纳米材料在切削铸铁刀具中的应用
2014-1-3 来源：数控机床市场网 作者：刘超锋 纪莲清 邵建敏
摘要： 简要介绍了纳米复合材料的特点。阐述了铸铁材料尤其是白口铸铁的切削性能。从铸铁材料和切削铸铁的刀具材料两个方面， 综述了提高铸铁切削性能的研究状况。详述了纳米陶瓷基复合刀具材料的制备方法及刀具对铸铁切削性能的研究进展。对纳米材料在切削铸铁的刀具材料中应用的前景提出了建议。
关键词： 铸铁 纳米材料 刀具材料 应用
当物质颗粒处于纳米量级（10-9m） 时，该物质可称为纳米材料。因纳米结晶尺寸效应，纳米金属材料的硬度和强度增加，陶瓷的延性、韧性、成型性增加。复合材料是性质不同的材料通过一定的方法形成的。当复合材料中的一相晶粒至少有一维尺寸处于纳米量级时，可称为纳米复合材料。作为高新技术材料之一，纳米复合材料具有许多奇特的功能。
在工业部门中，铸铁件约占机器质量的 45%-90%。铸铁件如发动机缸体、变速箱体、机床床身上有许多平面、槽形需切削。先进刀具材料成为提高其加工效率的重要力量。
铸铁的组织为金属基体加游离态石墨，可看作是布满孔洞的钢。石墨降低了铸铁的塑性，在切削加工时可形成易断的崩碎切屑，且石墨还可起到润滑作用，故铸铁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广泛的选择。但也要注意：冷硬铸铁的表面部分白口化，内部仍保持灰口，表层硬度可达450-550HB，常规加工时刀具磨损快，刃易崩损，需采取特殊手段如激光加热辅助切削；另外加工面易崩边，切削铸铁时的细小屑进入缝隙后易对相对运动表面造成研磨损坏；影响已加工表面粗糙度；在靠近切削刃的后刀面上温度最高。
1 提高铸铁切削性能的材料因素
为提高铸铁的切削性能，从材料来看分以下两个方面。
1, 1 铸铁件本身的组成
在铸造过程中，向铁液中加入20%稀土+80% 75 硅铁复合孕育剂处理的缸体用灰铸铁件具有最小断面敏感性和刀具磨损量。东风汽车公司铸造一厂用壳型冷铁360°激冷铸造富康轿车凸轮轴，批量生产初期，反映凸轮轴毛坯切削加工性能差。李平等对此的研究表明，生铁中微量元素对切削性能的影响大，原铁液化学成分采用高碳低硅、高锰量，采用 Cr Cu复合合金化，可改善凸轮轴切削加工性能。此外增硫处理可有效减少油封轴颈 D 型石墨数量，改善铸件加工后的表面粗糙度。高军等也证实：铁液中加入 <0.8%的铜能显著减少出口美国的汽车冷却水泵叶轮叶片尖角薄断面白口。灰铸铁中加入 w（S）0.08% -0.12% 的硫可改善切削性能，但须控制生铁中钒含量，因钒使高速切削性能严重恶化。
东风公司的 6B 康明斯缸体、缸盖材料为 HT250，供给进口的 W 加工自动线。其粗加工线速度达870m/min。国产汽缸体铸件材料加工性差，刀具寿命仅为进口铸件的 30% 左右。对此，郭全领等的研究表明，将缸体 w（S） 量增加到 3.42%，其它工艺条件不变，缸体粗镗缸孔刀具寿命从 20 件提高到 22 件，刀具寿命提高10%。上柴股份生产的D114 柴油发动机缸体、缸盖材料要求为 HT250，其中缸盖铸件加入微量合金，炉前借助直读光谱仪可在 2-3min 内对 w（S） 、w（Si） 进行控制。实践表明，炉碳当量的提高有助于改善铸造性能和切削性能；促进碳化物形成的元素都有降低切削加工性能的倾向； 但碳当量太高，强度、硬度和断面均匀性等指标难以保证，Si/C 比的合适范围为 0.6-0.8。
