銑削刀片用納米改性金屬陶瓷的顯微組織和力學性能www.tool-tool.com

1 前言

納米改性Ti(C，N)基金屬陶瓷與傳統Ti(C，N)基金屬陶瓷相比，具有優良的綜合性能，因而被廣泛用作刀具材料。 隨著製造技術的發展，金屬陶瓷強度和韌性得到不斷提高，刀具的抗塑性變形和抗崩刃性能也有所改善；並且，刀具的高溫強度和高溫硬度、導熱性和耐衝擊性也都有所提高，使其不僅可用於鋼材和鑄鐵的精加工，而且可成為粗加工、銑削等斷續切削適宜的刀具材料。 當前，銑刀的使用量僅次於車刀和鑽頭，隨著數控機床和專用銑床的普及，銑刀的使用量越來越大。 由於銑削過程採用大進給量的傾向日趨加強，因此，加工條件也越來越惡劣，對銑削刀片用刀具材料的穩定性要求越來越高。另外，用於斷續銑削的銑刀與連續切削的車刀相比，銑刀在使用中因承受反复的衝擊容易發生脆性破損。 為此，研製和開發高強韌性銑削刀片，特別是用納米改性Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料就顯得尤為必要。 目前，在國內儘管已有許多有關銑削刀片用刀具材料的報導。 但是，對銑削刀片用納米改性金屬陶瓷的研究還未見報導。 本文即研究銑削用納米改性金屬陶瓷的顯微組織和力學性能，為其下一步用作銑刀刀具材料提供理論指導。

2 實驗方法

1) 材料製備

銑削刀片用納米改性金屬陶瓷試樣的化學成分如表1所示。 首先，用ZB220-T型超聲波對納米TiN粉進行分散，混料後加入適量無水乙醇並置於QM-1F行星式球磨機上進行球磨24h。 待混合料乾燥後，加入一定量的汽油橡膠溶液進行造粒，然後，在約200MPa壓力下模壓成形，最後，在1440℃溫度下真空燒結1h。

表1 銑削用納米改性金屬陶瓷試樣的化學成分

試樣序號	各試樣化學成分(wt%)
	TiN(nm)	WC	TiC	Mo	Co	Ni	C
a	10	15	Rest	4	12	12	1.0
b				6	8	16
c				15	6	18
d				6	10	14
e				4	14	14

2) 組織觀察

試樣表面經1µm金剛石拋光膏拋光後，用m(HF):n(HCI)=1:1的混合酸進行長時間熱腐蝕後並用清水沖洗乾淨，然後，在HITACHI X-650型掃描電鏡上觀察顯微組織。 斷口形貌觀察在LEO-1530VP型掃描電鏡上進行。

3) 抗彎測試三點彎曲實驗

在MTS801-23型試驗機上進行。 試樣尺寸為30mm×5mm×5mm；跨距為20mm，壓頭速度為1mm/min。 實驗採用單邊切口梁法測斷裂韌性，試樣尺寸為30mm×5mm×2.5mm，試樣切口用金剛石刀片切出寬0.15～0.20mm的缺口，切口深度a為0.5mm，切口尖端曲率半徑在0.1～0.2mm之間，跨距為20mm，加載速率為0.05mm/min。 用此方法計算試樣的斷裂韌性KIC的公式為

KIC=Y	3PL	a½
	2bh2

式中Y=1.93-3.07(a/h)+14.53(a/h)²-25.11(a/h)³+25.8(a/h)⁴

3 結果與討論

1) Mo添加量對顯微組織的影響

由圖1可以看出，銑削刀片用納米改性金屬陶瓷的組織仍為陶瓷相和金屬相兩相；基體組織中較粗大的陶瓷相呈芯/殼結構，即TiC芯外包覆有一層硬質相(Ti，Mo，W)(C，N)即“SS”相)。 環形相(“SS”相)形成能有效抑制基體Ti(C，N)晶粒的長大，從而提高了材料的力學性能；它的形成是由於WC、Mo2C及Ti(C，N)向液相中溶解和在粗Ti(C，N)顆粒上再析出的結果。

