纳米TiN提高金属陶瓷刀具耐磨损性能的机理研究

图 5 刀具切削 45 钢时的磨损图 ( 1000
)
号 现代制造工程 杂志社
现代制造工程 2004( 2)
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驱动力增大, 材料的致密化速度增大 ; 致密度提高, 力 学性能相应得到提高 ; 此外, 纳米粒子在高温时能牵制 位错运动 , 使金属陶瓷的热稳定性、 高温硬度、 高温强 度等高温力学性能得到提高。 还产生扩散磨损和氧化磨损 , 虽然它们在刀具总磨损 量中所占比例不大 , 但会大大加剧粘着磨损。粘着磨 损速度与刀具材料的硬度、 高温化学稳定性及材料间 的扩散性等密切相关; 磨粒磨损主要与刀具材料的硬 度直接相关。由前面的分析可知, 纳米粒子的加入 , 提 高了金属陶瓷刀具的强度、 硬度等力学性能和高温性 能, 使刀具的磨损速度减慢, 耐磨损性能明显提高, 使 用寿命大大增长。
Study on mechanism of improving wear - resistibility of cermet cutter by adding nano -TiN
Tian Chunyan, Jiang Hai
Abstract
Liu Ning
The internal mechanism that the adding of nano -TiN can improve obviously the wear - resistibility of cermet cutter is re -
二、 力学性能试验
金属陶瓷刀具的耐磨 损性能与其硬 度值密切相 关。为此 , 在万能试验机上测量了强度值, 在德国三式 硬度计上测量了洛氏硬度, 测量结果如表 2 所示。由 表 2 可知, 纳米改性的金属陶瓷刀具的强度、 硬度有较 明显提高 , 这表明两种刀具的显微组织结构有所不同。
表2
刀具材料
两种材料的硬度 、 强度值
searched The result show that the distribution of nano -TiN at the grain interface inhibit the growth of T iC grains, so the microstructure of cermet becomes finer and the mechanical properties are enhanced; the wear - resistibility of cermet is improved accordingly. Key words: Nano - TiN Cermet cutter Wear - resistibility Microstructure 表1
成 分
Properties 纳米改性金属陶瓷刀具的成分
TiN/ nm 10 TiC 47 Ni 15 WC 15 Mo 16 C 1
通过粉末冶金的方法制备了纳米改性的 TiC 基金 属陶瓷刀具, 并对添加纳米 T iN 提高刀具耐磨损性能 的内在机理进行了研究。
含量 ( wt % )
一、 耐磨损性能试验
五、 结论
1 纳米 T iN 的加 入可明显提高金属 陶瓷刀具的 耐磨损性能和使用寿命。 2 纳米改性金属陶瓷 的显微组织结构图及拓扑
图 3 普通金属陶瓷显微组织 ( SEM 800 )
图表明, 纳米 TiN 主要分布在晶界上, 阻止了晶粒的长 大, 使金属陶瓷组织得到细化, 从而提高了强度、 硬度 等力学性能, 这是纳米改性金属陶瓷刀具耐磨损性能 得到提高的主要原因。
四、 切削试验
图 5 所示为纳米改性金属陶瓷刀具切削 45 钢时 的磨损图。由图 5 可看出 , 磨损面上除了有较明显的 磨粒磨损产生的磨痕外 , 还有硬质相剥落坑等粘结磨 损形貌, 故金属陶瓷刀具在切削中碳钢时, 刀具主要以 磨粒磨损和粘着磨损形式失效。 当切削速度较高时 ,
敬告
为贯彻新闻出版 署 中 国学术 期刊 ( 光盘 版)
工艺与工艺装备
纳米 TiN 提高金属陶瓷刀具耐磨损性能的机理研究
田春艳
摘要
姜
海
刘
宁
研究纳米 T iN 显著提高 TiC 基金属陶瓷刀具耐磨损性 能的机理 。 结 果表明 , 纳米 TiN 在晶 界上的分布 阻碍了 TiC 耐磨损性能 显 微组织 力学性能
晶粒的长大 , 细化了金属陶瓷组织 , 提高了强度 、 硬度等力 学性能 , 使金属陶瓷刀具的耐磨损性能提高 。 关键词 : 纳米 TiN 金属陶瓷刀具 中图分类号 :TG71 文献标识 码 : A 文章编号 : 1671 3133( 2004) 02 0086 02
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a) 显微组织 ( SEM
800
)

b) 拓扑图 ( BE
800
)
作者简介 : 田春艳 , 工 学硕士 , 讲师 , 主要研究方向 : 金属陶瓷 材料 , 陶瓷材料 。 作者通讯地址 : 合肥学院 ( 230069) 合肥工业大学 收稿日期 : 20031110
图 4 纳米改 性金属陶瓷显微组织及拓扑图
性 能 硬度 HRA 89 3 92 6 抗弯强度 / MPa 1050 1360
普通金属陶瓷刀具 纳米改性金属陶瓷刀具
三、 显微组织分析
将试样经清洁处理后 , 在 AFM( 原子力显微镜 ) 上 观察其显微组织。图 3 所示是普通金属陶瓷显微组织 结构图 , 图 4a 所示为纳米 改性金属陶瓷 的显微组织 图。二者相比, 后者金属陶瓷的组织明显细化 , 但仍为 两相结构( 陶瓷相 + 金属相) , 在晶界上和金属相中可 看到细小的颗粒。由图 4b 所示的背散射电子 ( BE) 拓 扑图可进一步明显看到, 在 T iC \ T iC 晶界上分布着细 小颗粒 , X 射线衍射分析表明 , 该颗粒为 TiN 。在晶界
参 考 文 献 1 Ettmayer P, Kolaska H, Lengauer W, et al T i( C, N) cermets metal lurgy and properties[ J] Int J of Refractory metals & hard Materi als, 1995, ( 13) 2 3 张立德等 纳米材料 周泽华 金属切削原理 北京 : 化学 工业出版社 , 2001 上海 : 上 海科学技术出版社 , 1994
图 1 切削铸铁时刀具 磨损对比曲线
图2
切削 45 钢时刀具 磨损对比曲线
上分布的 T iN 可有效地钉扎晶界, 阻止晶粒长大, 使组 织得到细化, 从而使金属陶瓷的硬度、 抗弯强度等力学 性能得到提高。纳米 TiN 颗粒细小 , 比表面大, 使烧结
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工艺与工艺装备
用纳米 TiN 改性的 TiC 基金属陶 瓷刀具, 其成分 如表 1 所示。 在相同的 切削条件 下 ( 切削速 度 Vc = 200m/ min, 切削深度 ap = 1mm, 进给量 f = 0 1mm/ r) , 用纳米改性的金属陶瓷刀具在车床上切削 45 钢和铸 铁, 在 40 倍读数显微镜下测量刀具后刀面的平均磨损 值 VB 并观察磨损形态 , 并和普通金属陶瓷刀具的耐 磨损性能进行对比。切削试验结果表明 , 在该切削条 件下 , 纳米改性金属陶瓷刀具的失效形式为磨损; 普通 金属陶瓷刀具在切削铸铁时的失效形式为崩刃 , 切削 45 钢时的失效形式为磨损。纳米改性金属陶瓷刀具 的使用寿命远大于普通金属陶瓷刀具, 由图 1、 图2的 磨损曲线可知, 添加纳米 T iN 的金属陶瓷刀具耐磨性 显著提高 , 使用寿命大大增长。