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納米材料在切削鑄鐵刀具（jù）中的應用

2014-1-3 來源（yuán）：數控機床（chuáng）市場網（wǎng）作者：劉超鋒紀蓮（lián）清邵（shào）建敏

摘要：簡要介紹了納米複（fù）合（hé）材料的（de）特點。闡述了（le）鑄鐵材料尤其是白（bái）口鑄鐵的切削性能。從鑄（zhù）鐵材（cái）料和（hé）切削鑄鐵（tiě）的刀具材料兩個方麵（miàn），綜述了提高鑄鐵切削性（xìng）能的研究狀況。詳述了納米陶瓷基複合刀具材料的製（zhì）備方法及刀具對鑄鐵切削性能（néng）的研究進展。對納米材料在切削鑄鐵的刀具材料中應用的前景提出了建議（yì）。

關鍵詞：鑄（zhù）鐵納（nà）米材料刀具材料（liào）應用

當物質顆粒處於納米量級（10-9m）時，該物質可（kě）稱為納米材料。因（yīn）納米結晶尺寸效應，納米金屬材料的硬度和強（qiáng）度增加，陶瓷的延性、韌性、成型性（xìng）增加。複合材（cái）料是（shì）性質（zhì）不同的材料通過一定的方（fāng）法形成（chéng）的。當複合材料中的一相晶粒至少有一維尺寸處於納米（mǐ）量級時，可稱為納米複合材料。作為高新技（jì）術材料之一，納（nà）米複合材料具（jù）有許多奇特的（de）功能。

在工業部門中，鑄鐵件約占（zhàn）機器質量的 45%-90%。鑄鐵件如發動機缸體、變速箱體、機床床身上有（yǒu）許多（duō）平麵、槽形需切削。先進刀具材（cái）料成為提高其加工效率（lǜ）的（de）重要力量（liàng）。

鑄（zhù）鐵的組織為金屬基體加遊離態石墨（mò），可看作是布滿（mǎn）孔洞的鋼。石墨降低了鑄（zhù）鐵的塑性，在切削加工時可（kě）形成易斷的崩（bēng）碎切屑，且石墨還可起到潤滑作用，故鑄（zhù）鐵具有好的切削（xuē）加工性。良好（hǎo）的切削性能使其在（zài）切削刀具方麵有（yǒu）更廣泛的選擇。但也要（yào）注意：冷硬鑄鐵的表麵部分白口化，內部（bù）仍保持灰口，表層硬度可達450-550HB，常規加工時刀具（jù）磨損快，刃易崩損，需采取特殊手段如激光加熱輔助切削（xuē）；另（lìng）外加工麵易崩邊，切削（xuē）鑄鐵時（shí）的細小屑進（jìn）入（rù）縫隙後易對相對運動表（biǎo）麵造成研磨損壞；影響已加工表麵粗糙度；在靠近切削刃的（de）後刀麵上溫度最高。

1 提高鑄鐵切（qiē）削（xuē）性能（néng）的材料因素

為提高（gāo）鑄鐵的切削性能，從材料來看分以下兩個方（fāng）麵。

1, 1 鑄（zhù）鐵件本（běn）身（shēn）的組成

在鑄造過程中（zhōng），向鐵液中加入20%稀土+80% 75 矽鐵複合孕育劑處理的缸體用灰鑄鐵件具有最小斷麵敏感性和刀具磨（mó）損量。東風汽車公司鑄造一廠用殼型冷（lěng）鐵360°激冷鑄造富康轎車凸輪軸，批量生（shēng）產（chǎn）初（chū）期，反映凸輪軸毛坯切削加工性能差。李平等對（duì）此的研究（jiū）表明，生鐵中微量元素對切（qiē）削性能的影響大，原鐵液化學（xué）成分采（cǎi）用高碳低矽、高錳量，采（cǎi）用 Cr Cu複合（hé）合金化，可改善凸輪軸切削加工性能。此外增硫處理可有效減少油封軸頸 D 型石墨數量，改善鑄件加工後的表麵粗糙度。高軍等也證實：鐵液（yè）中加入 <0.8%的（de）銅能顯著減少出口美國的汽（qì）車冷卻水泵葉輪葉片尖角薄斷麵白口。灰鑄鐵中加入 w（S）0.08% -0.12% 的硫可改善切削性能，但須控製生鐵中釩含量，因釩使高速切削（xuē）性能嚴重惡化。

