CO 冷却对Ti（C，N）基金属陶瓷切削性能的影响研究

杨文燕

（佳木斯大学材料科学与工程学院 黑龙江 佳木斯 154000）

0 引言

随着制造业的快速发展，金属陶瓷作为一种重要的工程材料，广泛应用于机械、电子、航空航天等领域，Ti（C，N）基金属陶瓷是一种具有优异性能的切削工具材料［1］。然而，其切削性能受到多种因素的影响，其中冷却条件是重要因素之一。 在金属切削加工过程中，切削、温度升高，加速刀具磨损，降低切削速度和生产效率［2］。 同时，切削热还会导致工件表面烧伤、热变形等缺陷，影响工件质量和精度［3］。 因此，如何有效地将切削热从切削区带走，降低切削温度，提高切削速度和生产效率，是金属切削加工中需要解决的重要问题。 CO 冷却是一种有效的冷却方法，在金属切削加工中得到了广泛应用［4］。 CO 冷却可以提高工件的表面质量，减少工件粗糙度，有利于后续加工和装配。 然而，关于该方面研究较少，对其作用机制和影响规律的认识还不够深入，为此提出本次课题研究，为优化金属陶瓷切削加工工艺、提高生产效率和降低生产成本提供理论依据和实践指导。

1 实验材料与方法

1.1 实验设备与材料

Ti（C，N）基金属陶瓷原材料的C／N 原子比例主要为2 ∶5、3 ∶7、5 ∶5 以及7 ∶9 四种，由于C／N 原子比例会影响Ti（C，N）材料的性能，从而影响到Ti（C，N）基金属陶瓷的性能，如果Ti（C，N）材料中碳的含量略高，则制备的Ti（C，N）基金属陶瓷的韧度会高一些，如果Ti（C，N）材料中氮的含量略高一些，则制备的Ti（C，N）基金属陶瓷硬度会高一些。 并且Ti（C，N）基金属陶瓷在高速切削过程中，需要承受高温、振动、高压以及高摩擦等因素影响，因此考虑到Ti（C，N）基金属陶瓷需要具有良好的化学稳定性以及较高的断裂韧度，从Ti（C，N）基金属陶瓷的综合性能出发，选择Ti（C，N）原子比为5 ∶5，实验中Ti（C，N）基体粉末购于上海IYFA 科技有限公司，Ti（C，N）基体粉末平均粒度为1.25 μm，纯度为99.99%［5］。 Ti（C，N）基体硬度为15.45 GPa，弹性模量为521 GPa，热膨胀系数为8.61 K，泊松比为0.28［6］。 Ti（C，N）基金属陶瓷原料粉末主要特性如表1 所示。

表1 原料粉末主要特性

如表1 所示，增强相TiB2采购自背景机械研究院，纯度为99.99%，粉末平均粒度为1.45 μm；WC 粉末采购自天津化学材料科技有限公司，纯度为99.99%，粉末平均粒度为1.25 μm；（W，Ti）C 粉末采购自南京水田材料科技有限公司，纯度为99.99%，粉末平均粒度为1.05 μm；金属相材料Ni 与Mo 分别采购自湖南金属材料有限公司和山东金属材料有限公司，微米Ni 和Mo 的纯度均为99.99%，平均速度分别为0.15 μm、0.22 μm。 实验设备采用IYFAUIFA 型号车床。 实验中材料与设备均可以正常使用。

