张 涛，吕 明，宋金鹏，安 晶

（太原理工大学 机械工程学院及精密加工山西省重点实验室，山西 太原 030024）

1 引言

陶瓷刀具以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性在切削加工中展现出传统刀具无法比拟的优势[1-3]，其中的层状复合陶瓷刀具的切削性能更加显著[4-6]。层状复合陶瓷刀具材料克服了传统陶瓷刀具材料断裂韧度低、抗热震性差等缺陷，具有较好的硬度、断裂韧度、抗弯强度及抗热震性[7-8]。由于其优异的性能，陶瓷刀具常用于高速切削，切削温度可达（800～1000）℃。在切削过程中，陶瓷刀具与被加工材料表面间存在摩擦，尤其是在高速切削条件下，这种摩擦更为剧烈，而刀具的使用寿命主要由其后刀面的磨损量来衡量。为了提高陶瓷刀具的使用寿命，有必要研究其的摩擦磨损性。本研究将采用雾化-喷覆液膜-干燥工艺和热压烧结技术制备层状WC/TiC陶瓷刀具材料，并对其进行摩擦磨损实验，研究其磨损机理。

2 实验

2.1 实验材料

实验所用材料为层状WC/TiC陶瓷刀具材料和GCr15轴承钢。

2.1 .1层状WC/TiC陶瓷刀具材料的制备

实验所用WC和TiC粉体的性能参数，如表1所示。采用雾化-喷覆液膜-干燥工艺和热压烧结技术制备层状WC/TiC陶瓷刀具材料。先将92wt.%WC+8wt.%Ni粉体与无水乙醇混合置于搅拌装置中进行搅拌，使其形成悬浊液后，通过雾化装置将其喷覆在Φ60的石墨磨具中，同时在202-00S型电热恒温干燥箱中进行干燥，作为第一层材料；待充分干燥然后，采用同样的方法将85wt.%TiC+15wt.%Ni粉体与无水乙醇混合置于搅拌装置中进行搅拌，使其形成悬浊液后，通过雾化装置将其喷覆在第一层材料上，作为第二层材料，并进行充分干燥；依次循环上述步骤进行交替叠层，完成层状陶瓷刀具材料素坯的制备。其中，92wt.%WC+8wt.%Ni层的总质量为10.05g，85wt.%TiC+15wt.%Ni层的总质量为3.74g。将制备好的层状WC/TiC陶瓷刀具材料素坯置于真空热压烧结炉中完成烧结，其烧结温度为1650℃，保温时间为20min，烧结压力为30MPa。将烧结后的层状WC/TiC陶瓷刀具材料加工成（50×4×3）mm的试样条，并将4mm的宽面研磨抛光，其表面粗糙度为0.35μm。

表1 WC和TiC粉体的性能参数Tab.1 The Performance Parameters of WC and TiC

2.1 .2 GCr15轴承钢

采用直径为4mm的GCr15轴承钢球作为摩擦磨损实验的试样，其表面粗糙度为0.01μm，力学性能，如表2所示。

表2 GCr15轴承钢力学性能Tab.2 The Mechanical Properties of GCr15 Bearing Steel

2.2 摩擦磨损性能测试

实验采用中国科学院兰州化学物理研究所研制的CFT-Ⅰ型材料表面性能综合测试仪，利用往复摩擦测试方式在干摩擦条件进行摩擦磨损实验。实验条件为：（1）在载荷为100N、摩擦时间为30min 下，分别测试滑动速度为 3m/min、6m/min、9m/min、12m/min时的层状WC/TiC陶瓷刀具材料的摩擦系数与磨损量；（2）在滑动速度为12m/min、摩擦时间为30min下，分别测试载荷为60N、80N、100N、120N时的层状WC/TiC陶瓷刀具材料的摩擦系数与磨损量。为保证测试结果的真实性，分别测试三次取平均值。采用高倍显微镜对摩擦磨损后试样的表面形貌进行观测。

3 实验结果与讨论

3.1 层状WC/TiC陶瓷材料的摩擦系数

摩擦系数与滑动速度和载荷间的关系，如图1所示。摩擦系数与滑动速度间的关系，如图1（a）所示。由图1（a）可见：随着滑动速度的增加，层状WC/TiC陶瓷材料的摩擦系数总体呈现下降的趋势。在滑动速度为3m/min时，层状WC/TiC陶瓷材料的摩擦系数最大，达到了0.482；在滑动速度为12m/min时，层状WC/TiC陶瓷材料摩擦系数最小，为0.276。

摩擦系数与载荷间的关系，如图1（b）所示。由图1（b）可见：随着载荷的增加，层状WC/TiC陶瓷材料的摩擦系数总体呈现下降的趋势。当载荷最小为60N时，层状WC/TiC陶瓷材料的摩擦系数为0.269；载荷最大为120N时，层状WC/TiC陶瓷材料的摩擦系数为0.157。

图1 摩擦系数与滑动速度和载荷间的关系Fig.1 Friction Coefficient Changed with Sliding Speed and Loads

