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納米材料在切削鑄鐵刀具中（zhōng）的應用

2014-1-8 來源：數控機（jī）床市場網作者：劉超鋒紀蓮清邵建敏

摘要：簡要介紹了納米複合材料的特點。闡述了鑄鐵材料尤其是白（bái）口鑄鐵的切削性能。從鑄（zhù）鐵材料和切削鑄（zhù）鐵的刀具材料兩個方麵，綜述了提（tí）高鑄鐵切（qiē）削性能的研究狀況。詳（xiáng）述了納米陶瓷基複合刀具材料的製備方法及刀具對鑄鐵切削性能的研究進展。對納米材料在切削鑄鐵的刀（dāo）具材（cái）料中應用的前景提出（chū）了建議。

關鍵（jiàn）詞：鑄鐵納米材料刀具材料應用（yòng）

當物質顆粒處於納米（mǐ）量級（10-9m）時，該物質可稱為納米材料。因納米結晶尺（chǐ）寸效應，納（nà）米金屬（shǔ）材料的硬度和強度增加（jiā），陶瓷的延性、韌性、成（chéng）型性增加。複合材料是性（xìng）質不同的材料通過一（yī）定的方法形成的。當複合材（cái）料中的一相晶粒至少有一維尺寸處於納米量級時，可稱為（wéi）納米複合材料。作為高新技術材料之一，納米複合材料具有許多奇（qí）特的功能。

在工業部門中，鑄鐵件（jiàn）約占機器質量的 45%-90%。鑄鐵件如（rú）發動機（jī）缸體、變速箱體（tǐ）、機床床身上有許多平麵（miàn）、槽（cáo）形需切削。先進刀具材料成為（wéi）提高其加工效率的重要力量。

鑄鐵的組織為金屬基（jī）體加遊離態石（shí）墨，可看作是布滿孔洞的鋼。石墨降低了鑄（zhù）鐵的塑性（xìng），在切削（xuē）加工時（shí）可形成易斷的崩碎切屑（xiè），且石墨還（hái）可起到潤滑作用，故鑄鐵具有好的切削加工（gōng）性。良好（hǎo）的切削性能使其在切削刀具（jù）方麵有更廣泛的選擇（zé）。但也要注意：冷硬鑄鐵的表麵部分白口化，內部仍保持灰口（kǒu），表層硬度可達450-550HB，常規加工時刀具（jù）磨損快（kuài），刃易崩損，需采取特殊手段如（rú）激光加熱輔助切削；另外加工麵易崩（bēng）邊，切削（xuē）鑄鐵時（shí）的細小屑進入縫隙後易對相對運動表麵造成研磨損壞；影響已加工表麵粗糙（cāo）度；在靠近切削刃（rèn）的後刀麵上溫度（dù）最高（gāo）。

1 提高鑄（zhù）鐵切削性能的材料因素

為提高鑄鐵的切（qiē）削（xuē）性能，從材料（liào）來看分以下兩個方麵。

1, 1 鑄鐵件本（běn）身的組成

在鑄造過程中，向（xiàng）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（jiàn）具有最（zuì）小斷麵（miàn）敏感性和刀具磨損量。東風汽車公司鑄（zhù）造一廠用殼型冷鐵360°激冷鑄造富康轎車凸輪軸，批量生產初期，反映凸輪軸毛坯切削加工性能差。李平等對此的研究表明，生鐵中微量元素對切削性能的影響大（dà），原鐵液化學（xué）成分（fèn）采（cǎi）用高碳低矽（guī）、高錳量，采用 Cr Cu複合合金（jīn）化，可（kě）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（de）表麵粗糙度。高軍等也證實：鐵液中加入 <0.8%的銅能顯（xiǎn）著減（jiǎn）少出（chū）口美國的汽車冷卻水泵葉輪葉片尖（jiān）角薄斷麵（miàn）白口。灰鑄鐵（tiě）中加入 w（S）0.08% -0.12% 的（de）硫可改善切削性能，但須控製生（shēng）鐵中釩含（hán）量，因釩使（shǐ）高速切削性能嚴重惡化。

