c 含量的增加，合金的组织细化，合金液相点温度降 低，w 、m o 、t i 等元素在粘结相中的溶解度降低，合金的硬度和强度增加。当 c 含量过低时，组织会出现偏离的两相区，并生成角状的新相r i ( n i 3 t i ) 相，使材 料的强度和硬度降低；而c 含量过高时，组织会出现大量的游离石墨，也大大 降低材料的力学性能【2 5 | 。 1 2 3 2n 的影响 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷中加入n 可以阻碍了m o 向t i ( c ，n ) 的扩散和t i 通过n i 的 扩散，从而抑制壳层的发展，使金属陶瓷的晶粒细化。 刘宁等 2 6 】研究指出，t i n 的加入量应在1 0 左右，而在高n i 的t i ( c ，n ) 基金 属陶瓷中，t i n 所占质量分数在1 2 左右为最佳。当t i n 加入过多时，会急剧降 低粘结相和硬质相之间的润湿性，游离t i n 含量增加，从而降低材料的综合力 学性能。同时烧结时会出现脱n 现象，脱出的氮气会残留在材料中，从而降低 了致密度，也会降低材料的力学性能。最佳的含氮量与合金的成分及制造工艺 有密切的关系。 1 2 3 3 粘结剂( n i c o ) 的影响 n i c o 为t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的常用粘结剂。在t i c n i m o 金属陶瓷中，n i 含量的影响与c o 对w c c o 合金的影响相似。金属陶瓷的抗弯强度随着n i 含量的 增加而升高，硬度则下降。无c o 的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具有着较高的切削速度 和加工光洁度，但脆性很大；而含c o 材料却无上述缺点，并且硬度、红硬性和 高温抗氧化能力都较高。另外，c o 的韧性比n i 更高，对硬质相的润湿性更好， 可减少了合金的孔隙度。同时m o 、w 等元素在c o 中的溶解度也比n i 中高，有利 于提高合金的强度。因此，在现代的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷研究和生产中，有着以 c o 部分或全部取代n i 作粘结相的趋势【2 引。 1 2 3 4m o 的影响 在n i 系金属陶瓷中，加入的m o 可以和t i c 、t i n 、w c 等硬质相生成包裹相， 包裹在硬质相的周围，从而改善粘结金属n i 对硬质相的润湿性，抑制烧结时碳 化物相晶粒的长大，提高金属陶瓷的力学性能 2 4 , 2 7 】。m o 一般是以m o 或m 0 2 c 的 4 形式加入，但贺从训等【28 j 研究发现，加入m 0 2 c 的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷只含有 t i ( c ，n ) 和n i 相，而加入m o 的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷除了t i ( c ，n ) 相和n i 相外，还有 脆性相n i 3 t i 的存在，而且其晶粒比加入m 0 2 c 的粗大，所以其性能不如加入m 0 2 c 的金属陶瓷。 虽然m o 能改善粘结相对t i ( c ，n ) 的润湿性，但是我们一般直接加入m o 或 m 0 2 c 粉制备金属陶瓷，因为若用t i c 、m 0 2 c 预$ 1 j ( t i ，m o ) c 固溶体后再制造金属 陶瓷，反而会降低粘结相对碳化物的润湿性，使材料变脆【27 i 。 1 2 3 5 碳化物的影响 ( 1 ) w c 的影响 文献 2 4 指出：加入w c 可使金属陶瓷强度上升而硬度略有降低。这是由于 w c 的加入改善了粘结相对t i ( c ，n ) 的润湿性，使强度提高；同时由于使碳化物 相晶粒变粗而导致硬度下降。