yg系列的合金多数用来加工铸铁；yt系列加工钢
钢材是最常用的机械零件材料之一。随着**新材料的不断出现，钢材的加工方法也越来越多样化。机加工中使用最广泛的**材料为硬质合金系列。然而，硬质合金**由于其本身性能的限制，并不适于现代化机械工业飞速发展的高速度、高效率和高精度的要求，因此，近年来对涂层**、陶瓷**和超硬**的研究日益增多。但是这些**不是成本太高，就是强度及韧性较低，因此并未得到广泛的应用。而ti(c，n)基金属陶瓷**，由于具有硬度高、耐磨性及导热性好等优良综合性能，因而被广泛用作工具材料，而且可以填补硬质合金和陶瓷工具材料之间的间隙。此外，通过对金属陶瓷成分的优化，可以制备出强度、韧性和耐磨性综合性能优异的切削**，使得它能适于高速精密切削的发展。到目前为止，国内外对纳米tin 改性tic 基金属陶瓷**的研究还较少。本文即选取工业生产中应用广泛的45 号钢作为切削加工的目标材料，通过具体的切削实验考察和比较新型金属陶瓷**与传统金属陶瓷**、al2o3**及yt15硬质合金**的磨损性能，为这种新型金属陶瓷**的实际应用打下一定的基础。1 实验
表 金属陶瓷**的成分(%)粉末 tic tin(nm)wc ni co mo c
质量分数 48 10 15 5 5 16 1
图1 snun150406型**尺寸
**的化学成分
试验所用新型金属陶瓷**的成分如右表所示。其中tin是纳米粉末，其颗粒大小在30～50nm。**的制备
按表1所列成分称粉。先将纳米tin粉末按一定的分散工艺进行分散，然后按常规粉末冶金工艺制备金属陶瓷**。将烧结后的**粗坯在m612 型端面磨床上用200目金刚石砂轮磨削成如图2所示的**尺寸(刀片型号为snun150406)。组织观察
**表面经1?m金刚石抛光膏抛光后用m(hf):n(hcl)=1:1的混合酸进行腐蚀，然后在hitachi x-650 型扫描电镜上观察显微组织。切削实验
实验条件如下：ca6140 型车床；**为新型金属陶瓷**、传统ti(c，n)基金属陶瓷**(10tin-16mo2c-54tic-20ni)、al2o3**及yt15硬质合金**；工件为?210mm×60mm 的45 号钢棒，正火态，硬度为21hrc；切削条件为干切削；**安装角度为：a0=9°，g0=-8°，kr=45°，kr'=45°。先将被加工工件固定在车床上，并将**装夹在刀杆上固定好，按设定的切削用量进行切削。每隔一定时间暂停切削，取下刀片，在40倍工具显微镜下测量**后刀面平均磨损量vb，然后将**重新装夹好，继续切削。磨钝标准取后刀面磨损量为vb=0.3mm。对切削后的**用hitachi-650型扫描电镜观测**磨损形貌。图2 金属陶瓷**的组织(semx 3000)
2 结果及讨论
新型金属陶瓷**的显微组织
新型金属陶瓷**的显微组织如图2所示。由图可见，金属陶瓷的组织由2相(陶瓷相+金属相)组成。其中较**的陶瓷相呈芯/壳(core/shell)结构，即芯部成分是ti(c，n)固溶体，而壳部成分主要是(ti，mo，w)(c，n)固溶体；而金属相则是由ni，co，mo 组成的合金体。与传统金属陶瓷组织相比，新型金属陶瓷组织更细小；这主要是由于纳米tin 的添加降低了金属陶瓷的烧结温度以及它对基体tic 的钉扎而抑制了基体晶粒的长大有关。**的磨损形态和磨损曲线
金属切削过程是工件上被切削金属层在**作用下经受挤压产生滑移变形，引起断裂，形成切屑的过程。正常情况下，**磨损的基本形态表现为刃口磨损、前刀面磨损、后刀面磨损和刀尖磨损4 种，如图3(a)所示。其中后刀面磨损几乎在各种切削条件下都会出现，而且测量比较方便。所以，本实验即取**的后刀面磨损值vb 用作判断**磨钝程度的基准。典型的磨损曲线如图3(b)所示。金属陶瓷**的磨损曲线
图4是在切削用量为vc=300m/min，f=0.1mm/r，ap=1mm时新型金属陶瓷**的后刀面平均磨损量vb(mm)随切削时间t(min)的变化曲线。由图4可以看出在此切削用量下，金属陶瓷**的磨损曲线是比较典型的磨损曲线，可分为3个阶段。ⅰ.初期磨损阶段：这一阶段磨损较快，这是因为新刃磨的**表面存在着微观粗糙度、氧化层和破坏层，切削初期因为**后刀面与加工表面接触面积小，压应力比较集中，很快就在后刀面上磨出一个窄面。ⅱ.正常磨损阶段：当在初期磨出一个窄面后，压强减少，磨损的速度也随之稳定下来，即进入正常磨损阶段。此阶段为**的有效工作期。ⅲ.剧烈磨损阶段：当磨损量大到一定程度时，加工表面的粗糙度增大，切削力和切削温度急剧增大，磨损曲线的斜率急剧增加，以致**磨损值很大。为了保证加工质量，应当避免进入这个阶段。(a)**磨损形态
