硬脆刀具材料的高溫摩擦磨損特性及機理研究.pdf

1、干切削、高速切削和硬切削等先進加工工藝可以實現(xiàn)難加工材料的高效、清潔加工，是現(xiàn)代切削加工技術(shù)的重要發(fā)展方向。干切削、高速切削和硬切削過程中切削熱產(chǎn)生量大，切削溫度高，刀具磨損加劇，對刀具材料的高溫摩擦磨損性能提出了更高的要求。本文系統(tǒng)研究了三種典型硬脆刀具材料(PCD刀具、Al2O3/TiC陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具)的高溫摩擦磨損特性，揭示了硬脆刀具材料高溫摩擦磨損機理，從而為刀具材料的設(shè)計和選擇提供理論依據(jù)。
　　 基于摩擦學理

2、論，分析了硬脆刀具材料摩擦系數(shù)和磨損率隨溫度的變化規(guī)律。利用吉布斯自由能函數(shù)法對PCD刀具材料、Al2O3/TiC陶瓷刀具材料和硬質(zhì)合金刀具材料各組分中可能的發(fā)生的化學反應進行了熱力學計算，從理論上分析了各組分可能發(fā)生的反應及其氧化產(chǎn)物。計算結(jié)果表明：在高溫下PCD刀具材料中的金剛石晶粒可能發(fā)生氧化和石墨化，粘結(jié)相Co可能發(fā)生氧化反應生成Co3O4；Al2O3/TiC陶瓷刀具材料中的TiC可能被氧化生成TiO2；硬質(zhì)合金中的WC、Co、

3、TiC分別可能被氧化生成WO3、Co3O4和TiO2。
　　 系統(tǒng)研究了三種硬脆刀具材料高溫摩擦磨損特性，探討了材料組分、微觀結(jié)構(gòu)、力學性能和試驗條件(溫度、速度、載荷)等對硬脆刀具材料摩擦系數(shù)和磨損率的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：PCD刀具材料的摩擦系數(shù)在200℃至600℃的范圍內(nèi)隨溫度的升高而升高，在700℃時開始明顯下降。Al2O3/TiC陶瓷刀具材料摩擦系數(shù)在200℃至500℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高而升高，在600℃至800℃

4、范圍內(nèi)摩擦系數(shù)開始下降；磨損率隨溫度的升高而升高，其數(shù)量級為10-7mm3/(Nm)。硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)在200℃至600℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高而下降；磨損率隨著溫度的升高而升高，其數(shù)量級為10-6 mm3/(Nm)。其中，在相同條件下細晶粒硬質(zhì)合金的磨損率為粗晶粒硬質(zhì)合金的50％左右，而添加 TiC和 TaC以后，硬質(zhì)合金刀具材料的耐磨性也顯著提高。
　　 對三種硬脆刀具材料磨損表面的三維形貌，截面輪廓及表面粗糙度進行了系統(tǒng)研

5、究，對比了不同材料在不同條件下磨痕形貌、截面輪廓及表面粗糙度的演變規(guī)律。結(jié)果表明：PCD刀具的磨痕截面輪廓不明顯，其深度變化范圍與其表面粗糙度處于同一數(shù)量級。陶瓷刀具材料的磨痕截面輪廓的深度隨著溫度的升高逐漸增加，800℃時最深處達到1.0μm左右。硬質(zhì)合金刀具材料磨痕截面輪廓的深度隨溫度明顯增加，尤其是在600℃時增加非常顯著，其中A1硬質(zhì)合金材料磨痕最深處達到4.0μm左右。
　　 分析了三種硬脆刀具材料磨損表面的化學反應生

6、成物的產(chǎn)生溫度及主要成分。研究發(fā)現(xiàn)，PCD刀具材料中的Co在600℃氧化生成Co3O4，在700℃時金剛石開始石墨化，粘結(jié)相Co和空氣中的O2對金剛石的石墨化具有促進作用；Al2O3/TiC陶瓷刀具材料在600℃時開始出現(xiàn)輕微氧化現(xiàn)象，在800℃時氧化現(xiàn)象比較明顯，其主要氧化產(chǎn)物是 TiO2；硬質(zhì)合金刀具材料在500℃開始輕微氧化，在600℃時氧化非常明顯，主要氧化產(chǎn)物是由 WC和Co氧化生成的WO3和Co3O4。
　　 通過對

7、硬脆刀具材料磨損表面形貌、表面成分的綜合分析，闡述了硬脆刀具材料磨損的演變過程及磨損機理。研究認為：PCD刀具材料在600℃以下主要是粘結(jié)磨損，在600℃開始出現(xiàn)氧化磨損和金剛石的石墨化，同時由于熱漲失配和Co的流失，金剛石晶粒間和晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量的裂紋。Al2O3/TiC陶瓷刀具材料的磨損形式在200℃至500℃內(nèi)隨溫度升高由單個晶粒的剝落逐漸演變?yōu)椴牧系拇笃撀洌?00℃以后開始出現(xiàn)氧化磨損，800℃時氧化磨損加劇。硬質(zhì)合金刀具材料