基于性能驅(qū)動設(shè)計(jì)的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具：制備、性能與應(yīng)用探索一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代制造業(yè)中，刀具作為切削加工的關(guān)鍵工具，其性能對加工質(zhì)量、效率和成本起著決定性作用。隨著制造業(yè)向高精度、高效率、高自動化方向發(fā)展，對刀具性能提出了極為嚴(yán)苛的要求。從機(jī)床精度和產(chǎn)品精度層面來看，現(xiàn)代大型臥式加工中心的刀庫常配備多達(dá)五十多把刀柄，用于成組加工的各類刀具必須具有統(tǒng)一的精度等級，以確保刀具能準(zhǔn)確加工到工件的正確位置，保證產(chǎn)品精度。例如在汽車工業(yè)中，生產(chǎn)氣缸活塞密封環(huán)槽的加工，要求每幾十萬件產(chǎn)品保持同樣的公差范圍，這對刀具精度的穩(wěn)定性提出了極高要求。從被加工工件材質(zhì)和機(jī)床轉(zhuǎn)速角度而言，材料科學(xué)的迅猛發(fā)展使新型難加工材料不斷涌現(xiàn)，從普通碳鋼、鑄鐵到各種合金鋼，從金屬材料到陶瓷、硬質(zhì)合金等，這些材料具有不同的微觀晶相組織結(jié)構(gòu)、硬度和粘性等特性。同時(shí)，機(jī)床轉(zhuǎn)速日益提高，傳統(tǒng)刀具材料難以承受高速切削產(chǎn)生的高溫、高壓和高磨損。傳統(tǒng)的金屬刀具材料，如高速鋼，雖然具有良好的韌性和工藝性，但硬度和熱硬性較低，在高速切削時(shí)容易磨損和軟化，無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)對高效加工的需求。硬質(zhì)合金雖硬度和耐磨性較高，但在高溫下的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性有限，且脆性較大，在加工一些復(fù)雜形狀和高精度零件時(shí)存在局限性。因此，開發(fā)新型高性能刀具材料成為推動現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。Ti(C,N)基金屬陶瓷作為一種新型刀具材料，融合了金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出獨(dú)特的性能優(yōu)勢。其主要成分Ti(C,N)通常以Co-Ni作為粘結(jié)劑，以WC、Mo?C、VC等硬質(zhì)相作為增強(qiáng)相，形成(Ti、V、W、Nb、Zr)(C，N)固溶相。與TiC基金屬陶瓷相比，Ti(C,N)基金屬陶瓷紅硬性高、橫向斷裂強(qiáng)度高、抗氧化性強(qiáng)、熱導(dǎo)率高；與傳統(tǒng)WC-Co硬質(zhì)合金相比，它具有紅硬性高、摩擦系數(shù)低、耐磨性好、耐腐蝕性高等優(yōu)勢。這些特性使得Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具在高速銑削、半精車碳鋼和不銹鋼，甚至加工超合金等難加工材料時(shí)，能保持工件很高的表面光潔度和精度，填補(bǔ)了WC-Co硬質(zhì)合金和陶瓷工具材料之間的空白，成為主要的切削刀具材料之一。然而，目前Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。一方面，其強(qiáng)韌性不足，在切削過程中容易發(fā)生崩刃、斷裂等失效形式，限制了其在一些對刀具可靠性要求較高的領(lǐng)域的應(yīng)用；另一方面，現(xiàn)有制備工藝下的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具性能參差不齊，難以滿足不同工況下的多樣化需求。因此，深入研究Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的制備工藝，優(yōu)化其組織結(jié)構(gòu)以提高綜合性能，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本研究基于性能驅(qū)動設(shè)計(jì)理念，旨在研制高性能的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，并系統(tǒng)研究其切削性能。通過對原料配比、燒結(jié)工藝等制備參數(shù)的優(yōu)化，調(diào)控Ti(C,N)基金屬陶瓷的組織結(jié)構(gòu)，改善其強(qiáng)韌性和耐磨性等性能。同時(shí)，通過切削實(shí)驗(yàn)，深入分析刀具在不同切削條件下的切削力、切削溫度、表面粗糙度等切削性能指標(biāo)，揭示其磨損機(jī)理和失效形式。這不僅有助于豐富和完善Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料的理論體系，為其進(jìn)一步發(fā)展提供理論支撐，而且能夠?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中刀具的選擇和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，推動刀具技術(shù)的發(fā)展，滿足現(xiàn)代制造業(yè)對高性能刀具的迫切需求，促進(jìn)制造業(yè)的高效、精密發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的研究在國內(nèi)外都受到了廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者圍繞材料制備、性能優(yōu)化和切削應(yīng)用等方面展開了深入探索。