陶瓷刀具切削加工时的磨损与润滑-陶瓷刀具切削加工时的润滑

陶瓷刀具切削加工时的磨损与润滑(二)

文章作者：山东大学邓建新艾兴

3．陶瓷刀具切削加工时的润滑

对于陶瓷刀具在切削加工中是否需要润滑目前看法尚不统一。有些学者认为，陶瓷刀具具有高硬度、高熔点、耐高温等特点，且抗热震性较差，对热应力很敏感，不适当的冷却作用会使刀具产生热裂纹而发生破损，因此陶瓷刀具切削加工时不需冷却和润滑即可满足使用要求。但也有不少研究者认为，陶瓷刀具在加工某些难加工材料时（如用晶须增韧陶瓷刀具加工镍基高温合金），必须充分使用切削液（含氯化石蜡的切削液效果更好）。采用适当的冷却和润滑对减小陶瓷刀具磨损、延长其使用寿命十分有益。

Tonshoff等人研究了Al2O3/TiC陶瓷刀具车削淬硬钢时润滑剂的作用，切削试验分别在干切削和不同润滑剂润滑条件下进行。结果表明：刀具的磨损、已加工表面质量以及切屑的形成均受到润滑剂的影响。与干切削相比，采用润滑剂的刀具寿命延长，工件已加工表面质量显著提高。这主要是因为润滑剂中的极压添加剂在切削条件下与工件表面发生摩擦化学反应而形成了化学吸附膜。通过对润滑切削条件下的工件表面进行成分分析，发现了含FeS和FePO4等成分的极压润滑膜，正是这种极压润滑膜降低了切削摩擦力，抑制了粘结的发生，从而减小了刀具磨损。

Cheryl对Si3N4 / TiC 陶瓷材料在900℃高温下的摩擦磨损试验研究表明：Si3N4和TiC在高温下发生氧化，在摩擦表面生成含Si和Ti的氧化物保护膜，可显著降低摩擦系数，并有利于提高材料的耐磨性能。用Si3N4基和Al2O3基陶瓷刀具进行镍基合金的切削试验发现，干切削条件下刀具失效的主要原因是严重的前刀面磨损及切屑在刀具上的粘结，而使用切削润滑剂改善了刀具的切削性能，提高了切削效率和加工件的表面质量。有人曾对多种润滑剂、添加剂对陶瓷—金属摩擦副的润滑作用进行了研究，发现油基切削液比水基切削液更为有效。如使用含二烷基二硫化磷酸锌（ZDDP）的润滑油进行润滑，Si3N4陶瓷刀具切削45钢时的磨损率与干切削相比可减小两个数量级，切削不锈钢时的磨损率比干切削时可减小一个数量级。表面分析发现，Si3N4及工件的磨损表面上有ZnO、FeS、FePO4等摩擦化学反应产物生成。中国热模网首发

作者曾对Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬钢进行了试验研究，结果表明：该陶瓷刀具高速干切削时具有自润滑功能。当切削速度较低时，切削温度也较低，刀具的磨损机制主要表现为磨料磨损与粘结磨损；当切削速度很高时，刀具表面平均切削温度较高，实际瞬时最高温度大于平均温度，切削后刀具磨损区的XRD谱图中出现了TiO2衍射峰，这表明TiB2在切削高温的作用下发生了氧化。TiB2的氧化物TiO2能在切屑与刀具前刀面之间起到固体润滑剂的作用，进而可减小切削力和前刀面的平均摩擦系数μ，并能减轻刀具的粘结磨损，提高刀具的耐磨性能。

4．陶瓷刀具与加工对象的匹配

每一种陶瓷刀具都有其特定的加工范围，不同的陶瓷刀具（或同种陶瓷刀具）在加工不同工件材料时其磨损形态和刀具寿命有很大差别。因此，每一种陶瓷刀具都有其最佳加工对象，即存在陶瓷刀具与加工对象的最佳匹配问题。

Al2O3基陶瓷刀具中含有铝元素，因此Al2O3基陶瓷刀具在加工铝及铝合金时存在较大亲和力，刀具会产生较大的粘结磨损和扩散磨损。Al2O3/TiC和Al2O3（/W，Ti）C等陶瓷刀具中含有铝及钛元素，用此类陶瓷刀具加工钛及钛合金、铝及铝合金时也存在较大亲和力，因此它们都不适合加工铝、钛及其合金。纯铁与Al2O3刀具之间的粘结倾向比钢和铸铁更大，纯Al2O3陶瓷刀具在切削纯铁时约在500℃就开始粘结，与其它超硬刀具（如金刚石、立方氮化硼刀具）相比，Al2O3刀具与铁之间的扩散作用最小。中国热模网首发