(b)典型磨损曲线
图3 **磨损的基本形态及典型磨损曲线
(vc=300m/min，f=0.1mm/r，ap=1mm)
图4 新型金属陶瓷**正常磨损曲线
1.yt15** 2.al2o3** 3.传统金属陶瓷** 4.新型金属陶瓷**
图5 新型金属陶瓷**与对比**的磨损曲线
图6 金属陶瓷**的磨损形貌(semx 1010)
金属陶瓷**与硬质合金**磨损性能的对比
yt15**、al2o3**、传统金属陶瓷**及新型金属陶瓷**在切削用量为vc=200m/min，f=0.1mm/r，ap=1mm 条件下的对比切削磨损曲线如图5所示。由图5可见，yt15硬质合金**在此切削用量下切削60min后，其后刀面平均磨损量vb就已经超过了0.3mm；而对al2o3**而言，在vb=0.30mm 时切削时间可达76min；而对传统金属陶瓷**而言，在vb=0.30mm 时切削时间可达200min 以上；但新型金属陶瓷**切削430 分钟时其vb 仅为0.23mm，而且**仍处于正常磨损阶段。在此切削用量下，新型金属陶瓷**的寿命远大于yt15**、al2o3**及传统金属陶瓷**，估计其寿命能达500min以上。与传统ti(c，n)基金属陶瓷**相比，新型金属陶瓷**具有更高的**寿命，这是因为向tic 基金属陶瓷中添加纳米tin 比添加微米tin对基体tic 的细化作用要更加显著，这一点可由文献及图2 得到证明。金属陶瓷组织的细化能有效提高材料的综合力学性能，用作**材料更能发挥其优越性。而对于al2o3陶瓷**，虽然它具有高温硬度高、化学稳定性好等优点，但该**材料的主要缺点是抗弯强度低，约为0.4～0.5gpa。此外，al2o3的导热率约为12.557w/m·℃，是硬质合金的1/2～1/5；线胀系数(约为8.0×10-6/℃)比硬质合金大10%～30%，而且弹性模量低。故al2o3陶瓷**材料对机械冲击极为敏感。在切削碳钢时，该型**常以崩刃的形式失效。与硬质合金相比，金属陶瓷**之所以具有更高的**寿命是由于以下几个原因决定的：(1)2种**材料的高温硬度差别较大。yt15硬质合金**为钨钛钴类(wc-tic-co)硬质合金，其硬质相由wc和tic 组成，以co为粘结相。由于tic的硬度(hv3200)高于wc的硬度(hv2400)，因此tic 含量越多，硬度也越高。与硬质合金相比，虽然金属陶瓷的强度及韧性较低，但其强度随温度的升高下降较慢，弥补了其强度较低的缺点，能很好地应用于塑性较好、硬度不高的材料的切削加工中。(2)金属陶瓷**有较高的抗氧化能力。在切削时tic 氧化形成的tio2保护膜非常致密，有润滑作用，故耐磨性较高。而对硬质合金**，在切削时wc会被氧化形成多孔的wo3，而且当刀尖温度在800℃以上时，wc还会与钢发生反应，形成脆弱的复合碳化物(wfe)6c，这些对**耐磨性都不利。与wc相比，tic 是相对稳定的。(3)金属陶瓷**有较高的抗月牙洼磨损能力。月牙洼磨损开始产生的温度，一般硬质合金为850～900℃，而金属陶瓷为1100～1200℃。(4)金属陶瓷**化学稳定性较好，与钢化学亲合力小，与工件的摩擦系数也小，因此用金属陶瓷**切削时，可阻止**与钢的粘结，不易产生积屑瘤，工件的加工精度可明显提高。tic 与工件材料45 号钢的粘结温度(1120℃)高于wc(1000℃)，因此，与硬质合金相比，金属陶瓷**具有较高的抗粘结磨损的能力。金属陶瓷**的磨损形貌图6 为新型金属陶瓷**在切削用量为vc=200m/min，ap=0.5mm，f=0.1mm/r 条件下的磨损形貌。由图可见，磨损表面除了明显的磨痕及剥落坑外，还有明显的裂纹扩展的痕迹。金属陶瓷**磨损的主要机理是磨粒磨损、高温的粘结磨损及扩散磨损。3 结论
与传统金属陶瓷相比，新型金属陶瓷的组织更细小。与传统金属陶瓷**、al2o3**及yt15硬质合金**相比，新型金属陶瓷**具有更高的**寿命和切削效率，且主要以“磨损”形式失效。