陶瓷刀具材料与木质复合材料的摩擦特性分析1)

郭晓磊 刘会楠 曹平祥 郭 勇 藤 雨

(南京林业大学，南京，210037)

陶瓷材料具有极其优异的耐热性、耐磨性、化学稳定性以及高硬度，已经广泛应用于金属切削加工领域［1］。常见的陶瓷基材料有 Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷等［2-5］，但这些陶瓷材料在木工刀具方面鲜有应用［6］。随着陶瓷材料的不断发展，近年来出现了亚微米级的陶瓷材料［7-10］。这使我们看到了将陶瓷材料应用于木工刀具制造的前景和希望。木工刀具刃口圆弧半径较小，一般应小于5μm，而亚微米级陶瓷材料的晶粒可达到微米级以下，这就满足了制造木工刀具刃口的要求，并且增强了刃口强度［10］。此外，陶瓷材料晶粒的细化也降低陶瓷材料的空隙率，改善了作为木工刀具材料硬度、抗弯强度及断裂韧性。

在木材切削加工过程中，由于刀具对切屑和加工表面的正压力作用，使切屑与刀具的前刀面以及工件的加工表面与刀具的后刀面之间产生较大的摩擦力，所产生的摩擦力直接影响切削过程中的切屑变形、切削力、切削温度、刀具磨损等的大小［11-12］。因此对刀具材料与工件材料摩擦特性的研究，有助于进一步分析研究刀具切削工件的各种物理现象。

本研究的目的是，通过试验测试Al2O3基陶瓷材料、添加ZrO2的Al2O3基陶瓷、Si3N4基陶瓷材料及硬质合金材料与木质复合材料之间的摩擦系数，分析研究不同陶瓷刀具材料与不同木质复合材料之间的摩擦特性。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验刀具材料选用南京飓风公司生产的硬质合金、Al2O3基陶瓷、添加ZrO2的Al2O3基陶瓷、Si3N4基陶瓷等4种刀具材料，其物理力学性能如表1所示。试验用木质复合材料为中密度纤维板(MDF)、刨花板(PB)、木粉/PE复合材料等3种材料。

1.2 方法

本实验在合肥工业大学摩擦实验室M-200型摩擦磨损试验机上进行。刀具材料试样(上试样)尺寸为20 mm×5 mm×5 mm，木质材料试样(下试样)尺寸是外径为40 mm、厚度为10 mm、内径为20mm。实验原理如图1所示，上试样为刀具材料，下试样为工件材料，上试样与下试样在压力FN的作用下产生摩擦力F。

表1 刀具材料参数

图1 摩擦系数测试示意图

根据库仑摩擦定律：

式中：F为摩擦力;μ为摩擦系数;FN为正压力。

同时摩擦力F对下试样产生一扭矩M。即：

式中：r为下试样的半径。所以有：

通过测试扭矩M计算摩擦系数μ。同样试验进行5组，取平均值。

2 结果与分析

2.1 不同陶瓷刀具材料与MDF材料的摩擦特性

将不同刀具材料与MDF材料进行摩擦试验，其结果如表2所示。可以看出，4种刀具材料与MDF的摩擦系数大小顺序为硬质合金＞Al2O3基陶瓷＞添加ZrO2的Al2O3基陶瓷＞Si3N4基陶瓷，这是由于Si3N4基陶瓷的晶粒要比Al2O3基陶瓷的密实许多，其与MDF的摩擦系数也要明显比Al2O3基陶瓷材料的小。因此可以认为，材料晶粒的大小对摩擦性能有一定的影响作用。在不同刀具材料与MDF的摩擦副中，随着正压力增大，摩擦系数并没有明显变化。这也说明，正压力对刀具材料与MDF摩擦系数的影响并不十分明显。添加ZrO2的Al2O3基陶瓷材料摩擦系数要低于未添加ZrO2的Al2O3陶瓷材料，说明Al2O3陶瓷材料添加ZrO2后有助于提高Al2O3陶瓷材料的耐磨性能。

表2 刀具材料与MDF材料的摩擦系数

2.2 不同刀具材料与PB材料的摩擦特性

采用不同刀具材料与刨花板(PB)进行摩擦试验，其试验结果如表3所示。与不同刀具材料与MDF摩擦试验结果相似，随着正压力从25 N增大到100 N，在不同刀具材料与PB的摩擦副中，摩擦系数并没有明显变化。对比表2与表3可以发现，几种刀具材料与PB材料的摩擦系数并没有表现出明显的不同，不像与MDF材料的摩擦特性。这可能是由于PB材料成分中刨花大小差异较大，形态不规整，且存在较多空隙，而纤维板中的成分纤维尺寸差异不大，基本一致，形状也比较规整。