有文献[9]表明：在摩擦磨损过程中，当试样处于低速和轻载条件下时，试样与轴承钢球的摩擦主要以局部微小晶粒间的机械撞击为主，其将导致微小晶粒发生断裂、脱落；脱落后的微小晶粒将介于摩擦界面，大量的这种晶粒将增大两摩擦界面间的粗糙度，进而导致摩擦系数增大。当试样处于高速和重载条件下时，轴承钢球的塑性变形变大，导致微小晶粒较少脱落，摩擦界面的粗糙度变化较小，因而摩擦系数相对较小。

3.2 层状WC/TiC陶瓷材料的磨损量

磨损量与滑动速度和载荷间的关系，如图2所示。磨损量与滑动速度间的关系，如图2（a）所示。由图2（a）可见：随着滑动速度的增加，层状WC/TiC陶瓷材料的磨损量总体呈现下降的趋势。在滑动速度为3m/min时，层状WC/TiC陶瓷材料的磨损量为0.9×10-3mm3；滑动速度为12m/min时，层状WC/TiC陶瓷材料的磨损量降为 0.68×10-3mm3。

磨损量与载荷间的关系，如图2（b）所示。由图2（b）可见：随着载荷的增加，层状WC/TiC陶瓷材料的磨损量总体呈现下降的趋势。当载荷最小为60N时，层状WC/TiC陶瓷材料的磨损量为1.97×10-3mm3；载荷最大为120N时，层状WC/TiC陶瓷材料的磨损量降至 0.58×10-3mm3。

图2 磨损量与滑动速度和载荷间的关系Fig.2 Wear Volume Loss Changed with Sliding Speed and Loads

有文献[10]表明：在摩擦磨损过程中，当试样处于低速和轻载条件下时，层状WC/TiC陶瓷材料中的金属添加相Ni没有达到产生润滑效果的条件或者润滑效果较差，从而造成在摩擦磨损过程中磨损量较大；当处于高速和重载条件下时，金属添加相Ni在高速和高载荷下达到润滑的条件，在材料表面产生一层金属润滑膜，从而对材料的摩擦磨损性能改善，磨损量减小。

3.3 磨损机理分析

对层状WC/TiC陶瓷刀具材料的摩擦系数与磨损量进行分析可知，当滑动速度为12 m/min，载荷为120N时，层状WC/TiC陶瓷刀具材料的摩擦系数和磨损量均最小，摩擦磨损性能最佳。因此对该条件下的磨损机理进行分析。滑动速度为12m/min，载荷为120N时，层状WC/TiC陶瓷材料的表面形貌，如图3所示。研磨抛光面，如图3（a）所示。摩擦磨损表面，如图3（b）～图3（e）所示。图3（b）、图 3（d）和图 3（a）对比可见，在层状 WC/TiC 陶瓷材料的摩擦磨损表面存在大量因冷焊黏附的片状磨屑，如图3（b）、图3（d）所示。材料晶粒被剥落后而造成的浅损伤，如图3（b）、图3（d）所示。这是由于在摩擦过程中，轴承钢材料与层状WC/TiC陶瓷材料之间的硬度相差较大，造成轴承钢材料在接触点处发生了剪切断裂，而被剪切的一部分材料附着在层状WC/TiC陶瓷材料的表面；TiC的晶体结构为面心立方结构，在干摩擦的情况下更容易产生粘着磨损；同时层状陶瓷材料在摩擦过程中由于自身脆性，导致从摩擦表面剥落，而在随后的摩擦过程中被轴承钢材料在摩擦表面覆盖，在这种连续磨损的过程中，造成了较浅的损伤。由此可得，层状WC/TiC陶瓷材料发生了粘着磨损。由图 3（c）、图 3（e）与图 3（a）对比可见，在层状WC/TiC陶瓷材料的摩擦磨损表面有清晰的机械磨损所造成的犁沟，如图3（c）、图3（e）所示。并出现许多的凹坑，如图3（c）、图3（e）所示。这是由于在摩擦过程中，陶瓷材料基体上的硬质颗粒因脆性大，在摩擦力和挤压力的作用下，将被剥落下来，残留在摩擦界面上的硬质颗粒，将在摩擦力和挤压力的作用下，对摩擦界面进行微切削，进而导致犁沟和凹坑的形成。由此可得，层状WC/TiC陶瓷材料发生了磨粒磨损。

图3 层状WC/TiC陶瓷刀具材料的表面形貌Fig．3 Morphologies of Worm Surfaces of Laminated WC/TiC Ceramic Cutting Tool Materials

4 结论

（1）通过采用雾化-喷覆液膜-干燥新工艺方法来制备层状WC/TiC陶瓷刀具材料素坯并运用真空热压烧结的方法制备出了层状WC/TiC陶瓷刀具。

（2）在室温下，对层状WC/TiC陶瓷刀具材料进行了摩擦磨损实验。在载荷一定的情况下，摩擦系数和磨损量均随着滑动速度的增大而减小，当滑动速度为12m/min时，材料的磨损量和摩擦系数最小，其值为 0．68×10-3mm3和 0．276；在相同滑动速度条件下，材料的磨损量和摩擦系数也均随载荷的增大而减小，载荷为120N时，材料的摩擦系数和磨损量最小，其值为 0．58×10-3mm3和 0．157。

（3）滑动速度为12m/min，载荷为120N时，层状WC/TiC陶瓷刀具材料的磨损形式主要为磨粒磨损和粘着磨损。

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