加入w c 或w c t i c 固溶体可以提高金属陶瓷的韧 性和抗断裂性及抗塑性变形能力，而耐磨性稍有下降。若在添加w c 的同时加 少量c o ，则可改善液态粘结金属对碳化物相的润湿性。在含n 金属陶瓷中，w 具有与m o 相同的作用，也促进包裹相的形成，并在包裹相中富集。w c 过多则 会使包裹相变厚，导致硬质相晶粒粗大。w c 的弹性模量比t i ( c ，n ) 和t i c 高，而 且可在一定压力下进行塑性变形，因此加入w c 可提高t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的强 韧性。 ( 2 ) 其他碳化物的影响 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷中经常加入t a c 、n b c 、v c 、c r 3 c 2 ，z r c 等碳化物来改 善其力学性能。其中加入t a c ( 或者n b c ) 可以和t i ( c ，n ) 形成( n b ，t a ，t i ) ( c ，n ) 固溶体，抑制晶粒长大，提高金属陶瓷的韧性、红硬性和耐热冲击性；加入一 定量的v c 不但可以细化晶粒，提高金属陶瓷的抗剪切强度和耐磨性，改善材料 的力学性能，而且还可以提高金属陶瓷刀具的抗变形能力，延长刀具的寿命； c r 3 c 2 对t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的作用与v c 相似，它具有细化晶粒，提高金属陶瓷 的抗弯强度和耐磨性，改善材料力学性能的作用2 4 , 2 7 , 2 9 ；z r c 可以在金属陶瓷 烧结过程中微量固溶，抑制n i 原子的扩散，使粘结相不易发生塑性变形，并能 提高材料的高温性能以及刀具的抗崩刃性和车削寿命【2 9 , 3 0 , 3 1 】：加入一定量的s i c 晶须颗粒，可以改善t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧性【3 2 , 3 3 】。 1 2 3 6 其它成分的影响 人们经常加入a 1 、h f 、y 等元素，来改善金属陶瓷力学性能。加入a l 能强 化粘结相，提高金属陶瓷的高温强度和耐磨性。加入h 蹲稀土元素可起到降低 材料的共晶温度，使材料提前进入液相烧结，提高材料的致密度；与烧结体中 的气体杂质形成难熔化合物，降低孔隙率，提高材料强度；可以与界面上的杂 质结合，净化界面，改善其润湿性；抑制马氏体相变，提高材料韧性等作用 2 4 , 2 7 , 2 9 】。稀土元素y 可渊t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的硬质相颗粒，并使硬质相包 裹层的厚度略有增加，改善t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的抗弯强度和硬度；同时，y 可 以吸附在t i ( c ，n ) 基金属陶瓷粘结相硬质相界面处，能够起到净化界面的作用 【3 4 】 0 1 3刀具材料的发展状况 刀具是机床实现切削加工的直接执行者，它对加工质量、效率、成本影响 最为重要。有资料表明，2 0 0 3 年全世界刀具的总产值为1 l o 亿美元，占机械制 造业产值的1 0 ，可见刀具在切削加工中的重要性。 刀具材料一般是指刀具切削部分的材料。它的性能优劣是影响加工表面质 量、切削效率、刀具寿命的重要因素。选用新型刀具材料不但能有效地提高切 削效率、加工质量和降低成本，而且往往是解决某些难加工材料的关键。 1 3 1刀具材料应具有的性能 在金属切削过程中，刀具切削部分在高温下承受着很大切削力与剧烈摩擦， 而且断续切削工作时，还伴随着冲击与振动。因此刀具材料应具备高硬度、高 耐磨性、高耐热性、足够的强度与韧性、良好的抗扩散及抗氧化性、良好的导 热性和较小的线膨胀系数等性能3 5 ，36 1 。 