摘要：制备了纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀片，并用该刀片与普通TiC基金属陶瓷刀片进行了对比切削试验。结果表明，添加TiN纳米粒子可有效改善TiC基金属陶瓷刀具的机械性能和切削性能，改性金属陶瓷刀片可以较高切削速度加工碳钢和合金钢，此时其主要失效形式为粘结磨损。
关键词：金属陶瓷刀具，纳米TiN，改性，切削性能，磨损
1.引言
金属陶瓷是20世纪70年代开发的一类具有优良机械力学性能和高温性能的新型工具材料。与传统的硬质合金刀具相比，金属陶瓷刀具的耐热性、耐磨性、抗月牙洼磨损能力等均有明显提高，但韧性和导热性相对较差。近年来，在陶瓷基体中加入少量纳米粒子以形成纳米陶瓷复合材料的研究取得了不少进展和成果。本研究基于这一思路，通过在TiC基金属陶瓷中加入TiN纳米粒子，获得了致密性好的纳米改性金属陶瓷材料，显著提高了金属陶瓷刀具的综合性能。
2.材料制备与切削试验
（1）材料的制备
采用粉末冶金工艺制取成分为TiC-TiN-Mo-Co-Ni的纳米金属陶瓷材料。添加的TiN纳米粉的粒度为30～50nm，体积数为6%～8%。制粉时，首先用超声波仪对TiN纳米粒子进行超声分散处理；然后与金属陶瓷粉料混合，加入适量无水乙醇在球磨机上进行湿磨；然后将混合粉料烘干，加入PVA进行造粒，并在170MPa压力下模压成型；最后将坯料经真空烧结制成刀片。
（2）材料机械性能测试
在日本产岛津万能试验机上测量纳米改性金属陶瓷材料试样（5mm×5mm×30mm）的断裂韧性和抗弯强度；用德国产三氏硬度计测量该试样的硬度。测试结果与普通TiC基金属陶瓷材料性能的对比见表1。由表1可知，经纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀片的机械性能得到提高。
表1 两种材料机械性能对比
材料－断裂韧性（MPa/m2）－抗弯强度（MPa）－硬度（HRA）
纳米改性金属陶瓷－13.2－1360－92.9
普通金属陶瓷－11.9－1050－89.3
（3）切削试验
在华中Ⅰ型（CJK6032）数控车床上用纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀片分别对40Cr和45钢(正火态)工件材料进行了切削试验。刀具磨钝标准取为后刀面磨损量VB=0.3mm。用纳米改性金属陶瓷刀片切削40Cr、用纳米改性和普通型两种TiC基金属陶瓷刀片切削45钢时的切削用量（切削深度ap、切削速度vc、进给量f）以及刀具寿命（t）和失效形式分别列于表2和表3。
表2 纳米改性金属陶瓷刀片切削40Cr的试验结果
试验组号－ap（mm）－vc(m/min)－f(mm/r)－t(min)－失效形式
1－1，1，1－200，200，200－0.1，0.1，0.1－595，260，23－磨损，磨损，磨损
2－1，1－300，300－0.3，0.5－172，16－磨损，磨损
3－1，2－200，200－0.3，0.3－410，367－磨损，磨损
表3 两种刀片切削45钢的试验结果
刀片材料－ap(mm)－vc(m/min)－f(mm/r)－t(min)－失效形式
纳米改性金属陶瓷－1，1－200，200－0.1，0.3－452，310－磨损，磨损
普通金属陶瓷－1，1－200，200－0.1，0.1－185，30－磨损，磨损
3.试验结果分析
（1）经纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具切削40Cr和45钢时，刀片主要以磨损形式失效，因此刀具使用寿命较长。此外，该刀具可采用较高切削速度，且加工表面质量较好。普通金属陶瓷刀具在干磨损条件下的磨损过程主要为粘结磨损和硬质相剥落。纳米改性金属陶瓷刀具的磨损过程虽与普通金属陶瓷刀具基本一致，但其高温强度和硬度较高，与钢的摩擦系数较小，因此切削温度相对较低，从而减缓了刀具磨损速度，提高了耐用度。此外，纳米改性金属陶瓷刀具的抗氧化性能好，刀具边界磨损小，因此加工表面质量较好。
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