1.2 实验方法

按照48%Ti（C，N）基体%、10%WC、10%增强相TiB2、20（W，Ti）C、6Ni、6%Mo 的比例制备Ti（C，N）基金属陶瓷材料，通过对不同原料粉体进行单独球磨，以防止粉体颗粒团聚、分布不均等问题，采用JAZ103 电子天平对粉体进行组分分配，并将粉体按一定比例放置于无水乙醇聚氨酯桶中，再添加碳化钨粉体，球与料的质量比例为8 ∶1，在球磨机上进行连续球磨48 h。 将复合粉末在100 ～110 ℃的真空干燥箱中进行干燥。 将该复合粉末经100 目筛网过滤后，加入石墨模进行烧结。 目前，Ti（C，N）金属陶瓷的烧结温度通常不高于1 300 ℃，其原因是高温下Ti（C，N）分解、晶粒异常长大，导致Ti（C，N）金属陶瓷机械性能下降。 然而，由于Ti（C，N）基金属陶瓷的自扩散系数比较低，烧结性差，需要在1 400 ℃以上进行烧结。 本文从Ti（C，N）与Ti（C，N）基金属陶瓷的烧结温度两个方面出发，选择1 350 ～1 455 ℃的烧结温度作为实验条件。 本项目拟利用真空热压烧结技术，利用真空环境下的负压作用，将残余气体从颗粒间隙中抽离出来，并通过加压烧结，快速实现Ti（C，N）基金属陶瓷材料的致密化。

在预压压力小于8 MPa 预压缩条件下，选择32 MPa烧结压力。 保温时间对烧结Ti（C，N）基金属陶瓷的性能有很大的影响，如果保温时间太短，烧结过程中会产生大量的孔隙，从而导致Ti（C，N）基金属陶瓷的致密性降低；而如果保温时间太长，则会导致材料的异常生长，从而导致材料内部缺陷的产生，因此将保温时间控制在30 min左右，烧结保温结束后停止加压，Ti（C，N）基金属陶瓷材料随炉冷却。

Ti（C，N）基金属陶瓷材料冷却过程中通入CO 气体［7］。 为了使实验数据具有一定的对比性，分别设计CO冷却气压为0、1.5、2.5、3.5、4.5 kPa 五种工况，其中0 kPa CO 气体为真空冷却，其余为CO 冷却。

利用以上五种工况下制备的Ti（C，N）基金属陶瓷材料加工成规格为12.45 mm×12.45 mm×2.45 mm 刀片，Ti（C，N）基金属陶瓷刀片的刀尖圆弧半径为1.15 mm，刀片配合使用12.45 mm×12.45 mm×3.45 mm 垫片，以此组成标准型号刀片［8］。 将制备的Ti（C，N）基金属陶瓷刀片在IYFAUIFA数控车床上进行车削试验，切削参数设置如表2 所示。

表2 Ti（C，N）基金属陶瓷切削参数

每种Ti（C，N）基金属陶瓷刀片车削60 min 后，采用IYFAHGAFJ 型号光学显微镜观察并测量Ti（C，N）基金属陶瓷刀面半切身位置的磨损量、粗糙度，并根据实验数据测算Ti（C，N）基金属陶瓷刀片的轴向应力，当Ti（C，N）基金属陶瓷刀具达到磨损标准为0.33 时停止切削。

2 实验结果讨论

2.1 CO 冷却对轴向应力的影响规律

根据Ti（C，N）基金属陶瓷切削数据统计不同CO 冷却气压下Ti（C，N）基金属陶瓷轴向应力如图1 所示。

图1 CO 冷却对轴向应力的影响

如图1 所示，在CO 冷却通入气压0～4.5 kPa 区间内，随着CO 气压的增加，Ti（C，N）基金属陶瓷轴向应力逐渐增大，CO 气压为0 时，Ti（C，N）基金属陶瓷轴向应力最小，说明相比于真空冷却，CO 冷却Ti（C，N）基金属陶瓷轴向应力更强，切削性能越好。 在气压3.5 kPa～4.55 kPa 区间，切削轴向应力上升不明显，说明CO 冷却气压在3.5 kPa 左右时切削轴向应力最高，Ti（C，N）基金属陶瓷切削性能最好。