東風公司的 6B 康明斯缸體、缸蓋材料為 HT250，供給進（jìn）口（kǒu）的 W 加工自動線。其粗加（jiā）工線速度達870m/min。國產汽缸體鑄件材料加工性差，刀具壽命僅為進（jìn）口鑄件的 30% 左右（yòu）。對（duì）此，郭全領等的研究表明（míng），將缸（gāng）體 w（S）量增加到 3.42%，其它工藝（yì）條件不變，缸體粗鏜缸孔刀具壽命從 20 件提高到（dào） 22 件，刀具壽命提高10%。上柴股份生產的D114 柴油發（fā）動機缸體、缸蓋材料要求為 HT250，其（qí）中缸蓋鑄件加入微（wēi）量合金，爐前借助直讀光譜儀可在（zài） 2-3min 內對（duì） w（S）、w（Si）進行控製。實踐表明，爐（lú）碳當量的提高有助於改善鑄造性能和切削性能（néng）；促進碳化物（wù）形成的元素都有降低切削加工性能（néng）的傾向；但碳當量太高，強度、硬度和斷麵均勻性等指標難以保證，Si/C 比（bǐ）的合適範圍為 0.6-0.8。

發動機的薄壁（bì）排氣歧管是多管口異形管件，因排氣溫度很高，在承受反複（fù）升溫和速冷的工況負荷時會開裂（liè）。目前，排氣歧管基本上都用蠕墨鑄鐵。研究表明，蠕化率為50%， w（Si）增加至 4%， w（Mo）0.4% -0.6%，做成中矽（guī）鉬耐熱蠕鐵，其（qí）熱疲勞性能比普通蠕鐵提高近 3 倍；而蠕化劑（jì）使用（yòng） MgTi 蠕化的主要問題是鑄件（jiàn） w（Ti）高（gāo），基體中含（hán）有 TiN 和 TiC 硬化相，對排氣歧管類薄壁件，如孕育稍差，局部（如管（guǎn）口披鋒處）出現少量滲碳（tàn）體的話，切（qiē）削性能更差。為（wéi）此隻能在清理時增加一（yī）道粗切削工序（xù）。將蠕化劑改為REMgSiFe 合金，鐵液中（zhōng）不（bú）再加 Ti。包內蠕化劑加入量為 0.6%-0.12%。改進工（gōng）藝後生產的排氣歧管，切削（xuē）性能得（dé）到（dào）明顯（xiǎn）改善，鑄件粗切削工序也取（qǔ）消。

1，2 刀具材料

由碳化鎢硬（yìng）質相+ 鈷粘結相組成的鎢鈷類硬質合金是目前最適宜加工鑄鐵的刀具材料。王西彬等的研（yán）究表明：超高速幹銑削灰鑄（zhù）鐵宜采用（yòng）陶瓷刀具。整體立方氮化硼聚晶刀片是切削高合金鑄鐵的理（lǐ）想刀具，較陶瓷刀具可提高生產效率5 倍以（yǐ）上（shàng）。熱軋花紋板是趕超國際先進水平的冶金產品（pǐn）,其關鍵（jiàn）在於提（tí）供有花紋形腔的冷（lěng）硬鑄鐵軋輥。試驗表明（míng），成型銑切冷硬鑄鐵（tiě）軋輥槽腔的刀具宜用超細粒（lì）硬質合金（jīn）（如（rú） YS10）。另（lìng）外，在車床上（shàng）用切（qiē）刀切割冷硬鑄鐵軋輥宜用硬度高、強度和耐磨（mó）性等綜合性能好的 (798、726 硬質合金刀片。馬鋼棒（bàng）材生產線的 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（yòng） T5、W2 硬質合金及陶瓷刀具均（jun1）不能對其加（jiā）工。張智等的試驗表（biǎo）明（míng），聚晶立方氮化硼（PCBN）焊接式外圓刀和孔型成型車（chē）刀特別適合加工 WC 複合軋（zhá）輥。

