納米材料在切削鑄鐵刀具中的應用
2014-1-3 來源：數控機床市場網 作者：劉超鋒 紀蓮清 邵建敏
摘要： 簡要介紹了納米復合材料的特點。闡述了鑄鐵材料尤其是白口鑄鐵的切削性能。從鑄鐵材料和切削鑄鐵的刀具材料兩個方面， 綜述了提高鑄鐵切削性能的研究狀況。詳述了納米陶瓷基復合刀具材料的制備方法及刀具對鑄鐵切削性能的研究進展。對納米材料在切削鑄鐵的刀具材料中應用的前景提出了建議。
關鍵詞： 鑄鐵 納米材料 刀具材料 應用
當物質顆粒處于納米量級（10-9m） 時，該物質可稱為納米材料。因納米結晶尺寸效應，納米金屬材料的硬度和強度增加，陶瓷的延性、韌性、成型性增加。復合材料是性質不同的材料通過一定的方法形成的。當復合材料中的一相晶粒至少有一維尺寸處于納米量級時，可稱為納米復合材料。作為高新技術材料之一，納米復合材料具有許多奇特的功能。
在工業部門中，鑄鐵件約占機器質量的 45%-90%。鑄鐵件如發動機缸體、變速箱體、機床床身上有許多平面、槽形需切削。先進刀具材料成為提高其加工效率的重要力量。
鑄鐵的組織為金屬基體加游離態石墨，可看作是布滿孔洞的鋼。石墨降低了鑄鐵的塑性，在切削加工時可形成易斷的崩碎切屑，且石墨還可起到潤滑作用，故鑄鐵具有好的切削加工性。良好的切削性能使其在切削刀具方面有更廣泛的選擇。但也要注意：冷硬鑄鐵的表面部分白口化，內部仍保持灰口，表層硬度可達450-550HB，常規加工時刀具磨損快，刃易崩損，需采取特殊手段如激光加熱輔助切削；另外加工面易崩邊，切削鑄鐵時的細小屑進入縫隙后易對相對運動表面造成研磨損壞；影響已加工表面粗糙度；在靠近切削刃的后刀面上溫度最高。
1 提高鑄鐵切削性能的材料因素
為提高鑄鐵的切削性能，從材料來看分以下兩個方面。
1, 1 鑄鐵件本身的組成
在鑄造過程中，向鐵液中加入20%稀土+80% 75 硅鐵復合孕育劑處理的缸體用灰鑄鐵件具有最小斷面敏感性和刀具磨損量。東風汽車公司鑄造一廠用殼型冷鐵360°激冷鑄造富康轎車凸輪軸，批量生產初期，反映凸輪軸毛坯切削加工性能差。李平等對此的研究表明，生鐵中微量元素對切削性能的影響大，原鐵液化學成分采用高碳低硅、高錳量，采用 Cr Cu復合合金化，可改善凸輪軸切削加工性能。此外增硫處理可有效減少油封軸頸 D 型石墨數量，改善鑄件加工后的表面粗糙度。高軍等也證實：鐵液中加入 <0.8%的銅能顯著減少出口美國的汽車冷卻水泵葉輪葉片尖角薄斷面白口。灰鑄鐵中加入 w（S）0.08% -0.12% 的硫可改善切削性能，但須控制生鐵中釩含量，因釩使高速切削性能嚴重惡化。
東風公司的 6B 康明斯缸體、缸蓋材料為 HT250，供給進口的 W 加工自動線。其粗加工線速度達870m/min。國產汽缸體鑄件材料加工性差，刀具壽命僅為進口鑄件的 30% 左右。對此，郭全領等的研究表明，將缸體 w（S） 量增加到 3.42%，其它工藝條件不變，缸體粗鏜缸孔刀具壽命從 20 件提高到 22 件，刀具壽命提高10%。上柴股份生產的D114 柴油發動機缸體、缸蓋材料要求為 HT250，其中缸蓋鑄件加入微量合金，爐前借助直讀光譜儀可在 2-3min 內對 w（S） 、w（Si） 進行控制。實踐表明，爐碳當量的提高有助于改善鑄造性能和切削性能；促進碳化物形成的元素都有降低切削加工性能的傾向； 但碳當量太高，強度、硬度和斷面均勻性等指標難以保證，Si/C 比的合適范圍為 0.6-0.8。