東風公（gōng）司的 6B 康明斯（sī）缸（gāng）體、缸蓋材料為 HT250，供給進口的 W 加工自動線。其粗加工線速度達870m/min。國產汽缸體鑄件（jiàn）材料加工性差，刀具壽命僅為進口鑄件的 30% 左右。對（duì）此，郭全領等的（de）研究表明，將缸體 w（S）量增加到 3.42%，其它工藝條件不變，缸體粗鏜缸孔刀（dāo）具壽命從 20 件提高到 22 件，刀具壽命提高10%。上柴股份生產的D114 柴（chái）油發動機缸體、缸蓋材料要求為 HT250，其中缸蓋鑄（zhù）件加入微量合（hé）金，爐前借助直讀光譜儀可在 2-3min 內對 w（S）、w（Si）進行控製。實踐表明，爐碳當量的提高有助於改善鑄造性能和切（qiē）削性能；促進碳化物形成的元（yuán）素都有降低切削加工性能的傾向；但碳當量太（tài）高（gāo），強度、硬度和斷麵均勻性等指標難以（yǐ）保（bǎo）證，Si/C 比的合適範圍為 0.6-0.8。

發動（dòng）機的薄（báo）壁排氣歧管是多管口異形管件，因排氣溫度很高，在（zài）承受（shòu）反複升溫和速冷的工況負荷時會開（kāi）裂。目前，排氣歧管基本上（shàng）都用蠕墨鑄鐵。研（yán）究（jiū）表明，蠕化率為50%， w（Si）增加至 4%， w（Mo）0.4% -0.6%，做成（chéng）中矽鉬耐熱蠕鐵（tiě），其熱疲勞性能比（bǐ）普通蠕鐵提高近 3 倍；而蠕化劑使用（yòng） MgTi 蠕化的主要問題是鑄件 w（Ti）高，基體中含有 TiN 和（hé） TiC 硬（yìng）化相，對排氣歧管類薄壁件，如孕（yùn）育（yù）稍差，局部（如管口披鋒處）出（chū）現少量滲碳（tàn）體的話（huà），切削性能更（gèng）差。為此隻能在清理時增加一道粗切削工序。將蠕化劑改為REMgSiFe 合金，鐵液中不再加 Ti。包內蠕化劑加入量（liàng）為 0.6%-0.12%。改進工藝後生產的排氣歧管，切削性（xìng）能得到（dào）明顯改（gǎi）善，鑄件粗（cū）切削工序也取消。

1，2 刀（dāo）具材料

由碳化鎢硬質相+ 鈷（gǔ）粘結相組成的鎢鈷類硬質（zhì）合金（jīn）是目前最適宜加工鑄鐵的刀具材料。王西彬等的研究表明：超高速（sù）幹銑削灰鑄鐵宜采用陶瓷刀具。整體立方氮化硼聚晶刀片是切削（xuē）高合金鑄鐵的理想（xiǎng）刀具，較陶瓷刀具可提高生產效率5 倍以上。熱軋花紋（wén）板是趕超國際先進水平的冶金產品,其關鍵在於提供有花紋形腔的冷（lěng）硬鑄鐵軋輥。試驗表（biǎo）明，成型銑切冷硬鑄鐵軋輥槽腔的刀具宜用超細粒硬質合金（如 YS10）。另（lìng）外，在車床上用切刀切割冷硬鑄鐵軋輥宜用硬（yìng）度高、強度（dù）和耐磨性等綜合性能好的 (798、726 硬質合金刀片。馬鋼棒材生產線的（de） 18架軋機，為減少換軋輥時間，改用硬度達 72HRC 的 WC 複合軋輥。而用 T5、W2 硬質合金及陶（táo）瓷刀具（jù）均不能對其加工。張智等的試驗表明，聚晶立（lì）方氮化硼（PCBN）焊接式外圓刀和孔型成型車刀特別適合加工 WC 複合軋輥。