1 3 2常用的刀具材料类型 1 3 2 1高速钢【如，j 7 j 高速钢是含有w 、m o 、c r 、v 等合金元素较多的合金工具钢。常用的牌号 有w 18 c r 4 v ，w 6 m 0 5 c r 4 v 2 等。高速钢的综合性能较好，热处理后硬度达 6 2 6 6 h r c ，抗弯强度有3 3 g p a ，耐热性为6 0 0 左右，而且还具有热处理变形 小、能锻造、易磨出较锋利的刃口等优点。因此，高速钢是应用范围最广的一 种刀具材料。目前我国的高速钢的产量已经是世界第一。 由于w 是战略物资，而且高速钢刀具对碳化物偏析要求比较高，因此高速 钢的开发与应用受到了一定的限制。近年来，利用粉末冶金和铸造方法来生产 高速钢的技术的出现，给高速钢的生产和应用带来新的生机。 1 3 2 2硬质合金 硬质合金是以w 的碳化物( w c ) 、钛的碳化物( t i c ) 粉末为主要成分，以c o 、 m o 、n i 为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。硬质 合金的硬度很高，可达8 9 9 1 h r a ，而抗弯强度为1 1 7 5 g p a ，约为w 1 8 c r 4 v 高速钢抗弯强度的一半。由于耐热性高、耐磨性高，目前许多刀具如车刀、端 面铣刀、绞刀等都以硬质合金作为主要刀具材料。随着技术的发展，硬质合金 在复杂刀具上得到生产应用，并且应用范围逐步扩大，有取代高速钢的趋势。 6 硬质合金主要分为两大类【36 3 7 】：一是钨钴类( v o 类) ，另一是钨钴钛类( v t 类) 前者主要用于加工铸铁类零件，而后者主要是以加工钢类零件为主的，如果 变化其化学成分，可以应用到各种不同的用途上。 随着科学技术的发展，硬质合金的进步比较快，特别是一些新技术的应用， 使硬质合金的性能得到大幅的提高。比如超细粒度的采用，使合金界面大幅地 增大，致使刀具的硬度和耐用性明显地提高。 1 3 2 3 金属陶瓷 金属陶瓷的制造工艺与硬质合金相似，只是所含成分有所差异，因此有人 将金属陶瓷归入硬质合金类，也有人将硬质合金归入金属陶瓷类。根据习惯， 人们经常认为金属陶瓷就是t i ( c ，n ) 基硬质合金，它是以t i ( c ，n ) 为基体，n i 、 m o 、c o 为粘结剂，并含有少量其它碳化物的复合材料。由于这种材料不但具 有高的硬度和耐磨性，优良的化学稳定性、红硬性和抗蠕变性能，而且具有一 定的韧性和强度，因此目前其已被广泛应用于刀具制造。与传统的w c c o 系 硬质合金刀具相比，t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具不仅具有更高的硬度和耐磨性，而 且与金属间的摩擦系数更低，抗月牙洼磨损能力更强，适用于高速铣削、精加 工和半抛光，特别是大大地节约了c o 、w 等稀贵的战略资源，降低了刀具制 造成本【3 8 , 3 9 】。同时与t i c 基金属陶瓷刀具相比，t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具在高温 下具有更高的硬度和横向断裂强度，更好的抗氧化性能和高温抗蠕变能力，因 此t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具已覆盖了w c 基硬质合金刀具和t i c 基金属陶瓷刀 具的大部分使用范围【3 引。因此，此种刀具材料的研究前景非常乐观。据统计， 到今天，在日本的金属切削领域中，金属陶瓷刀片已占可转位刀片总数的3 0 ， 迄今仍在扩大其应用范围，而美国却只有5 ，但在美国制造业中已开始大量 应用金属陶瓷刀具。随着金属陶瓷制造技术的发展，金属陶瓷刀具的应用领域 及使用量正在迅速扩大和增长。 1 3 2 4陶瓷 陶瓷刀具是以a 1 2 0 3 或以s i 3 n 4 等为基体，再加入少量的金属，在高温下烧 结而成的一种材料。陶瓷具有很高的硬度和耐磨性，适用与加工5 0 6 5 h r c 的 高硬度材料，而且在1 2 0 0 c 的高温下仍能工作。