發動機的薄壁排氣歧管是多管口異形管件，因排氣溫度很高，在承受反復升溫和速冷的工況負荷時會開裂。目前，排氣歧管基本上都用蠕墨鑄鐵。研究表明，蠕化率為50%， w（Si） 增加至 4%， w（Mo）0.4% -0.6%，做成中硅鉬耐熱蠕鐵，其熱疲勞性能比普通蠕鐵提高近 3 倍；而蠕化劑使用 MgTi 蠕化的主要問題是鑄件 w（Ti）高，基體中含有 TiN 和 TiC 硬化相，對排氣歧管類薄壁件，如孕育稍差，局部（如管口披鋒處）出現少量滲碳體的話，切削性能更差。為此只能在清理時增加一道粗切削工序。將蠕化劑改為REMgSiFe 合金，鐵液中不再加 Ti。包內蠕化劑加入量為 0.6%-0.12%。改進工藝后生產的排氣歧管，切削性能得到明顯改善，鑄件粗切削工序也取消。
1，2 刀具材料
由碳化鎢硬質相+ 鈷粘結相組成的鎢鈷類硬質合金是目前最適宜加工鑄鐵的刀具材料。王西彬等的研究表明：超高速干銑削灰鑄鐵宜采用陶瓷刀具。整體立方氮化硼聚晶刀片是切削高合金鑄鐵的理想刀具，較陶瓷刀具可提高生產效率5 倍以上。熱軋花紋板是趕超國際先進水平的冶金產品,其關鍵在于提供有花紋形腔的冷硬鑄鐵軋輥。試驗表明，成型銑切冷硬鑄鐵軋輥槽腔的刀具宜用超細粒硬質合金（ 如 YS10） 。另外，在車床上用切刀切割冷硬鑄鐵軋輥宜用硬度高、強度和耐磨性等綜合性能好的 (798、726 硬質合金刀片。馬鋼棒材生產線的 18架軋機，為減少換軋輥時間，改用硬度達 72HRC 的 WC 復合軋輥。而用 T5、W2 硬質合金及陶瓷刀具均不能對其加工。張智等的試驗表明，聚晶立方氮化硼（PCBN）焊接式外圓刀和孔型成型車刀特別適合加工 WC 復合軋輥。
αAL2O3沉積在 Ti（C，N）層或多層作為硬質合金鑲嵌件上的涂層得到的硬質合金鑲嵌件車削鑄鐵時，αAL2O3層與下面的 TiCN 層的粘附以及 TiCN 層與硬質合金基體的粘附由于刃口碎屑導致磨損加速使涂層失敗。為此， 薩卡里·魯皮提供一種硬質合金鑲嵌件。該鑲嵌件在基體和αAL2O3涂層之間有多層 TiCN 層。最內部的 TiCN 層是大的柱狀晶粒，而最外部是小的等軸晶粒。
苗赫濯等發明合金耐磨鑄鐵工件用的刀具，以 Ti（CN）為主相，用 Si3N4-AL2O3作為復合耐磨相，以金屬鉬和鎳作為粘結相及氧化釔、氧化鎳、氧化鎂中的一種以上和碳化鉬、碳化鋯中的一種或兩種作為添加劑，經混合成型燒結而達到完全致密化。安德烈亞斯·拉松等發明用于非連續切割和加工鑄鐵的切削刀片。其坯體包括WC立方碳氮化合物，W 合金化的 0C 粘結相、富集粘結相和幾乎不含立方碳氮化合物相的硬質合金坯體的表面區域及涂層，包括帶有等軸晶的 TiC N O 最內層、帶有柱狀晶的Co層和至少一種 AL2O3層。
劉國昌等根據 La3和 Y3離子半徑相差大，Y2O3-La2O3共溶體系比單一 Y2O3 或 La2O3體系其液相形成溫度要低的優點，以 Y2O3 和 La2O3 作為助燒劑，對Si3N4 陶瓷熱壓燒結獲得 Si3N4 刀具陶瓷。其中，在晶界析出改善晶界性能的 LaYO3 晶相及其它含 N 結晶相，是成功制備自增韌氮化硅陶瓷刀具的關鍵。該刀具對球墨鑄鐵（內含大量硬質點） 的將近1600m 的切削試驗表明，切削后，該刀具后刀面的最大磨損量僅 0.18mm 。