αAL2O3沉積在 Ti（C，N）層或多層作為硬（yìng）質（zhì）合金鑲嵌件上的塗層得（dé）到的硬質合金鑲嵌件車削鑄鐵時，αAL2O3層與下麵的 TiCN 層的粘附以及 TiCN 層與硬質（zhì）合金基體的粘附由於刃口碎屑（xiè）導致磨損加速使（shǐ）塗層失敗。為此，薩（sà）卡（kǎ）裏·魯皮提供一種硬質合金鑲嵌件。該（gāi）鑲嵌件在基體和αAL2O3塗層之間有多層 TiCN 層。最內部的 TiCN 層是大（dà）的柱狀晶粒，而最外部是小的等軸晶粒。

苗赫濯等發（fā）明合金耐（nài）磨鑄鐵工（gōng）件用的（de）刀（dāo）具，以（yǐ） Ti（CN）為主相，用 Si3N4-AL2O3作為複合耐磨相，以金屬鉬和鎳作為粘結相及（jí）氧化釔、氧化鎳、氧化鎂中的一種以上和碳化鉬、碳（tàn）化鋯中的一種或兩種作為添（tiān）加劑，經混合成型燒結而達到完全致密化。安德烈（liè）亞斯·拉鬆（sōng）等發（fā）明用於非連續（xù）切割和加工鑄鐵的（de）切削（xuē）刀片。其坯（pī）體包括WC立方（fāng）碳氮化合物，W 合金（jīn）化的 0C 粘結相、富集粘結相和幾乎不含立方（fāng）碳氮（dàn）化合物（wù）相的硬（yìng）質合金坯體的（de）表麵（miàn）區域及塗層，包括帶有等軸（zhóu）晶的 TiC N O 最內層、帶有柱狀晶的Co層和至少一（yī）種 AL2O3層。

劉國昌等根據（jù） La3和 Y3離子半徑相（xiàng）差大，Y2O3-La2O3共溶體係比單一 Y2O3 或 La2O3體係其液相形成溫度要低的優（yōu）點，以 Y2O3 和 La2O3 作為助燒劑，對Si3N4 陶瓷熱壓燒結獲得 Si3N4 刀（dāo）具陶瓷。其（qí）中，在晶界析出改善晶界性能（néng）的 LaYO3 晶相（xiàng）及其它含 N 結晶相，是成功製備自增韌氮化矽陶瓷刀（dāo）具的關鍵。該刀具對球墨鑄鐵（內含大量硬質點）的將近1600m 的切（qiē）削試驗表明，切（qiē）削後，該（gāi）刀具（jù）後刀麵的最大磨損量僅 0.18mm 。

目前，磨蝕性強和衝擊力大的切削鑄鐵領（lǐng）域，對作（zuò）為切（qiē）削工具的（de）硬質（zhì）合（hé）金要求同時具有高的抗（kàng）彎強度和硬度。晶粒<0.5μm 的（de）超細合金可（kě）滿足這種要（yào）求。但由於超細合金對生產設（shè）備（bèi）條件要求高，難以推廣。當前（qián）在（zài）該領域所用的（de）材質主要有YG6X 牌號。其（qí）抗（kàng）彎強度（dù）平均為 1800MPa 硬（yìng）度平均為（wéi） 91.5HRA。但是 YG6X 中的添加（jiā）劑 TaC 價格昂貴，市場供（gòng）應不穩定。

為此，吳建國等公開了一種用（yòng）於磨蝕性強和衝擊力大的切削鑄鐵的硬質合金的製法：包括配料、濕磨、幹燥、摻成形劑、壓製成形（xíng）、脫成型（xíng）劑、燒（shāo）結等步驟，配（pèi）料時選用費氏粒度為（1.0-2.5）μm 的 Co 粉（fěn），（4.0-4.6）μm 的 CrC3O2 粉和（hé）（1.2-1.8）μm 的 WC 粉，Co 粉、 CrC3O2 粉、WC 粉的重量百分比分別為（7.0-7.5）%、（ 0.7-1.0）% 和餘量（liàng）。陳利等則用粉末冶金法製備硬質合金刀片，然後用磁控濺射法在拋（pāo）光的硬（yìng）質合金基體上分別沉積（Ti，AL）N 單層（céng）和采用交（jiāo）替的Ti 靶和 Ti、AL 合金靶（原子比為 5:5 ）沉積 TiN/（Ti，AL）N 複合（hé）塗層，最後（hòu）對（duì） HT300（鑄鐵）的切削能進行了（le）比較（jiào）。結果（guǒ）表明，在 220m/min 的連續切削下（xià）單層塗層（céng）刀（dāo）具和複合塗（tú）層刀具的壽命分別為 13.5min 和