2.2 CO 冷却对表面粗糙度的影响规律

根据Ti（C，N）基金属陶瓷切削数据统计不同CO 冷却气压下Ti（C，N）基金属陶瓷表面粗糙度如图2 所示。

图2 CO 冷却对表面粗糙度的影响

从图2 可以看出，CO 冷却气压为0 时，即真空冷却情况下Ti（C，N）基金属陶瓷刀具的表面粗糙度最大，随着CO 冷却气压的增加，Ti（C，N）基金属陶瓷刀具的表面粗糙度开始逐渐降低，当CO 冷却气压在2.5 kPa 时，Ti（C，N）基金属陶瓷刀具表面粗糙度达到最低，在CO 冷却气压在2.5 kPa～3.5 kPa 区间，刀具表面粗糙度缓慢上升。 刀具表面粗糙度越低，则说明刀具表面质量越好，金属陶瓷切削性能越好。

2.3 CO 冷却对磨损量的影响规律

统计Ti（C，N）基金属陶瓷刀具切削试验中刀具磨损量如表3 所示。

表3 CO 冷却对磨损量的影响

从表3 中数据可以看出，在Ti（C，N）基金属陶瓷切削测试中，CO 冷却气压为0 时，即真空冷却情况下Ti（C，N）基金属陶瓷刀具后刀面磨损量最大，随着CO 冷却气压的增加，Ti（C，N）基金属陶瓷刀具后刀面磨损量开始逐渐降低，当CO 冷却气压在2.5 kPa～3.5 kPa 时，Ti（C，N）基金属陶瓷刀具后刀面磨损量达到最低，在0.5 ～0.6 mm 区间，均为金属陶瓷刀具后刀面正常磨损。 在CO 冷却气压超过3.5 kPa 时，刀具后刀面磨损量缓慢上升。 刀具后刀面的磨损量越大，则表示刀具的使用寿命越短，刀具的切削性能越差。 刀具的磨损量直接关系到Ti（C，N）基金属陶瓷刀具的使用寿命，磨损量越大，说明Ti（C，N）基金属陶瓷刀具的使用寿命越短，刀具的切削性能也就越差，CO冷却对刀具的切削性能的影响间接影响到了刀具的使用寿命，因此通过以上分析CO 冷却对提高陶瓷刀具使用寿命和切削性能具有重要影响。

3 实验结论

通过以上实验结果可以得出：CO 冷却对Ti（C，N）基金属陶瓷的切削性能具有重要影响，CO 冷却与真空冷却相比，Ti（C，N）基金属陶瓷轴向应力更强、表面粗糙度更小，刀具后刀面的磨损量更小，Ti（C，N）基金属陶瓷的切削性能更强。 并且随着CO 冷却气压的增加，Ti（C，N）基金属陶瓷切削性能逐渐增强，当CO 冷却气压在2.5 kPa～3.5 kPa 区间时，Ti（C，N）基金属陶瓷的轴向应力最强、表面粗糙度最小，刀具后刀面的磨损量最小，金属陶瓷的切削性能最佳。 因此，在实际Ti（C，N）基金属陶瓷CO 冷却过程中将CO 气压控制在2.5 kPa ～3.5 kPa，以此保证Ti（C，N）基金属陶瓷具有良好的切削性能。

4 结语

综上所述，随着科技的不断进步，金属陶瓷作为一种重要的工程材料，广泛应用于机械、电子、航空航天等领域。 Ti（C，N）基金属陶瓷作为一种具有优异性能的切削工具材料，因其具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性等优点，受到了广泛关注。 然而，其切削性能受到多种因素的影响，其中冷却条件是重要因素之一。 因此，本文通过实验，发现CO 冷却可以显著提高Ti（C，N）基金属陶瓷的切削性能。 在切削过程中，CO 冷却可以有效地将切削热从切削区带走，提高切削轴向应力，降低金属陶瓷表面粗糙度，提升刀具表面光滑度，以及降低金属陶瓷磨损量，提高刀具寿命，有利于后续加工和装配。 此外，还发现CO 冷却对Ti（C，N）基金属陶瓷的硬度、韧性等力学性能也有一定影响。在相同的热处理条件下，采用CO 冷却的Ti（C，N）基金属陶瓷的硬度略有提高，韧性有所降低。 这表明CO 冷却对Ti（C，N）基金属陶瓷的力学性能也有一定影响，但相对于切削性能的影响较小。