Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ 陶瓷刀具加工 Ｉｎｃｏｎｅｌ７１ ８镍基合金时的切削性能和磨损机理。结果表明：在低速切削条件下，Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／Ｓ ｉＣｗ和硬质合金（ＹＧ８）刀具的抗后刀面磨损的能力相差不大；而在高速切削条件下，前者的 抗后刀面磨损的能力远高于后者。Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ刀具前刀面的磨损形式主要为 粘结磨损；后刀面主要为磨粒磨损。扫描电镜和电子探针分析表明，刀具前刀面含有大量Ｉｎｃｏ ｎｅｌ７１８中的Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒ等元素，并已向刀具材料内部扩散，从而降低了刀具表面的硬 度，加速了刀具的磨损。关键词陶瓷刀具，切削性能，磨损机理，镍基合金１引言镍基合金是一种 具有代表性的耐热合金。它具有高的强度、硬度和良好的耐热性，其中含有很多硬质点，导热系数 低，高温强度高。目前广泛用做飞机发动机、核能工业材料等。在切削过程中表现出切削温度高、 加工硬化严重及塑性变形抗力大等特点［１］。这就要求切削加工的刀具材料不仅具有高的强度和 韧性，尤其具有高的导热性能和抗热震性能。目前国内外加工镍基合金主要选用的刀具材料有：硬 质合金、陶瓷刀具和ＣＢＮ刀具等。硬质合金刀具在高温下化学稳定性差，高温强度和硬度低。因 此，用硬质合金刀具加工镍基合金时，为了避免过高的切削温度，只能采用很低的切削速度，加工 效率低。ＣＢＮ刀具因价格昂贵而应用较少。而陶瓷刀具具有硬度高、高温下化学稳定性好等优点 ，适合于高速切削镍基合金，其中Ａｌ２Ｏ３基陶瓷刀具由于具有高的硬度和很好的高温化学稳定 性，是加工镍基合金较为合适的刀具材料［２］。而通过ＳｉＣ晶须对陶瓷刀具材料进行增韧补强 不仅可以大幅提高其断裂韧性，而且可以改善其抗热冲击性能。因此，晶须增韧陶瓷刀具被认为是 加工镍基高温合金的理想刀具［３，４］。本工作研究了Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ陶瓷刀 具加工Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８时的切削性能和磨损机理。２试验方法切削试验在ＣＡ６１４０普通 车床上进行。工件材料为Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８镍基合金，其主要成分见表１。刀具材料分别为硬 质合金刀具（ＹＧ８）和Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ陶瓷刀具。陶瓷刀具的力学性能见表２ 。切削深度为０．５ｍｍ，进给量为０．１３ｍｍ／ｒ，刀具几何参数分别为：前角γ＝－５°， 后角α＝８°，主偏角Ｋｒ＝４５°。试验中不采用切削液。用工具显微镜测量刀具后刀面的平均 磨损量ＶＢ，用扫描电镜和电子探针对刀具磨损表面进行观察与分析。表１Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８ 镍基合金的主要成分Ｔａｂｌｅ１ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆＩｎｃｏｎｅ ｌ７１８ｎｉｃｋｅｌｂａｓｅｄａｌｏｙＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎＮｉＣｒＦｅＮｂＭｏＡｌＴ ｉＳｉＭｎＭａｓｓｃｏｎｔｅｎｔ／％ｂａｌ１９１８．５５．１３．００．５０．９０．３０ ．２表２Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ陶瓷刀具材料的力学性能Ｔａｂｌｅ２Ｍｅｃｈａｎｉ ｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗｃｅｒａｍｉｃｃｕｔｉｎｇ ｔｏｏｌＦｌｅｘｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈ／ＭＰａＦｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓ／Ｍ Ｐａ·ｍ１／２Ｈａｒｄｎｅｓｓ／ＧＰａ７５０７．８２２．２３结果与讨论３．１切削试验结 果图１为ＹＧ８和Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ陶瓷刀具在不同切削速度条件下加工Ｉｎｃｏ ｎｅｌ７１８时刀具后刀面磨损量随切削速度的变化。可见，随切削速度的增加，刀具后刀面磨损 量增大。在低速切削条件下，ＹＧ８和Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ后刀面磨损量相差不大； 在高速切削条件下，前者的抗后刀面磨损的能力远低于后者。并且切削速度越高，二者的抗后刀面 磨损的能力相差越大。当切削速度为２００ｍ／ｍｉｎ时，用自然热电偶法测量刀屑接触区的平均 温度达１３００℃。在如此高的切削温度作用下，硬质合金刀具表面将软化，因而耐磨性能急剧下 降。而Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ刀具高温硬度高，在８００℃内抗弯强度无显著降低，断 裂韧性在１０００℃内随温度的升高还略有增加［５］。并且由于ＳｉＣ晶须的加入，Ａｌ２Ｏ３ ／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ陶瓷刀具材料的热膨胀系数小，导热系数高，具有较好的抗热冲击性能，因 而在高速切削加工镍基合金时，表现出了良好的切削性能。３．２磨损特征和磨损机理图２为Ａｌ ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ陶瓷刀具在ｖ＝１２０ｍ／ｍｉｎ条件下切削５ｍｉｎ后刀具磨损形 貌。可见，刀具前、后刀面上均有磨损，其中前刀面上有明显的粘结现象存在。