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【新闻】纳米TiN改性TiC基金属陶瓷可转位刀片研究混合设备

发布时间:2020-10-19 04:20:17 阅读: 来源:高速卷帘门厂家

纳米技术是20世纪80年代末期诞生并崛起的新技术。纳米粉体对现有材料的改性是当前国内外材料科学研究的一个热点。在常规材料中添加纳米颗粒可较大地提高材料的强度、硬度、韧性,也改善了材料的可加工性。在TiC—TiN—Ni—Mo系金属陶瓷中添加纳米TiN粉,就是出于这样的设想,这对于作为刀具材料的金属陶瓷来说具有重要意义。

1 纳米TiN改性对TiC基金属陶瓷力学性能的影响

采用粉末冶金的方法制取金属陶瓷。纳米TiN粉末经超声分散后加入到混合粉末中去进行湿磨—干燥—造粒—压制成压坯,在真空炉中烧结成烧结坯。然后磨制成可转位刀片。

纳米TiN的添加量对材料的抗弯强度、断裂韧性、硬度的影响见图1。由图1可知,在纳米TiN添加重量小于4%时,抗弯强度、断裂韧性的值随添加量的增加而略有增加,而硬度变化不大。当添加量继续增加时,三者都有较明显的增加。在添加重量为6%时,断裂韧性和硬度达到最高值。添加重量为8%时抗弯强度达到最高值,随后三者都降低。

纳米TiN添加重量小于4%时,力学性能变化不明显,甚至下降,是由于TiN纳米颗粒在高温液相(主要是 Ni、Ti还有部分的N、C)的溶解度较大,加上纳米颗粒的高表面能和高表面活性,可以认为在烧结后残留不多,因此起强韧作用不大。同时由于其造成孔隙、杂质等负面影响,可能导致材料的硬度下降。当纳米TiN添加重量逐渐增加时,材料中实际存在的纳米TiN颗粒不断增多,其强韧的效果也逐渐体现出来了。当纳米TiN添加重量大于6%时,断裂韧性和硬度下降而强度上升,是由于TiN在TiC基金属陶瓷中,可能与TiC、Ni、Mo形成固溶体(Ti、Ni、 Mo)(C、N)覆于TiN或TiC的表面,即所谓的“SS”相:也可能残留下来作为硬质相。当它形成SS相时,可以阻止硬度相颗粒和粘结相之间各元素的扩散,起到细化晶粒的作用。但TiN本身的硬度较TiC低,而且在较高的温度下易分解产生氮气,所以在纳米TiN添加量较大时,强度、断裂韧性和硬度均有下降现象。

由上可知,纳米TiN添加对材料有一定的改性效果,力学性能有明显提高,各力学性能的峰值都分别对应一定的纳米TiN的添加量。当添加重量为6%~8%时,可获得较优的综合力学性能。

2 纳米TiN粉分散工艺的研究

纳米粉具有极微小粒度、高比表面和高表面活性。在制备过程中,由于颗粒间存在范德瓦尔斯力和库仑力,颗粒极易凝并、团聚形成二次颗粒,使粒径增大形成软团聚和硬团聚,最终失去超细颗粒所具备的功能。因此,必须通过物理、化学方法对纳米粉体进行表面处理,使其在液体介质中充分分散,以发挥纳米粉体应有的性能。

采用球磨和超声两种分散工艺。研究了用无水乙醇等有机物作为分散介质的分散特性和分散介质、表面活性剂种类及用量、分散体系PH值、超声时间对分散效果的影响。找出了较优的分散体系组分和分散工艺参数。

3 切削性能研究

用自制的纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷可转位刀片(TNU(G)N160412和SNUN150416)两种,与同样规格的YT15、YG8可转位刀片做成的车刀,在CA6140车床上进行对比性车削试验。