αAL2O3沉積在 Ti（C，N）層或多層作為硬質合金鑲嵌件上的塗（tú）層得到的硬質合金鑲（xiāng）嵌件車削鑄鐵時，αAL2O3層與（yǔ）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（suì）屑導致磨損加速使（shǐ）塗層失敗。為此，薩卡裏·魯皮提供一種硬質（zhì）合金鑲（xiāng）嵌件（jiàn）。該鑲嵌件（jiàn）在基體和αAL2O3塗層之間有多層 TiCN 層。最內部的 TiCN 層是大的柱狀晶粒，而最外部是小的等軸晶粒。

苗赫濯等發明合金耐磨鑄（zhù）鐵工件（jiàn）用的刀具，以 Ti（CN）為主相，用 Si3N4-AL2O3作為複合耐磨相，以金屬（shǔ）鉬和鎳作（zuò）為粘結相及氧化釔、氧化鎳、氧化（huà）鎂中的（de）一種以（yǐ）上和碳化鉬、碳化鋯中的一種或兩種作為添加劑，經混合成型（xíng）燒結而達到完全致密化。安德烈亞斯·拉鬆等（děng）發明用於非連續切（qiē）割和加工（gōng）鑄鐵的切（qiē）削刀片。其坯體包括WC立（lì）方碳氮化合物，W 合金化的 0C 粘結相、富集粘（zhān）結（jié）相和幾（jǐ）乎不含立方碳氮化合物相的硬質合金坯體的表麵區域及塗層，包（bāo）括帶有等軸晶的 TiC N O 最（zuì）內層、帶有柱狀晶的Co層和至（zhì）少一種 AL2O3層。

劉國昌等（děng）根據 La3和（hé） Y3離子半徑相差大（dà），Y2O3-La2O3共溶體係比單一 Y2O3 或 La2O3體係（xì）其液（yè）相形（xíng）成溫度要低的優點，以 Y2O3 和 La2O3 作為助燒劑，對Si3N4 陶瓷熱壓燒（shāo）結獲得 Si3N4 刀具陶（táo）瓷。其中，在晶界析（xī）出改善晶界性能（néng）的 LaYO3 晶相及其它含 N 結（jié）晶相，是成（chéng）功製（zhì）備自增（zēng）韌氮（dàn）化矽陶瓷刀具的關鍵。該刀具對球（qiú）墨鑄鐵（內含大量硬質點）的（de）將近1600m 的切削（xuē）試驗表明（míng），切削後，該刀具後（hòu）刀麵的（de）最大磨損量僅 0.18mm 。

目前，磨（mó）蝕性強和衝擊（jī）力大的切削鑄鐵領域，對（duì）作為切削工（gōng）具的硬質合金（jīn）要求（qiú）同時（shí）具（jù）有高的（de）抗彎強度和硬度。晶粒<0.5μm 的超細（xì）合（hé）金（jīn）可（kě）滿足這種要求。但由於超細合金對生產設備條件（jiàn）要求高，難以推廣。當前在該領域所用的材質主要有YG6X 牌號（hào）。其抗彎強度平均為 1800MPa 硬度平均為 91.5HRA。但是 YG6X 中的添加劑 TaC 價格昂貴，市場供應不穩定。