发动机的薄壁排气歧管是多管口异形管件，因排气温度很高，在承受反复升温和速冷的工况负荷时会开裂。目前，排气歧管基本上都用蠕墨铸铁。研究表明，蠕化率为50%， w（Si） 增加至 4%， w（Mo）0.4% -0.6%，做成中硅钼耐热蠕铁，其热疲劳性能比普通蠕铁提高近 3 倍；而蠕化剂使用 MgTi 蠕化的主要问题是铸件 w（Ti）高，基体中含有 TiN 和 TiC 硬化相，对排气歧管类薄壁件，如孕育稍差，局部（如管口披锋处）出现少量渗碳体的话，切削性能更差。为此只能在清理时增加一道粗切削工序。将蠕化剂改为REMgSiFe 合金，铁液中不再加 Ti。包内蠕化剂加入量为 0.6%-0.12%。改进工艺后生产的排气歧管，切削性能得到明显改善，铸件粗切削工序也取消。
1，2 刀具材料
由碳化钨硬质相+ 钴粘结相组成的钨钴类硬质合金是目前最适宜加工铸铁的刀具材料。王西彬等的研究表明：超高速干铣削灰铸铁宜采用陶瓷刀具。整体立方氮化硼聚晶刀片是切削高合金铸铁的理想刀具，较陶瓷刀具可提高生产效率5 倍以上。热轧花纹板是赶超国际先进水平的冶金产品,其关键在于提供有花纹形腔的冷硬铸铁轧辊。试验表明，成型铣切冷硬铸铁轧辊槽腔的刀具宜用超细粒硬质合金（ 如 YS10） 。另外，在车床上用切刀切割冷硬铸铁轧辊宜用硬度高、强度和耐磨性等综合性能好的 (798、726 硬质合金刀片。马钢棒材生产线的 18架轧机，为减少换轧辊时间，改用硬度达 72HRC 的 WC 复合轧辊。而用 T5、W2 硬质合金及陶瓷刀具均不能对其加工。张智等的试验表明，聚晶立方氮化硼（PCBN）焊接式外圆刀和孔型成型车刀特别适合加工 WC 复合轧辊。
αAL2O3沉积在 Ti（C，N）层或多层作为硬质合金镶嵌件上的涂层得到的硬质合金镶嵌件车削铸铁时，αAL2O3层与下面的 TiCN 层的粘附以及 TiCN 层与硬质合金基体的粘附由于刃口碎屑导致磨损加速使涂层失败。为此， 萨卡里·鲁皮提供一种硬质合金镶嵌件。该镶嵌件在基体和αAL2O3涂层之间有多层 TiCN 层。最内部的 TiCN 层是大的柱状晶粒，而最外部是小的等轴晶粒。
苗赫濯等发明合金耐磨铸铁工件用的刀具，以 Ti（CN）为主相，用 Si3N4-AL2O3作为复合耐磨相，以金属钼和镍作为粘结相及氧化钇、氧化镍、氧化镁中的一种以上和碳化钼、碳化锆中的一种或两种作为添加剂，经混合成型烧结而达到完全致密化。安德烈亚斯·拉松等发明用于非连续切割和加工铸铁的切削刀片。其坯体包括WC立方碳氮化合物，W 合金化的 0C 粘结相、富集粘结相和几乎不含立方碳氮化合物相的硬质合金坯体的表面区域及涂层，包括带有等轴晶的 TiC N O 最内层、带有柱状晶的Co层和至少一种 AL2O3层。
刘国昌等根据 La3和 Y3离子半径相差大，Y2O3-La2O3共溶体系比单一 Y2O3 或 La2O3体系其液相形成温度要低的优点，以 Y2O3 和 La2O3 作为助烧剂，对Si3N4 陶瓷热压烧结获得 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 结晶相，是成功制备自增韧氮化硅陶瓷刀具的关键。该刀具对球墨铸铁（内含大量硬质点） 的将近1600m 的切削试验表明，切削后，该刀具后刀面的最大磨损量仅 0.18mm 。
