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硬脆刀具材料的高温摩擦磨损特性及机理研究

张辉  
【摘要】:干切削、高速切削和硬切削等先进加工工艺可以实现难加工材料的高效、清洁加工,是现代切削加工技术的重要发展方向。干切削、高速切削和硬切削过程中切削热产生量大,切削温度高,刀具磨损加剧,对刀具材料的高温摩擦磨损性能提出了更高的要求。本文系统研究了三种典型硬脆刀具材料(PCD刀具、Al2O3/TiC陶瓷刀具和硬质合金刀具)的高温摩擦磨损特性,揭示了硬脆刀具材料高温摩擦磨损机理,从而为刀具材料的设计和选择提供理论依据。 基于摩擦学理论,分析了硬脆刀具材料摩擦系数和磨损率随温度的变化规律。利用吉布斯自由能函数法对PCD刀具材料、Al2O3/TiC陶瓷刀具材料和硬质合金刀具材料各组分中可能的发生的化学反应进行了热力学计算,从理论上分析了各组分可能发生的反应及其氧化产物。计算结果表明:在高温下PCD刀具材料中的金刚石晶粒可能发生氧化和石墨化,粘结相Co可能发生氧化反应生成Co3O4; Al2O3/TiC陶瓷刀具材料中的TiC可能被氧化生成TiO2;硬质合金中的WC、Co、TiC分别可能被氧化生成WO3、Co3O4和TiO2。 系统研究了三种硬脆刀具材料高温摩擦磨损特性,探讨了材料组分、微观结构、力学性能和试验条件(温度、速度、载荷)等对硬脆刀具材料摩擦系数和磨损率的影响规律。研究结果表明:PCD刀具材料的摩擦系数在200℃至600℃的范围内随温度的升高而升高,在700℃时开始明显下降。Al2O3/TiC陶瓷刀具材料摩擦系数在200℃至500℃范围内随着温度的升高而升高,在600℃至800℃范围内摩擦系数开始下降;磨损率随温度的升高而升高,其数量级为10-7 mm3/(Nm)。硬质合金的摩擦系数在200℃至600℃范围内随着温度的升高而下降;磨损率随着温度的升高而升高,其数量级为10-6 mm3/(Nm)。其中,在相同条件下细晶粒硬质合金的磨损率为粗晶粒硬质合金的50%左右,而添加TiC和TaC以后,硬质合金刀具材料的耐磨性也显著提高。 对三种硬脆刀具材料磨损表面的三维形貌,截面轮廓及表面粗糙度进行了系统研究,对比了不同材料在不同条件下磨痕形貌、截面轮廓及表面粗糙度的演变规律。结果表明:PCD刀具的磨痕截面轮廓不明显,其深度变化范围与其表面粗糙度处于同一数量级。陶瓷刀具材料的磨痕截面轮廓的深度随着温度的升高逐渐增加,800℃时最深处达到1.0μm左右。硬质合金刀具材料磨痕截面轮廓的深度随温度明显增加,尤其是在600℃时增加非常显著,其中Al硬质合金材料磨痕最深处达到4.0μm左右。 分析了三种硬脆刀具材料磨损表面的化学反应生成物的产生温度及主要成分。研究发现,PCD刀具材料中的Co在600℃氧化生成C0304,在700℃时金刚石开始石墨化,粘结相Co和空气中的O2对金刚石的石墨化具有促进作用:Al2O3/TiC陶瓷刀具材料在600℃时开始出现轻微氧化现象,在800℃时氧化现象比较明显,其主要氧化产物是TiO2;硬质合金刀具材料在500℃开始轻微氧化,在600℃时氧化非常明显,主要氧化产物是由WC和Co氧化生成的W03和C03O4。 通过对硬脆刀具材料磨损表面形貌、表面成分的综合分析,阐述了硬脆刀具材料磨损的演变过程及磨损机理。研究认为:PCD刀具材料在600℃以下主要是粘结磨损,在600℃开始出现氧化磨损和金刚石的石墨化,同时由于热涨失配和Co的流失,金刚石晶粒间和晶粒内部出现大量的裂纹。Al2O3/TiC陶瓷刀具材料的磨损形式在200℃至500℃内随温度升高由单个晶粒的剥落逐渐演变为材料的大片脱落,600℃以后开始出现氧化磨损,800℃时氧化磨损加剧。硬质合金刀具材料在400℃以下的主要磨损机理是粘结相Co的析出以及WC晶粒间缺陷和裂纹的出现,进而导致的WC颗粒从摩擦表面拔出和破损。500℃时,硬质合金刀具材料开始部分出现氧化磨损,600℃磨损表面开始出现由氧化磨损产物组成的氧化膜。晶粒细化以及TiC和TaC的添加可以增加硬质合金刀具材料的耐磨性和抗氧化能力。氧化磨损的出现,增加了材料的磨损量,同时由于氧化物的强度、硬度较低,在摩擦表面起到了一定的润滑作用,使得高温下的摩擦系数减小。
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