SiC颗粒或SiC晶须增韧的Al2O3刀具在加工镍基合金时表现出优良的切削性能，但在加工钢时，因Fe容易与SiC发生反应而使刀具材料急剧磨损。用含有SiC的陶瓷刀具加工淬硬钢时，在切削高温作用下，SiC很容易与工件中的Fe产生化学反应，反应式为

4Fe SiC→FeSi Fe3C

切削速度越高，切削温度也随之升高，会进一步加剧Fe与SiC的反应速度。SiC晶须与Fe反应后使晶须原有的硬度和耐磨性能降低，晶须与基体的结合强度削弱，因而晶须在磨粒作用下容易脱落，从而减弱晶须的增韧作用。此外，陶瓷刀具在高温下还会产生溶解磨损，表1为陶瓷刀具材料各组分与Fe在1323℃温度时的溶解度。由表可见，Al2O3和ZrO2在Fe中的溶解度最小，溶解度由大到小的顺序为：SiC→TiN→TiC→Al2O3→ZrO2。在高温下SiC在Fe中的溶解度比TiC和TiN的溶解度高两个数量级以上。由于Fe与SiC晶须的化学反应及相互溶解，使刀具材料中Fe元素含量增加，进一步增大了刀具与工件的粘着倾向，因此对刀具的耐磨性能不利。因此，含有SiC颗粒或SiC晶须的陶瓷刀具不适合加工钢件。

表1 陶瓷刀具材料组分1323℃时在Fe 中的溶解度
材料组分－溶解度（mol%）
ZrO2－3.6×10-8
Al2O3－5.6×10-7
TiC－1.0×10-3 中国热点模具网
TiN－1.9×10-3
SiC－6.4×10-1

Al2O3/ZrO2陶瓷刀具中的材料组分Al2O3和ZrO2在高温下的化学稳定性好，且与Fe的溶解度很小，不易向工件材料中扩散及溶解，因此Al2O3/ZrO2具有较好耐磨性能。由于Al2O3/ZrO2陶瓷刀具在高温（1170℃以上）下ZrO2的增韧效果会显著减小，所以Al2O3/ZrO2陶瓷刀具不适合温度较高的高速或超高速切削，只适合在较低切削速度范围内进行切削加工，Si3N4基陶瓷刀具适于高速切削铸铁，加工镍基合金也能取得满意结果，但切削奥氏体不锈钢时则磨损严重。由于Si3N4和Fe 之间存在较大亲和力以及Si和Fe之间的相互扩散，高速切削产生的高温会大大加剧Si3N4与这类工件间的化学作用及元素扩散，加剧Si3N4刀具的磨损，所以Si3N4刀具也不适合高速切削纯铁和碳钢等材料。总的来说，Al2O3基陶瓷刀具具有良好的耐磨损性能及耐高温性能（均高于Si3N4基陶瓷刀具），且其高温化学稳定性很好，不易与铁元素发生相互扩散或化学反应，因而Al2O3基陶瓷刀具的应用范围最广，适于高速切削钢、铸铁及其合金；Si3N4基陶瓷刀具的断裂韧性和抗热裂性高于Al2O3基陶瓷刀具，适于断续加工铸铁及铸铁合金；ZrO2增韧陶瓷刀具室温韧性较高，适于断续切削，但不适合温度较高的高速或超高速切削；添加SiC的陶瓷刀具最适合加工镍基高温合金、纯镍和高镍合金等，但不适于加工钢和铸铁。
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5．结语

综上所述，不同种类的陶瓷刀具（或同种类刀具）加工不同工件时，其磨损形态不同。冷却与润滑对陶瓷刀具的磨损和刀具寿命会产生很大影响，采用适当的冷却和润滑对减小陶瓷刀具磨损、延长使用寿命十分有益。

在实际应用中，每一种陶瓷刀具都有其特定的加工范围，陶瓷刀具与其加工对象之间存在最佳匹配问题，应根据所加工的工件材料选择合适的刀具材料，并根据刀具材料中是否含有高温下易与工件材料发生扩散及化学作用的组分来确定最佳切削用量。 (end)

(一) (二)

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