目前，磨蚀性强和冲击力大的切削铸铁领域，对作为切削工具的硬质合金要求同时具有高的抗弯强度和硬度。晶粒<0.5μm 的超细合金可满足这种要求。但由于超细合金对生产设备条件要求高，难以推广。当前在该领域所用的材质主要有YG6X 牌号。其抗弯强度平均为 1800MPa 硬度平均为 91.5HRA。但是 YG6X 中的添加剂 TaC 价格昂贵，市场供应不稳定。
为此，吴建国等公开了一种用于磨蚀性强和冲击力大的切削铸铁的硬质合金的制法：包括配料、湿磨、干燥、掺成形剂、压制成形、脱成型剂、烧结等步骤，配料时选用费氏粒度为（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 粉的重量百分比分别为（7.0-7.5）%、（ 0.7-1.0）% 和余量。陈利等则用粉末冶金法制备硬质合金刀片，然后用磁控溅射法在抛光的硬质合金基体上分别沉积（Ti，AL）N 单层和采用交替的Ti 靶和 Ti、AL 合金靶（ 原子比为 5:5 ） 沉积 TiN/（Ti，AL）N 复合涂层，最后对 HT300（铸铁）的切削能进行了比较。结果表明，在 220m/min 的连续切削下单层涂层刀具和复合涂层刀具的寿命分别为 13.5min 和
16.7min。其原因是： TiN/（Ti，AL）N 复合涂层中，TiN 层可以周期性地阻止（Ti，AL）N 柱状晶的生长，细化涂层的晶粒，从而提高涂层的硬度。通过对机加工用的不连续增强的陶瓷基复合刀具材料的组成成分进行控制，可开发出满足强度、耐磨损等性能的纳米复合刀具陶瓷。当粘结相不变时，决定其性能的关键是材料的硬质相的晶粒大小。
2 纳米金属陶瓷刀具
LT55 是微米级 AL2O3/TiC 复合刀具材料，断裂韧性6.1MPa.M 较低，致其粗加工和断续切削的能力不高。为此，宋世学等用纳米复合材料进行了试验。其组成是：80nm 的 αAL2O3粉末和140nm 的TiC 粉末；加入聚乙二醇作为分散剂以解决团聚问题。其制备流程是：混料-球磨-超声分散-机械搅拌-真空干燥-120目过筛-热压烧结，烧结后的毛坯经线切割后，经过粗磨、精磨和抛光，制成标准试样。测试表明，该材料与 LT55 相比，抗弯强度和断裂韧性分别提高23.5% 和74.5% 。其机理是：根据 Hall-Petch 关系，晶粒尺寸的减小有利于提高材料的强度， 而纳米复合材料中大部分晶粒的直径都小于1μm ；纳米复合材料的断裂包括穿晶断裂和沿晶断裂，但主要是穿晶断裂。根据 Jl 等的研究,穿晶断裂有利于提高材料的断裂韧性。对球墨铸铁的切削性能实验表明，当切削距离达到 3200m 时，LT55 的磨损突然加重，而纳米刀具的磨损逐渐增大；当两者的后刀面磨损达到0.8mm 时，纳米刀具的切削距离大约是 LT55 的两倍；在切削铸铁时，AL2O3/TiC 纳米复合陶瓷刀具的磨损主要是后刀面的磨粒磨损。
许育东等探讨 Ti（C,N） 基纳米改性刀具在切削灰铸铁时的失效方式。该刀具材料为用粉末冶金工艺真空烧结的 TiC - TiN -Mo2c-Ni 系金属陶瓷，粗坯烧成后在工具磨床上用140 目金刚石砂轮将其加工成刀片。对比试验中用 YG8 和 YT15刀片，工件为HT200。结果表明，纳米金属陶瓷刀具的寿命比未改性金属陶瓷长。纳米添加强化原因主要有在 TiC 晶界分散的 TiN 晶粒有钉扎晶界的作用，阻止基体 TiC 晶粒长大 起弥散强化和细晶强化的效果；纳米粉末的巨大表面能提供的烧结驱动力，可起到活化烧结的作用，促进扩散并降低烧结温度，有利于得到细晶结构；在 TiC 晶粒内部分散的 TiN 颗粒可起到固溶强化的作用。