為此（cǐ），吳建國等公開了一種用於磨蝕性強和衝擊力大的切削鑄（zhù）鐵（tiě）的硬質合（hé）金的製法：包括配料、濕磨、幹（gàn）燥、摻成形劑（jì）、壓製成形、脫成型劑、燒結等步驟，配料時選用費氏粒度為（1.0-2.5）μm 的 Co 粉，（4.0-4.6）μm 的 CrC3O2 粉和（1.2-1.8）μm 的 WC 粉，Co 粉、 CrC3O2 粉、WC 粉的重量百分比分別為（wéi）（7.0-7.5）%、（ 0.7-1.0）% 和餘量（liàng）。陳利等則（zé）用粉（fěn）末（mò）冶金法（fǎ）製備（bèi）硬質合金（jīn）刀片，然後用磁控濺射法在拋光的硬質合金基體上分別沉積（Ti，AL）N 單層和采用交替的Ti 靶和 Ti、AL 合金靶（原（yuán）子比為 5:5 ）沉積 TiN/（Ti，AL）N 複合塗層，最後對 HT300（鑄鐵）的切削能進行了比（bǐ）較（jiào）。結果（guǒ）表明（míng），在 220m/min 的（de）連續切削下單層塗層刀具和複合塗層刀具的壽命分別為 13.5min 和16.7min。其原因是： TiN/（Ti，AL）N 複（fù）合塗層中，TiN 層可以周（zhōu）期性地阻止（Ti，AL）N 柱狀晶的生長，細化塗層（céng）的晶粒，從而提高塗層的硬度。通過對機加工用的不連續增強的陶瓷基複合（hé）刀具材料的（de）組成成分進行控製，可開發出滿足（zú）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（de）關鍵是材料的硬（yìng）質（zhì）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（jù）材料，斷（duàn）裂韌（rèn）性6.1MPa.M 較低，致其（qí）粗加工和斷續切削的能力不高。為此（cǐ），宋世（shì）學等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（fěn）末；加入聚乙二醇作為分散（sàn）劑以解決團（tuán）聚問題。其製備流程是：混（hún）料-球磨-超（chāo）聲分散-機械攪拌-真空（kōng）幹燥-120目過（guò）篩-熱（rè）壓燒結，燒結後的毛坯經線切割後，經過（guò）粗（cū）磨、精磨和拋光，製成標準試樣。測試表明，該材料與 LT55 相比，抗（kàng）彎強度和斷裂韌性分別提高23.5% 和74.5% 。其機理是：根據 Hall-Petch 關係，晶粒尺寸的減小有利於（yú）提高材料的（de）強（qiáng）度，而納米複合（hé）材料中（zhōng）大部分晶粒（lì）的直徑都小（xiǎo）於1μm ；納（nà）米複合材（cái）料的斷裂包括穿晶斷（duàn）裂和沿晶斷裂，但主要（yào）是穿晶斷裂。根據 Jl 等的研究,穿晶斷裂有利於提（tí）高材料（liào）的（de）斷裂韌性。對球墨鑄鐵的切削性能實驗表明，當切（qiē）削距離達到 3200m 時，LT55 的磨損突然加重，而納米刀具的磨損逐漸增大；當兩者的後刀麵磨損達到0.8mm 時，納（nà）米刀具的切（qiē）削距離大（dà）約是 LT55 的兩倍；在切削（xuē）鑄鐵時，AL2O3/TiC 納米複合（hé）陶瓷（cí）刀具的磨損主要是（shì）後刀麵的磨粒磨損。

許育東等探討 Ti（C,N）基納（nà）米改性刀具在切削灰鑄鐵時的失效方式（shì）。該刀具材料為用粉末冶金工藝真空燒結的（de） TiC - TiN -Mo2c-Ni 係金屬陶瓷，粗坯燒成後在（zài）工具磨床上用140 目金剛石（shí）砂輪將（jiāng）其加工成刀（dāo）片。對比試驗中用 YG8 和 YT15刀片，工件為HT200。結（jié）果表明，納米金屬陶瓷刀具的壽命比未改性金屬陶瓷長。納米添加強化原因主要有在 TiC 晶界分散的 TiN 晶粒（lì）有釘紮晶界的（de）作用，阻止基體 TiC 晶粒長大（dà）起彌散強化和細晶強化的效果；納米粉末的巨大表麵能提（tí）供的燒結驅動力，可（kě）起到活化燒結的作用，促進擴散並降低燒結溫度，有利（lì）於得到細晶結構；在 TiC 晶粒內部（bù）分散（sàn）的 TiN 顆粒可起到固溶強化的作用。