由于切削加工时刀 屑接触区存在很高的温度和压力，刀具与切屑之间容易产生粘结，而粘结的两个表面又有相对运动 ，因而粘结层将产生撕裂，从而造成粘结磨损。图３为刀屑粘结区横截面的Ｎｉ，Ｆｅ，图１ＹＧ ８和Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ陶瓷刀具在不同切削速度条件下刀具后刀面磨损量随切削时 间的变化Ｆｉｇ．１ＦｌａｎｋｗｅａｒｏｆＹＧ８ａｎｄＡｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗｔｏ ｏｌｓｉｎｍａｃｈｉｎｉｎｇＩｎｃｏｎｅｌ７１８ａｔｄｉｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇｓｐ ｅｅｄｓＣｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅ□ＣｅｒａｍｉｃｃｕｔｉｎｇｔｏｏｌＣｒ，Ａｌ， Ｓｉ和Ｔｉ元素的电子探针分析结果。可见，陶瓷刀具材料中的Ａｌ，Ｓｉ和Ｔｉ元素没有明显向 切屑扩散（图３ｄ），而Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８中的Ｎｉ、Ｆｅ和Ｃｒ元素似乎已扩散到刀具材料 中去（图３ａ，３ｂ，３ｃ），通过与本底强度线分布比较就可以明显看出，陶瓷材料一侧明显含 有Ｎｉ，Ｆｅ和Ｃｒ元素［６］。因切屑相对于刀具高速运动，刀具表面在接触区保持着扩散元素 的浓度梯度，从而使得扩散现象持续进行。因此，随着切削温度的升高和切削时间的增大，扩散量 将趋于增多。切屑中的Ｎｉ，Ｆｅ和Ｃｒ元素扩散到陶瓷刀具材料中将使得切屑和刀具材料的亲和 性增加，因而容易发生粘结。并且Ｎｉ，Ｆｅ和Ｃｒ元素扩散到陶瓷刀具材料中还将使得刀具材料 表面硬度降低，粘结层的撕裂发生在刀具表面上的可能性增加，刀具前刀面粘结磨损将趋于严重。 胜村佑次等研究表明［７］：在１１００℃高温下，Ｎｉ和Ｆｅ元素能与ＳｉＣ发生化学反应，分 别生成ＦｅＳｉ和ＮｉＳｉ化合物。其反应式如下：图２Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ陶瓷刀 具在ｖ＝１２０ｍ／ｍｉｎ条件下切削Ｉｎ－ｃｏｎｅｌ７１８时刀具磨损形貌Ｆｉｇ．２ＳＥＭ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｏｆｗｅａｒｓｕｒｆａｃｅｏｆＡｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗｔｏｏ ｌｉｎｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆＩｎｃｏｎｅｌ７１８ａｔｃｕｔｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆ１２０ｍ ／ｍｉｎ（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）图３刀屑粘结区横截面的Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ和Ｔ ｉ元素的电子探针分析结果Ｆｉｇ．３ＥＤＸＡｏｆＮｉ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，ＳｉａｎｄＴｉｅ ｌｅｍｅｎｔｓｏｎｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆａｄｈｅｓｉｖｅｗｅａｒｒｅｇｉｏｎ４Ｆ ｅ＋ＳｉＣ→ＦｅＳｉ＋Ｆｅ３Ｃ（１）Ｎｉ＋ＳｉＣ→ＮｉＳｉ＋Ｃ（２）图４Ａｌ２Ｏ３／Ｔ ｉＢ２／ＳｉＣｗ陶瓷刀具后刀面磨损区的ＳＥＭ照片Ｆｉｇ．４ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｏ ｆｔｈｅｆｌａｎｋｗｅａｒｒｅｇｉｏｎｏｆＡｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗｔｏｏｌｉｎｍ ａｃｈｉｎｉｎｇｏｆＩｎ－ｃｏｎｅｌ７１８此外，在切削高温作用下，ＳｉＣ晶须有可能产生 氧化。晶须的氧化以及其与Ｆｅ和Ｎｉ产生的化学反应，都将导致刀具表面ＳｉＣ晶须的消失，材 料表面的晶须增韧补强作用不再存在，从而使得刀具表面性能下降，耐磨性能降低。图４为Ａｌ２ Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ陶瓷刀具后刀面磨损形貌的ＳＥＭ照片。可见，后刀面磨损区几乎没有 粘结物存在，也无明显的撕裂痕迹，但有机械磨损耕犁沟槽，具有典型的磨粒磨损特征。由于Ｉｎ ｃｏｎｅｌ７１８中含有Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｎ，Ｍｏ和Ｓｉ等元素，这些元素以高硬度化 合物的形式存在，如：ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＷＣ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２等。在刀具后刀面磨损区， 由于切削温度和压力较低，粘结磨损和扩散磨损较轻，工件中的高硬度颗粒可在刀具表面起微切削 作用，从而在刀具表面留下磨损沟槽。４结论（１）Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２／ＳｉＣｗ和硬质合金 （ＹＧ８）刀具在低速切削Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８镍基合金时，两者的抗后刀面磨损的能力相差不 大，而在高速切削条件下，前者的抗后刀面磨损的能力远大于后者。（２）Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２ ／ＳｉＣｗ陶瓷刀具前刀面磨损的主要形式为粘结磨损，而后刀面磨损的主要形式为磨粒磨损。扫 描电镜和电子探针分析表明，刀具前刀面上含有大量的工件材料中的Ｎｉ，Ｆｅ和Ｃｒ等元素，并 且已向刀具材料内部扩散，从而降低了刀具材料表面的硬度，加速了刀具的磨损。
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