在材料制備方面，國內(nèi)外研究聚焦于原料選擇、配比優(yōu)化以及燒結(jié)工藝改進(jìn)。國外學(xué)者早在20世紀(jì)就開始對Ti(C,N)基金屬陶瓷的基礎(chǔ)制備工藝進(jìn)行研究。例如，美國學(xué)者通過調(diào)整TiC和TiN的比例，探索其對材料組織結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)合適的比例能形成均勻的固溶體，提升材料的綜合性能。日本學(xué)者則在燒結(jié)工藝上進(jìn)行創(chuàng)新，采用熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)（HIP），有效提高了材料的致密度，減少了內(nèi)部缺陷。國內(nèi)在這方面的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。一些科研團(tuán)隊(duì)通過對原料粉末的預(yù)處理，如機(jī)械球磨、化學(xué)包覆等方法，改善粉末的均勻性和活性，進(jìn)而優(yōu)化材料性能。同時(shí)，國內(nèi)學(xué)者也在探索新型燒結(jié)工藝，如放電等離子燒結(jié)（SPS），該工藝能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)，制備出的Ti(C,N)基金屬陶瓷具有更細(xì)小的晶粒尺寸和更高的硬度。性能優(yōu)化一直是Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具研究的重點(diǎn)。國內(nèi)外研究主要從添加合金元素、引入納米顆粒以及優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)等方面入手。國外研究發(fā)現(xiàn)，添加Mo、W、V等合金元素能有效改善Ti(C,N)基金屬陶瓷的潤濕性，增強(qiáng)粘結(jié)相和硬質(zhì)相之間的結(jié)合力，從而提高材料的強(qiáng)度和韌性。例如，德國的研究團(tuán)隊(duì)通過添加Mo元素，使Ti(C,N)基金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度提高了20%左右。在引入納米顆粒方面，美國和日本的學(xué)者分別將納米TiN、納米WC等顆粒添加到Ti(C,N)基金屬陶瓷中，利用納米顆粒的彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，顯著提高了材料的硬度和耐磨性。國內(nèi)學(xué)者在這方面也取得了豐碩成果，通過復(fù)合添加多種合金元素和納米顆粒，實(shí)現(xiàn)了對材料組織結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控，使Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的綜合性能得到進(jìn)一步提升。在切削應(yīng)用方面，國內(nèi)外研究主要集中在切削性能測試、磨損機(jī)理分析以及刀具壽命預(yù)測。國外學(xué)者通過大量的切削實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具在不同切削條件下的切削力、切削溫度、表面粗糙度等性能指標(biāo)，并與傳統(tǒng)刀具材料進(jìn)行對比分析。例如，英國學(xué)者在高速切削不銹鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)，Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的切削力比硬質(zhì)合金刀具降低了15%-20%，表面粗糙度也更低。同時(shí)，國外研究還深入分析了刀具的磨損機(jī)理，揭示了在高速切削過程中，刀具的磨損主要以氧化磨損、擴(kuò)散磨損和磨粒磨損為主。國內(nèi)學(xué)者則結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，對Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的切削過程進(jìn)行更全面的分析，建立了切削力和切削溫度的預(yù)測模型，為刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。此外，國內(nèi)還開展了針對不同加工材料和工況的刀具適用性研究，為實(shí)際生產(chǎn)中的刀具選擇提供了指導(dǎo)。盡管國內(nèi)外在Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有研究對Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具在極端工況下的性能研究較少，如高溫、高壓、高沖擊等特殊環(huán)境下的刀具可靠性和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步探究。目前對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的性能優(yōu)化多集中在單一因素的研究，缺乏對多因素協(xié)同作用的系統(tǒng)分析，難以實(shí)現(xiàn)材料性能的全面提升。