许育东等先用超声波仪对 TiN 纳米粉进行分散，混料后加入适量无水乙醇并进行球磨24h。待混合料干燥后，加入PVA进行造粒，然后在170MPa下模压成形，最后在1400°C真空烧结1h，制备纳米 TiN改性 TiC 基金属陶瓷刀具（cermetnm），其成分为 54TiC-10TiN(nm)-15Mo-20Ni-1C，还研究了它与 Ti（C,N） 基金属陶瓷刀具（cermetnm） 及YG8 刀具在切削灰铸铁时的磨损机理。结果表明，因为纳米刀具中的主要硬质相 TiC 的硬度高于普通硬质合金中的硬质相WC，且纳米 TiC 的添加可产生明显的细化晶粒，纳米TiN 改性 TiC 基金属陶瓷刀具(cermetnm)具有更高寿命与耐磨性；崩刃是cermetnm刀具主要的失效形式。
随着数控机床和专用铣床的普及，当前铣刀用量仅次于车刀和钻头。铣削过程用大进给量的倾向日趋加强。另外，用于断续铣削的铣刀易发生脆性破损。韩成良等研究了铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的显微组织和力学性能，结果表明，铣削刀片用纳米改性金属陶瓷组织中粗大的陶瓷相颗粒为芯/壳结构；添加Mo 能有效细化金属陶瓷基体组织；随金属相含量增加，金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧性增加，硬度降低；沿晶断裂为其主要断裂方式。
谢峰等的试验结果表明：纳米改性金属陶瓷刀具切削灰铸铁时，使用寿命不如切钢时高，比YG8刀具材料切削性能要差。因此纳米改性金属陶瓷刀具材料在加工灰铸铁时优势不大。
石增敏等制备的金属陶瓷刀片的配比为33%TiC-10%TiN-32%Ni-16%Mo-6.9%WC-1.5%C-0.6%CrC3O2（质量分数），TiC 粉和TiN粉由纳米粉和微米粉按2:8 复合而成，用同种成分同时制备纳米复合金属陶瓷刀片（NM）和功能梯度金属陶瓷刀片（DNM）。混合粉经球磨36h后烘干，掺入成形剂，冷压成形，压制力为270MPa，试样成形后进行真空烧结和表面氮化处理。真空烧结温度为1420°C，保温时间60min, 氮化处理烧结温度为1150°C，用N2-Ar 混合气体为流体介质，介质压力为100MPa，保温保压时间为1h。采用干车削方式，测量过渡后刀面即刀尖的磨损值VC来衡量刀具的耐磨性。结果表明，DNM刀片在切削铸铁时的耐磨性优于NM刀片；与YG8 相比,DNM不适合于大切削用量下铸铁的切削。
3 结语
纵观近几年发表的论文， 有关铸铁切削刀具用纳米材料的内容不多， 国内也仅有少数几家单位的科研人员的参与。改善铸铁的切削性能不仅与刀具有关，还与铸铁本身有关， 影响因素复杂， 研究周期也较长。从铸铁件的铸造材料及工艺、热处理及刀具、加工工艺等环节和角度全面改善铸铁的切削性能是值得研究的课题。纳米材料用于铸铁切削刀具的研究思想新兴，要加强应用研究。研究成果不能停留在实验阶段，工业化才是技术发展的根本目的。
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