(a) 12Ni-12Co-4Mo (b) 16Ni-8Co-6Mo (c) 18Ni-6Co-15Mo
圖1 銑削刀片用納米改性金屬陶瓷的顯微組織(SEM)

研究表明，向Ti(C，N)基金屬陶瓷中添加Mo能改善液態金屬Ni對基體的潤濕性和抑制燒結時碳化物晶粒的長大，並且能提高Ti(C，N)基金屬陶瓷的高溫抗彎強度Q5R。 在 TiC-Ni-Mo系中，當Ni中Mo含量達10wt%時能完全潤濕TiC顆粒(接觸角q=0°。由圖1可見，隨Mo添加量的增加，TiC基金屬陶瓷的組 織明顯細化。這是因為Mo能抑制燒結時碳化物相晶粒的長大，這與潤濕性的改善有關；在完全潤濕的條件下，碳化物顆粒不出現聚集再結晶，這種見解現在已經得 到普遍承認。此外，在燒結溫度下，Mo向TiC顆粒擴散，並取代TiC晶格中的Ti，在TiC顆粒表面上形成(Ti，Mo), 固溶體，這就減少了純TiC顆粒接觸，並防止純TiC顆粒聚集長大。這同樣是造成TiC基金屬陶瓷晶粒更細和組織更均勻的另一個重要原因。特別由圖 1(c)可以看出，當Mo含量達15wt%時，對TiC基金屬陶瓷的組織細化效果要更加顯著。由Hall-Petch公式可知，金屬陶瓷組織的細化可以明 顯提高材料的屈服強度，這為其下一步用作刀具材料奠定了良好的基礎。

由圖1還可以看出，在腐蝕掉組織中大部分金屬粘結相後，可見許多諸如TiC、WC等異種亞微米碳化物和納米TiN顆粒隨機分佈於各陶瓷相顆粒之間。 據 文獻報導，這些分佈於TiC/TiC的兩相或三相晶界上的納米TiN和異種亞微米碳化物顆粒，一方面，起到固溶強化金屬粘結相的作用，另一方面，能起到有 效釘扎TiC晶界和粘結相中位錯的作用，使TiC晶界和位錯難以運動，從而在一定程度上阻礙金屬陶瓷的晶粒異常長大，這樣整個基體中TiC晶粒也可得到明 顯的細化，使金屬陶瓷的整體組織趨於均勻化。

2) 金屬粘結相力學性能的影響

圖2為金屬粘結相含量和種類對銑削刀片用納米改性金屬陶瓷力學性能的影響。 由圖2可知，無論採用單相金屬Ni 還是採用複相Ni-Co做金屬粘結相，金屬陶瓷的抗彎強度(σbb)和斷裂韌性(KIC)都隨粘結相含量的增加而升高，而硬度(HRC)則隨粘結相含量增加而降低。 但是，採用(Ni+Co)復相粘結時，金屬陶瓷的力學性能要優於單相Ni粘結的金屬陶瓷性能。

(a) 粘結相含量對強度影響(b) 粘結相含量對硬度影響(c) 粘結相含量對斷裂韌性影響
圖2 粘結相含量和類型對金屬陶瓷力學性能的影響

用(Ni+Co)複合粘結相使金屬陶瓷力學性能提高的原因主要還是與顯微結構的改善有關。 由於Co有著比Ni更高的韌性，而且適當添加Co可以改善粘結相對硬質相的潤濕性，所以在採用相同的燒結工藝時，含Co金屬陶瓷的斷裂韌性和緻密度比完全用Ni作粘結相的要高。 但是，由於Co價格比較昂貴，因此，Co添加量較多時對成本不利。

3) 斷口形貌分析

圖3為銑削刀片用納米改性金屬陶瓷的抗彎斷口SEM形貌。 由圖(a)、(b)、(c)可見，隨著粘結相含量的增加，斷口形貌也隨著變化。 斷裂模式以沿晶斷裂為主。 這是由於裂紋沿晶界擴展所需的能量較少的緣故。 但對較粗大的陶瓷相，存在著解理斷裂。 從斷口還可以看出，金屬相存在著明顯撕裂的痕跡(撕裂棱)和小碳化物顆粒從金屬粘結相中拔出後留下的韌窩。

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