許育東等先用超聲波儀（yí）對 TiN 納米粉進行分散，混料（liào）後加入適量無水乙醇並進行球（qiú）磨（mó）24h。待混合（hé）料幹燥後，加入（rù）PVA進行造粒，然後在170MPa下模（mó）壓成形，最後在1400°C真空燒結1h，製備納米 TiN改性 TiC 基金（jīn）屬陶瓷刀具（cermetnm），其成分（fèn）為 54TiC-10TiN(nm)-15Mo-20Ni-1C，還研（yán）究了它與 Ti（C,N）基金屬陶瓷刀具（jù）（cermetnm）及（jí）YG8 刀具在切（qiē）削灰鑄（zhù）鐵時的磨損機理（lǐ）。結果表明，因為納米刀具（jù）中的主（zhǔ）要硬質相（xiàng） TiC 的硬度高於普通硬質合金中的硬質相WC，且納米（mǐ） TiC 的添加可產生明顯的細化晶（jīng）粒（lì），納米TiN 改性 TiC 基金屬陶瓷刀具(cermetnm)具有更（gèng）高壽（shòu）命與耐磨（mó）性；崩刃是cermetnm刀具主要（yào）的失效形式（shì）。

隨著數控機床和專用銑床的普及，當前銑（xǐ）刀用量僅次（cì）於車刀和鑽頭。銑（xǐ）削過程用大進給量的傾向日趨加強。另外，用於斷續銑削的（de）銑（xǐ）刀易發生脆性破損。韓成良等研究了銑削刀片用納米改性金屬陶瓷的顯微（wēi）組織和力學性能，結（jié）果表明，銑削刀片用納米改性金屬（shǔ）陶瓷組織中粗（cū）大的陶瓷相顆粒為芯/殼結構；添加Mo 能有效細化金屬陶瓷基體組（zǔ）織；隨金屬相含量增加，金屬陶瓷的抗彎強度和斷（duàn）裂韌性增加，硬度降低（dī）；沿晶斷裂為其主要斷裂方式。

謝峰等的試驗結果表明（míng）：納（nà）米改性（xìng）金屬陶瓷刀具切削灰鑄鐵時，使用（yòng）壽命（mìng）不如切鋼時高，比YG8刀具材料切削性能要差。因此納米改性金屬陶瓷刀具材料在加工灰鑄鐵時優勢不大。

石增敏等製備的金屬（shǔ）陶瓷刀片的配比為（wéi）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（ér）成，用（yòng）同種成分同時製備（bèi）納米複合金屬陶瓷刀片（NM）和功（gōng）能梯度金屬陶瓷刀片（DNM）。混合（hé）粉經球磨36h後烘幹，摻入成（chéng）形劑，冷壓成形，壓製力為270MPa，試樣（yàng）成形後進行真空燒（shāo）結和表麵氮化處理。真空燒結溫度為1420°C，保溫時間60min, 氮化（huà）處理（lǐ）燒結溫度為1150°C，用N2-Ar 混合氣體為流體介質，介質（zhì）壓力為100MPa，保溫保壓時（shí）間為1h。采用幹車削方式，測量過（guò）渡後刀麵即刀尖的磨損值VC來衡量刀具的耐磨性。結果表明，DNM刀片在切削鑄鐵時的耐磨性（xìng）優於NM刀片；與YG8 相比,DNM不適合於大切削（xuē）用量下鑄鐵（tiě）的切削。

3 結語（yǔ）

縱觀近幾年發表的論文，有關鑄鐵切削刀（dāo）具用納米（mǐ）材料的（de）內容不多，國內也僅有少數幾家單位的科研（yán）人員的參與。改善鑄鐵的切削性能不僅與刀具有關，還與鑄鐵本身有關，影響因素複雜，研究（jiū）周期（qī）也較長。從鑄鐵件的鑄造（zào）材料及工（gōng）藝（yì）、熱處理及刀具、加工工藝等環節和角度全麵改善鑄（zhù）鐵的切削（xuē）性能是值得研究的課題。納米材料用（yòng）於鑄鐵切削刀具的研究思想新興，要加強應用研究。研究成（chéng）果不能停留在實（shí）驗階段，工（gōng）業（yè）化才是技術發展（zhǎn）的根本（běn）目的。

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