表3 刀具材料与PB材料的摩擦系数

2.3 不同刀具材料与木粉/PE复合材的摩擦特性

采用不同刀具材料与木粉/PE复合材料进行摩擦试验，其结果如表4所示。可见，在正压力为25～100 N的变化范围里，不同刀具材料与木粉/PE复合材料的摩擦系数的范围区间在0.15～0.45，其摩擦系数范围较大。与木粉/PE复合材料摩擦实验中，4种刀具材料的摩擦系数曲线的区别比较明显，这与木粉/PE复合材料本身材料比较均匀的特性有关系。

表4 刀具材料与木粉/PE复合材料的摩擦系数

由表4的趋势可以看出，在正压力为50 N以下时，4种刀具材料与木粉/PE复合材料的摩擦系数大小为硬质合金＞Al2O3基陶瓷＞添加ZrO2的Al2O3基陶瓷＞Si3N4基陶瓷;这是由于Si3N4基陶瓷得的晶粒要比Al2O3基陶瓷的细密许多，所以其与木粉/PE复合材料的摩擦系数也要明显比Al2O3基陶瓷材料的小，摩擦性能要好些。因此，材料晶粒的大小对摩擦性能有一定的影响作用。

随着正压力的增大，所有陶瓷刀具材料与木粉/PE复合材料的摩擦系数会逐步增大，Si3N4基陶瓷材料与木粉/PE复合材料的摩擦系数随正压力的增大而略微增大;而Al2O3基陶瓷材料与木粉/PE复合材料的摩擦系数随正压力的增大而快速增大。这是由于本试验所用木粉/PE复合材料中PE含量较高，造成木粉/PE复合性能比较接近于塑料(PE)。在摩擦实验过程中，刀具材料与木粉/PE复合材料不停地摩擦，会产生摩擦热;而Al2O3基陶瓷刀具材料的导热系数约为硬质合金材料的1/2，热量并没有很快地被刀具材料传递走，而使木粉/PE复合材料受热发生软化。随着正压力的增大，木粉/PE复合材料软化加剧，并且会黏附在刀具材料表面，造成摩擦力明显增大。

在正压力小于70 N时，硬质合金材料与木粉/PE复合材料摩擦系数最大，并且随着正压力的增大，摩擦系数并没有明显增大。这是由于硬质合金刀具材料具有比陶瓷更高的导热系数，在摩擦过程中，产生的热量大部分被硬质合金刀具材料带走，并没有充分软化木粉/PE复合材料，因此并没有造成黏结现象。因此，用于木粉/PE复合材料的切削刀具材料，必须具有较好的导热系数及抗黏结性能。

2.4 磨损前、后粗糙度的变化率

刀具材料在与木质复合材料摩擦实验后，其接触部分会受到一些磨损，其粗糙度会发生变化。为了判断木工刀具在切削加工木材以后刀具材料的磨损的情况，本实验通过测量摩擦实验前后两次刀具材料表面粗糙度的变化情况，来比较4种刀具材料的耐磨性能。以不同刀具材料与MDF材料摩擦实验前后刀具材料表面粗糙度的变化率为例，通过测量其实验前后表面粗糙度的值，可以得到刀具材料表面粗糙度变化率，如表5所示。其中Ra为在取样长度内，轮廓偏距绝对值的算术平均值;Ry为在取样长度内最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和;Rz为在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。

可知，硬质合金表面粗糙度的各项粗糙度指标的变化情况最为严重，其次是Al2O3基陶瓷，再次是Si3N4基陶瓷，最后才是添加ZrO2的Al2O3基陶瓷。这个结论与观察到的刀具材料表面的磨痕情况也是一致的。出现这种现象的原因在于刀具材料与MDF材料摩擦试验过程中，刀具材料的磨损不仅是磨料磨损，还同时存在着腐蚀磨损等，添加有ZrO2的Al2O3基陶瓷中，因ZrO2添加剂具有抑制腐蚀作用的效果，故而使得添加ZrO2的Al2O3基陶瓷。

表5 陶瓷刀具材料磨损表面粗糙度变化率

3 结论

对于MDF、PB材料而言，陶瓷刀具材料的摩擦特性都明显优于硬质合金，添加改性剂 ZrO2的Al2O3基陶瓷材料摩擦性能优于未添加 ZrO2的Al2O3基陶瓷材料，而Si3N4基陶瓷的摩擦性能更是比Al2O3基陶瓷的好。

刀具材料与木质复合材料摩擦过程中，正压力对摩擦力的影响并不十分明显。

刀具材料种类对MDF摩擦系数的影响显著，而对PB摩擦系数的影响不显著;硬质合金材料与木粉/PE复合材料摩擦性能较陶瓷材料稳定。

添加ZrO2的Al2O3基陶瓷材料摩擦试验前后，磨损量最小，添加ZrO2有助于抑制腐蚀磨损。

随着人们对陶瓷材料研究的深入，陶瓷材料的成本将大幅度降低，这意味着陶瓷刀具材料必将逐步应用于木工刀具的制造，为木材切削加工行业的发展起到推动作用。

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