与硬质合金刀具相比，陶瓷刀 具的耐磨性一般是硬质合金的5 2 0 倍；陶瓷刀具还具有良好的抗粘结性、化 学稳定性及较低的摩擦系数，而且陶瓷刀具材料使用的主要是氧化铝、氧化硅 等地壳中最丰富的元素，可以说是取之不尽，用之不竭的一。由此可以看 出，陶瓷刀具的使用前景是多么的广阔。但是陶瓷刀具存在着韧性低，抗弯强 度差，脆性大等致命缺点，极大地限制了陶瓷刀具的应用范围。如何提高陶瓷 刀具的韧性和抗弯强度已经成为材料工作者的研究重点。 7 1 3 2 5 超硬材料 超硬材料一般指的是人造金刚石和立方氮化硼，以这些粉末与结合剂烧结 而成的刀具分别为聚晶金刚石( p c d ) 和聚晶立方氮化硼( p c b n ) 。 p c d 刀具的硬度比硬质合金高3 4 倍，耐磨性及寿命高1 0 0 倍，而且刀具 的导热性好，热膨胀系数较低，所以特别适用于精密加工。但是这类刀具不适 用于加工黑色金属材料，因为切削温度超过7 5 0 时，金刚石中的碳就会与铁 元素发生化学反应，生成碳化物，从而使刀具很快磨损，故p c d 刀具适于加工 有色金属及非金属材料，尤其是加工高硅铝合金1 3 6 , 4 1j 。 p c b n 拥有很高的硬度和耐磨性，显微硬度达到3 5 0 0 4 5 0 0 h v ，仅次于金 刚石，而且它还具有很高的热稳定性，切削速度可达到硬质合金刀具的4 6 倍。 由于p c b n 材料的一系列优点，p c b n 刀具能够对淬硬钢、冷硬铸铁进行粗加 工于半精加工，同时还能高速切削高温合金、热喷涂材料等加工材料。 1 3 2 6 涂层刀具 刀具涂层技术的出现，为刀具材料的开发提供了一条新的发展方法。目前， 涂层刀具发展的很快，8 0 以上都是涂层刀具。广泛应用的是在硬质合金和高 速钢刀体上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物等，其中氧化铝( a 1 2 0 3 1 、碳氮 化钛( t i ( c ，n ) ) 、氮化铝钛( t i a l n ) 、碳氮化铝钛( t i a l c n ) 等，有优异的高温性能。 涂层刀具随涂层物质不同，其性质也有差别，涂层硬质合金刀具具有：高的硬 度和耐磨性( 2 1 0 0 4 2 0 0 h v ) 、高的耐热性( 1 0 0 0 1 2 0 0 ) 、高的抗粘结性能、高 的化学稳定性和摩擦系数低等。随着涂层技术的发展，也出现涂层被应用于陶 瓷和超硬材料的技术，该技术仍在开发中，是目前的一个研究热点。但是涂层 刀具不适用于特别重载下的粗加工和冲击大的断续切削以及高硬度材料( 如淬 硬钢、冷硬铸铁) ，涂层刀具低速切削时，容易产生剥削、崩碎等，表面涂层的 刀具重磨后，涂层效果降低【3 l 4 。 1 4 金属切削过程有限元模拟技术的发展状况 有限元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。在应用有 限元法分析问题时，首先采用“化整为零 的办法，将连续体分解为有限个比 较简单的“单元，对这些单元分别进行分析；然后采用“积零为整”的办法， 将各个单元重新组合为原连续体的简化“模型 ，通过求解这个模型得到问题 的基本未知量( 例如：位移) 在若干离散点上的数值解；最后，根据得到的数 值解，再回到各个单元中计算其它物理量( 例如应变、应力) 4 , z , 4 3 j 。 基于有限元方法，许多学者对金属切削过程都进行了大量的基础性研究。 最早的研究可以追溯n 2 0 世纪4 0 年代，p i i s p a n e n ，m e r c h a n t 以及o x l e y 等人研 究了剪切角、刀具前角和刀具与加工材料的摩擦等；l e e 和s h a p t e r 利用滑移线 场理论研究理想刚塑性材料的切削现象；p a m l e r 和o x l e y 建立了一种新的理论， 研究了包括加工硬化等现象。但是仅仅通过解析求解仍不能解决的切削工艺中 的更复杂问题，例如切屑与