目前，磨蝕性強和沖擊力大的切削鑄鐵領域，對作為切削工具的硬質合金要求同時具有高的抗彎強度和硬度。晶粒<0.5μm 的超細合金可滿足這種要求。但由于超細合金對生產設備條件要求高，難以推廣。當前在該領域所用的材質主要有YG6X 牌號。其抗彎強度平均為 1800MPa 硬度平均為 91.5HRA。但是 YG6X 中的添加劑 TaC 價格昂貴，市場供應不穩定。
為此，吳建國等公開了一種用于磨蝕性強和沖擊力大的切削鑄鐵的硬質合金的制法：包括配料、濕磨、干燥、摻成形劑、壓制成形、脫成型劑、燒結等步驟，配料時選用費氏粒度為（1.0-2.5）μm 的 Co 粉，（4.0-4.6）μm 的 CrC3O2 粉和（1.2-1.8）μm 的 WC 粉，Co 粉、 CrC3O2 粉、WC 粉的重量百分比分別為（7.0-7.5）%、（ 0.7-1.0）% 和余量。陳利等則用粉末冶金法制備硬質合金刀片，然后用磁控濺射法在拋光的硬質合金基體上分別沉積（Ti，AL）N 單層和采用交替的Ti 靶和 Ti、AL 合金靶（ 原子比為 5:5 ） 沉積 TiN/（Ti，AL）N 復合涂層，最后對 HT300（鑄鐵）的切削能進行了比較。結果表明，在 220m/min 的連續切削下單層涂層刀具和復合涂層刀具的壽命分別為 13.5min 和
16.7min。其原因是： TiN/（Ti，AL）N 復合涂層中，TiN 層可以周期性地阻止（Ti，AL）N 柱狀晶的生長，細化涂層的晶粒，從而提高涂層的硬度。通過對機加工用的不連續增強的陶瓷基復合刀具材料的組成成分進行控制，可開發出滿足強度、耐磨損等性能的納米復合刀具陶瓷。當粘結相不變時，決定其性能的關鍵是材料的硬質相的晶粒大小。
2 納米金屬陶瓷刀具
LT55 是微米級 AL2O3/TiC 復合刀具材料，斷裂韌性6.1MPa.M 較低，致其粗加工和斷續切削的能力不高。為此，宋世學等用納米復合材料進行了試驗。其組成是：80nm 的 αAL2O3粉末和140nm 的TiC 粉末；加入聚乙二醇作為分散劑以解決團聚問題。其制備流程是：混料-球磨-超聲分散-機械攪拌-真空干燥-120目過篩-熱壓燒結，燒結后的毛坯經線切割后，經過粗磨、精磨和拋光，制成標準試樣。測試表明，該材料與 LT55 相比，抗彎強度和斷裂韌性分別提高23.5% 和74.5% 。其機理是：根據 Hall-Petch 關系，晶粒尺寸的減小有利于提高材料的強度， 而納米復合材料中大部分晶粒的直徑都小于1μm ；納米復合材料的斷裂包括穿晶斷裂和沿晶斷裂，但主要是穿晶斷裂。根據 Jl 等的研究,穿晶斷裂有利于提高材料的斷裂韌性。對球墨鑄鐵的切削性能實驗表明，當切削距離達到 3200m 時，LT55 的磨損突然加重，而納米刀具的磨損逐漸增大；當兩者的后刀面磨損達到0.8mm 時，納米刀具的切削距離大約是 LT55 的兩倍；在切削鑄鐵時，AL2O3/TiC 納米復合陶瓷刀具的磨損主要是后刀面的磨粒磨損。
許育東等探討 Ti（C,N） 基納米改性刀具在切削灰鑄鐵時的失效方式。該刀具材料為用粉末冶金工藝真空燒結的 TiC - TiN -Mo2c-Ni 系金屬陶瓷，粗坯燒成后在工具磨床上用140 目金剛石砂輪將其加工成刀片。對比試驗中用 YG8 和 YT15刀片，工件為HT200。結果表明，納米金屬陶瓷刀具的壽命比未改性金屬陶瓷長。納米添加強化原因主要有在 TiC 晶界分散的 TiN 晶粒有釘扎晶界的作用，阻止基體 TiC 晶粒長大 起彌散強化和細晶強化的效果；納米粉末的巨大表面能提供的燒結驅動力，可起到活化燒結的作用，促進擴散并降低燒結溫度，有利于得到細晶結構；在 TiC 晶粒內部分散的 TiN 顆粒可起到固溶強化的作用。
