基于陶瓷刀具高溫力學(xué)行為演變的刀具失效機(jī)理研究

發(fā)布時(shí)間：2020-03-31 16:31

【摘要】：陶瓷刀具材料因其具有高的耐熱性、高的硬度、優(yōu)良的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),是21世紀(jì)最重要的刀具材料之一。目前大部分的研究只注重提高陶瓷刀具材料室溫下的綜合力學(xué)性能,而在高速切削時(shí)刀具處于高溫環(huán)境中,陶瓷材料的高溫力學(xué)性能好壞嚴(yán)重影響刀具的切削性能。若能在真正的服役條件下,對(duì)陶瓷刀具材料力學(xué)行為進(jìn)行研究,更能從本質(zhì)上揭示陶瓷刀具的失效機(jī)理。本文針對(duì)陶瓷刀具高溫力學(xué)行為演變的機(jī)理及其與刀具失效機(jī)理的關(guān)系展開(kāi)深入研究,研究成果將對(duì)合理選擇刀具材料以及優(yōu)選切削參數(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。本文選取了組分含量相同但添加相粒徑不同的兩種Al2O3/TiC陶瓷刀具材料進(jìn)行對(duì)比研究,以排除物化相容性的不同對(duì)刀具失效的影響。首先制備兩種刀具材料,一種為微米TiC顆粒復(fù)合Al2O3基陶瓷刀具材料(簡(jiǎn)記為AT55),另一種為微米、納米TiC顆粒復(fù)合Al2O3基陶瓷刀具材料(簡(jiǎn)記為ATT5)。通過(guò)優(yōu)化二者的燒結(jié)工藝得到AT55刀具材料的室溫抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和硬度分別為842MPa、6.88MPa·m1/2和17.46GPa;ATT5陶瓷刀具材料的室溫抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和硬度分別為880MPa、7.00MPa m1/2和18.2GPa。對(duì)比研究了兩種室溫力學(xué)性能不同的陶瓷刀具材料AT55和ATT5高溫性能的變化規(guī)律。研究表明,兩種刀具材料的抗彎強(qiáng)度均隨溫度(20～1000℃范圍內(nèi))升高而減小,在800℃之后急劇下降。添加納米TiC顆粒的ATT5刀具材料雖然室溫抗彎強(qiáng)度高于AT55,但高溫抗彎強(qiáng)度反而較低。兩種刀具材料的斷裂韌度均隨著溫度(20～1100℃范圍內(nèi))的升高先減小后增大,在1000℃時(shí),ATT5刀具材料的斷裂韌度升高出現(xiàn)峰值。兩種刀具材料的硬度均隨著溫度(20～1000℃范圍內(nèi))的升高呈近似線性下降的趨勢(shì)。對(duì)力學(xué)性能的演變機(jī)理進(jìn)行分析認(rèn)為:室溫下,納米TiC顆粒的加入使陶瓷刀具材料的晶粒細(xì)化,同時(shí)晶內(nèi)納米TiC顆粒的存在起到了增大穿晶斷裂比例、阻止裂紋擴(kuò)展的作用,從而提高了材料室溫抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度。而高溫下,納米TiC顆粒更容易被氧化,同時(shí)納米TiC顆粒細(xì)化了晶粒,增大了晶界比,材料更容易軟化,導(dǎo)致材料高溫力學(xué)性能降低。研究了 AT55刀具材料在不同溫度下的摩擦磨損特性。室溫下,在速度為50～150m/min的范圍內(nèi),摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的增加呈近似線性下降的趨勢(shì)。摩擦界面粘附的金屬隨著滑動(dòng)速度的升高越來(lái)越平整均勻,是摩擦系數(shù)逐漸降低的主因。在600～800℃的范圍內(nèi),隨著溫度的升高,材料的摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì),趨勢(shì)逐漸變緩。與室溫相比,高溫下的摩擦系數(shù)更小。室溫下AT55陶瓷刀具材料主要磨損機(jī)理是粘結(jié)磨損附帶磨粒磨損;高溫下刀具材料的主要磨損機(jī)理為磨粒磨損和氧化磨損。對(duì)比研究了兩種高溫性能不同的AT55和ATT5陶瓷刀具在干車削H13鋼時(shí)的切削性能。首先,采用AdvantEdge軟件仿真分析了切削速度對(duì)陶瓷刀具表面溫度分布和切削力的影響;并結(jié)合陶瓷刀具高溫力學(xué)性能變化規(guī)律,擬定了切削實(shí)驗(yàn)的參數(shù)范圍:切削速度50～150m/min,切削深度0.5mm,進(jìn)給量0.1mm/r。切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著切削速度的提高,兩種陶瓷刀具的壽命都先升高后降低,在100m/min的切削速度下刀具壽命最長(zhǎng);并且高溫力學(xué)性能較高的AT55陶瓷刀具切削性能優(yōu)于室溫力學(xué)性能較高的ATT5陶瓷刀具�？梢�(jiàn)刀具的切削性能與刀具材料高溫力學(xué)性能直接相關(guān),而與室溫力學(xué)性能關(guān)系較小。基于陶瓷刀具高溫力學(xué)行為演變,分析了刀具的失效機(jī)理。在低速下,切削溫度相對(duì)較低,工件硬度較高,切削力大,刀具的主要失效形式為破損崩刃,破損前主要的磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損和磨粒磨損。中等速度時(shí),由于切削溫度的升高,工件材料軟化,切削力降低,此溫度下陶瓷刀具材料氧化較輕,高溫力學(xué)性能雖有下降但仍保持在較高的水平,刀具失效形式以磨損為主,主要包括后刀面磨損、月牙洼磨損和邊界磨損,主要的磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損、磨粒磨損和輕微的氧化磨損。高速下,切削溫度達(dá)到900℃,由于陶瓷刀具材料在該溫度下晶界軟化引起抗彎強(qiáng)度的嚴(yán)重下降,導(dǎo)致刀具失效形式以破損為主,并伴有高溫下刀具材料氧化反應(yīng)引起的后刀面磨損和前刀面月牙洼磨損。
【圖文】：