16.7min。其原因是： TiN/（Ti，AL）N 複合塗層中，TiN 層可（kě）以周期性地阻止（zhǐ）（Ti，AL）N 柱狀晶的生長，細化塗層的晶粒，從而提高塗層的硬度。通過（guò）對機加工用的不連續增（zēng）強的陶瓷基複合刀具材料的組成成分進行控製，可開發出滿足強度、耐磨損等性能的納米複合刀具陶瓷。當粘結相不變時，決定其性能的關鍵是材（cái）料的硬質相的晶粒大小。

2 納米金屬陶瓷刀具

LT55 是微米級 AL2O3/TiC 複（fù）合刀具材料，斷裂韌性（xìng）6.1MPa.M 較低，致其粗（cū）加工和斷續切削的能力不高（gāo）。為此，宋世學（xué）等（děng）用納米複合材料進行了試驗。其組成是：80nm 的 αAL2O3粉末和140nm 的TiC 粉末；加入聚（jù）乙二醇作為分散劑以解決團聚問題。其製備（bèi）流程是：混料（liào）-球磨-超聲分（fèn）散-機械（xiè）攪拌-真空幹（gàn）燥-120目過篩-熱壓燒結，燒結後的毛（máo）坯經線切割後，經過（guò）粗磨、精磨和拋光，製成標（biāo）準（zhǔn）試樣（yàng）。測試表明，該材料與 LT55 相比，抗彎強（qiáng）度和斷裂韌性分別提高23.5% 和74.5% 。其（qí）機理是：根據 Hall-Petch 關係，晶粒尺寸的減小有利於提高材料的強度，而納米複合材料（liào）中大部分晶粒的直徑都小於1μm ；納米複合材料的斷（duàn）裂包括穿晶斷裂和沿晶斷裂，但主要是穿晶斷裂。根據 Jl 等的研究,穿晶斷裂有利於提高材料的斷裂韌性。對球墨鑄鐵的切削（xuē）性能實驗表明，當切削距離達到 3200m 時，LT55 的磨損突然加重，而納米刀具（jù）的磨損逐漸增大；當兩者（zhě）的後刀麵磨損達到（dào）0.8mm 時，納米（mǐ）刀具的切削距離大約是 LT55 的兩倍；在切削鑄鐵時，AL2O3/TiC 納米複合（hé）陶瓷刀（dāo）具的（de）磨損主（zhǔ）要是後（hòu）刀麵的（de）磨粒磨損。

許育東等探討 Ti（C,N）基納米改性刀具在切削灰鑄（zhù）鐵時的失效方式。該刀具材料為用粉末冶金（jīn）工藝真空燒結的 TiC - TiN -Mo2c-Ni 係金屬陶瓷，粗坯燒（shāo）成後在工具磨床上用140 目金剛石砂輪（lún）將其加工成（chéng）刀片。對比試驗中用（yòng） YG8 和（hé） YT15刀片，工件為HT200。結果表明，納米金屬陶瓷刀具的壽命比未改性金屬陶（táo）瓷長。納米添加強化原因主要有（yǒu）在 TiC 晶界分散的（de） TiN 晶粒（lì）有釘紮晶界的作用，阻止基體 TiC 晶（jīng）粒長大起彌散強化和細晶強化的效果；納米粉末的巨大表麵（miàn）能提供的燒結驅動力，可起到活化燒（shāo）結的作用，促進擴散並降低（dī）燒結溫度，有利（lì）於得到細（xì）晶結構；在 TiC 晶粒內部分散的 TiN 顆粒可起到固溶強（qiáng）化的作用。