許育東等先用超聲波儀對 TiN 納米粉進行分散，混料后加入適量無水乙醇并進行球磨24h。待混合料干燥后，加入PVA進行造粒，然后在170MPa下模壓成形，最后在1400°C真空燒結1h，制備納米 TiN改性 TiC 基金屬陶瓷刀具（cermetnm），其成分為 54TiC-10TiN(nm)-15Mo-20Ni-1C，還研究了它與 Ti（C,N） 基金屬陶瓷刀具（cermetnm） 及YG8 刀具在切削灰鑄鐵時的磨損機理。結果表明，因為納米刀具中的主要硬質相 TiC 的硬度高于普通硬質合金中的硬質相WC，且納米 TiC 的添加可產生明顯的細化晶粒，納米TiN 改性 TiC 基金屬陶瓷刀具(cermetnm)具有更高壽命與耐磨性；崩刃是cermetnm刀具主要的失效形式。
隨著數控機床和專用銑床的普及，當前銑刀用量僅次于車刀和鉆頭。銑削過程用大進給量的傾向日趨加強。另外，用于斷續銑削的銑刀易發生脆性破損。韓成良等研究了銑削刀片用納米改性金屬陶瓷的顯微組織和力學性能，結果表明，銑削刀片用納米改性金屬陶瓷組織中粗大的陶瓷相顆粒為芯/殼結構；添加Mo 能有效細化金屬陶瓷基體組織；隨金屬相含量增加，金屬陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性增加，硬度降低；沿晶斷裂為其主要斷裂方式。
謝峰等的試驗結果表明：納米改性金屬陶瓷刀具切削灰鑄鐵時，使用壽命不如切鋼時高，比YG8刀具材料切削性能要差。因此納米改性金屬陶瓷刀具材料在加工灰鑄鐵時優勢不大。
石增敏等制備的金屬陶瓷刀片的配比為33%TiC-10%TiN-32%Ni-16%Mo-6.9%WC-1.5%C-0.6%CrC3O2（質量分數），TiC 粉和TiN粉由納米粉和微米粉按2:8 復合而成，用同種成分同時制備納米復合金屬陶瓷刀片（NM）和功能梯度金屬陶瓷刀片（DNM）。混合粉經球磨36h后烘干，摻入成形劑，冷壓成形，壓制力為270MPa，試樣成形后進行真空燒結和表面氮化處理。真空燒結溫度為1420°C，保溫時間60min, 氮化處理燒結溫度為1150°C，用N2-Ar 混合氣體為流體介質，介質壓力為100MPa，保溫保壓時間為1h。采用干車削方式，測量過渡后刀面即刀尖的磨損值VC來衡量刀具的耐磨性。結果表明，DNM刀片在切削鑄鐵時的耐磨性優于NM刀片；與YG8 相比,DNM不適合于大切削用量下鑄鐵的切削。
3 結語
縱觀近幾年發表的論文， 有關鑄鐵切削刀具用納米材料的內容不多， 國內也僅有少數幾家單位的科研人員的參與。改善鑄鐵的切削性能不僅與刀具有關，還與鑄鐵本身有關， 影響因素復雜， 研究周期也較長。從鑄鐵件的鑄造材料及工藝、熱處理及刀具、加工工藝等環節和角度全面改善鑄鐵的切削性能是值得研究的課題。納米材料用于鑄鐵切削刀具的研究思想新興，要加強應用研究。研究成果不能停留在實驗階段，工業化才是技術發展的根本目的。
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