与YT15、YG8刀片切削45钢时的比较

在切削速度Vc=200m/min,背吃刀量ap=0.5mm,进给量f=0.1mm/r和f=0.5mm/r的切削条件下,得到图2的磨损曲线。如图所示,纳米改性刀具比YT15刀具寿命长很多,当进给量较小时刀具以磨损形式而失效:当进给量较大时刀具以破损形式失效。

纳米TiN改性刀具寿命较长的原因是:在干摩擦的条件下,TiC基金属陶瓷的磨损过程是粘结磨损加上硬质相的剥落。这是因为Ti(C,N)基金属陶瓷中主要硬质相TiC硬度大于YT系硬质合金中硬质相WC。更由于TiN的加入抑制了Mo向硬质相中的扩散和W、Ti等元素通过Ni向硬质相扩散,可以产生明显的细化晶粒、提高硬度和强度的效果,因此抗磨粒磨损的性能好。TiC基金属陶瓷的导热性好,与钢的摩擦系数较小,切削温度较低,可以减少扩散磨损,况且 TiC基金属陶瓷的粘结相Ni、硬质相TiC向钢中扩散速度都小于Co和WC。另外,TiC和TiN在高温下可生成较致密的TiO2膜,可覆于刀具表面进一步阻止了各元素的扩散。所以TiC基金属陶瓷具有良好的抗扩散磨损能力。由于TiO2膜的形成和材料的细晶粒结构也增加了刀具抗粘结磨损能力。在TiC 基金属陶瓷中Ni和TiN都提高了材料的耐腐蚀性和化学稳定性。由上可知,纳米TiN改性TiC金属陶瓷刀具具有很好的综合切削性能。

图2b中,由于进给量较大,单位主切削刃上负荷较大,而TiC基金属陶瓷的强度、韧性比YT系硬质合金低,故造成崩刃。

与普通TiC基金属陶瓷刀片切削45钢和灰铸铁时的比较

在切削速度Vc=200m/min,背吃刀量ap=0.5mm,进给量f=0.1mm/r的切削条件下,分别加工45钢和灰铸铁,得到图3所示的磨损曲线。

由图中看出,纳米改性金属陶瓷抗崩刃性、耐磨性均有较大提高。这是由于在TiC晶界分散的纳米TiN颗粒有钉扎晶界的作用,阻止TiC晶粒的长大,即有弥散强化和细晶强化的效果。纳米粉末的巨大表面能提供了烧结驱动力、活化烧结作用、促进扩散并降低烧结温度,有利于得到细晶结构。同时,TiC晶粒内部分散的 TiN颗粒也起到固溶强化的作用。由此可知,纳米改性金属陶瓷是一种陶瓷增韧的新方法。

切削淬火钢时的比较

图4是切削速度Vc=30m/min,背吃刀量ap=0.5mm,进给量f=0.1mm/r条件下几种刀具切削淬火45钢(经中频淬火热处理,硬度为55HRC)的磨损曲线。由图中可以看出,在较低切削速度下,纳米 TiN改性TiC基金属陶瓷刀具切削淬火钢时刀具耐磨性好,寿命较长。曾用切削速度Vc>30m/min做试验,刀具在切削过程中急剧磨损,且以崩刃而失效。

4 结语

通过以上切削试验说明:纳米TiN改性TiC基金属陶瓷可转位刀片具有硬度高、高温性能和化学稳定性好、抗磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损和化学磨损的能力较强等优良特性,虽然韧性和强度稍低、抗崩刃性不太好,但在大多数情况下它的切削性能较硬质合金刀具好。

纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷是20世纪90年代出现的一种新型刀具材料,具有耐氧化、耐高温、耐磨等一系列优点,再加上其密度6.3~6.8g/cm3,只有硬质合金密度13.5~14.8g/cm3的一半,即相同重量的粉末,金属陶瓷可获得2倍于硬质合金数量的制品,用作刀具材料不仅延长了使用寿命,而且降低了成本,生产应用具有广阔的前景。

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