許育東等先用超聲波儀對 TiN 納米粉進行分散，混料（liào）後加入適（shì）量無水乙醇並進行球磨24h。待（dài）混（hún）合料幹燥後，加入PVA進行造粒，然後在170MPa下模壓成（chéng）形，最（zuì）後在1400°C真空燒結1h，製（zhì）備納米 TiN改性 TiC 基金屬陶瓷刀具（cermetnm），其成分為 54TiC-10TiN(nm)-15Mo-20Ni-1C，還研究了它與 Ti（C,N）基金（jīn）屬陶（táo）瓷刀具（cermetnm）及（jí）YG8 刀具在切削灰鑄鐵時的磨損機理。結果表明，因為納米刀具中的主要硬質相 TiC 的硬度高於普通硬質合金中的硬質相WC，且納（nà）米 TiC 的添加可產生明顯的細化晶粒，納米TiN 改（gǎi）性 TiC 基金屬陶瓷（cí）刀具(cermetnm)具有更高壽命與耐磨性；崩（bēng）刃是cermetnm刀具（jù）主要的失效形（xíng）式（shì）。

隨著數控機床和專用銑床的普及，當前銑刀用量僅次於（yú）車（chē）刀和鑽（zuàn）頭。銑削過程用大進給量（liàng）的傾向日趨加強。另外，用於斷續銑削的銑刀易發生脆性破損。韓成良等研究了銑削刀片用納米（mǐ）改性金屬陶瓷的顯微（wēi）組織（zhī）和（hé）力學性能，結果（guǒ）表明，銑削刀片用納米改性金屬陶瓷組織中粗大的陶瓷相顆粒為芯/殼結構；添加Mo 能有效（xiào）細化金屬陶瓷基體組織；隨金屬相含量增加，金屬陶瓷（cí）的抗彎強度和斷裂韌性增加（jiā），硬（yìng）度（dù）降低；沿晶斷裂為其主要斷裂（liè）方式。

謝峰等的試驗結果表明：納米改性金屬陶瓷刀具切削灰（huī）鑄鐵時，使用壽命不如切鋼時高，比YG8刀具材料切削性能要（yào）差（chà）。因此納米改性金屬陶瓷刀具材料在加工（gōng）灰鑄（zhù）鐵時優勢不大。

石增敏等製備的（de）金（jīn）屬陶瓷刀片的配比為33%TiC-10%TiN-32%Ni-16%Mo-6.9%WC-1.5%C-0.6%CrC3O2（質量分數），TiC 粉和TiN粉由納（nà）米粉和微米粉按2:8 複合而成，用同種成分同時製備納米複合金屬陶瓷刀片（NM）和功能梯度金屬陶瓷刀片（DNM）。混合粉經球磨36h後烘（hōng）幹，摻入成形劑（jì），冷（lěng）壓成形，壓製力為270MPa，試樣成形後進行真空燒結和表麵氮化處理。真空燒結溫度為1420°C，保溫時間60min, 氮化處理燒結溫度為1150°C，用N2-Ar 混合氣體為流體介質，介質壓（yā）力為100MPa，保溫保壓時間為1h。采用幹車削（xuē）方式，測量（liàng）過渡後刀麵即刀尖的磨（mó）損值VC來衡量刀具的耐磨性。結果表明，DNM刀片在切削鑄（zhù）鐵時（shí）的耐磨性優於NM刀片；與YG8 相比,DNM不適合於大切削用量下鑄鐵的切削。

3 結語（yǔ）

縱觀（guān）近幾年發表的（de）論文，有關鑄鐵切削刀具（jù）用納米材料的內容不多，國內也僅有少數幾家單位（wèi）的科研人員（yuán）的參與。改善鑄鐵的切削性能不僅與刀具（jù）有關，還與鑄鐵本身有關，影響（xiǎng）因素複（fù）雜，研究（jiū）周期也較長。從鑄鐵件的鑄造材料（liào）及工藝、熱（rè）處理及刀具（jù）、加工工藝等環節和角度全麵改善鑄鐵的切削性能是值得研（yán）究的課題。納米材料（liào）用於鑄鐵切削刀（dāo）具的研究（jiū）思想新興，要加（jiā）強應用研究。研究成（chéng）果不能停留在實驗階段，工業化（huà）才是技術發展的根本目（mù）的。

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