在刀具的制備工藝方面，雖然出現(xiàn)了一些新型燒結(jié)工藝，但這些工藝的工業(yè)化應(yīng)用還面臨成本高、生產(chǎn)效率低等問題。本研究將在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，從性能驅(qū)動設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，綜合考慮材料制備、性能優(yōu)化和切削應(yīng)用等多方面因素，系統(tǒng)研究Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的制備工藝與切削性能。通過深入分析多因素協(xié)同作用對材料組織結(jié)構(gòu)和性能的影響，實(shí)現(xiàn)刀具性能的精準(zhǔn)調(diào)控。同時(shí)，開展Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具在復(fù)雜工況下的切削性能研究，揭示其失效機(jī)制，為刀具的實(shí)際應(yīng)用提供更全面的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究的核心目標(biāo)是基于性能驅(qū)動設(shè)計(jì)理念，成功研制出高性能的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，并深入、系統(tǒng)地研究其切削性能，為現(xiàn)代制造業(yè)提供性能卓越、可靠性高的刀具材料及理論支撐。具體研究內(nèi)容涵蓋材料制備、組織結(jié)構(gòu)分析、性能測試以及切削性能研究等多個(gè)關(guān)鍵方面。在Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料制備方面，深入探究原料配比、燒結(jié)工藝等制備參數(shù)對材料性能的影響規(guī)律。通過大量實(shí)驗(yàn)，精確調(diào)控TiC與TiN的比例，分析不同比例下材料的組織結(jié)構(gòu)和性能變化，確定最佳的碳氮比，以形成均勻、穩(wěn)定的(Ti、V、W、Nb、Zr)(C，N)固溶相。同時(shí)，對燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間進(jìn)行細(xì)致研究，采用熱壓燒結(jié)（HP）、熱等靜壓燒結(jié)（HIP）、放電等離子燒結(jié)（SPS）等多種燒結(jié)工藝進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。分析不同燒結(jié)工藝下材料的致密化程度、晶粒生長情況以及內(nèi)部缺陷分布，確定最適宜的燒結(jié)工藝和參數(shù)組合，提高材料的致密度，減少內(nèi)部缺陷，優(yōu)化材料性能。利用先進(jìn)的掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、X射線衍射儀（XRD）等測試手段，全面、深入地研究Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料的組織結(jié)構(gòu)。通過SEM觀察材料的微觀形貌，分析晶粒尺寸和分布情況，研究不同制備參數(shù)對晶粒大小和均勻性的影響。借助TEM進(jìn)一步觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，包括晶界特征、位錯分布等，深入了解材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。運(yùn)用XRD確定材料的相組成和分布，分析不同相之間的相互作用和影響，為材料性能的優(yōu)化提供微觀結(jié)構(gòu)層面的依據(jù)。在材料性能測試方面，系統(tǒng)測量Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料的硬度、韌性、抗彎強(qiáng)度、耐磨性等關(guān)鍵性能指標(biāo)。采用洛氏硬度計(jì)、維氏硬度計(jì)等測量材料的硬度，分析不同制備參數(shù)對硬度的影響。通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、壓痕法等測試材料的韌性和抗彎強(qiáng)度，研究材料在受力情況下的變形和斷裂行為。利用磨損試驗(yàn)機(jī)測試材料的耐磨性，分析磨損過程中材料表面的微觀變化，探究材料的磨損機(jī)制。通過這些性能測試，建立材料制備參數(shù)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為材料性能的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。切削性能研究是本研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。在不同切削條件下，全面、系統(tǒng)地研究Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料的切削性能，包括切削力、切削溫度、表面粗糙度等關(guān)鍵指標(biāo)。通過切削實(shí)驗(yàn)，測量不同切削速度、進(jìn)給量、切削深度下的切削力，分析切削力隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，建立切削力預(yù)測模型。利用紅外測溫儀、熱電偶等設(shè)備測量切削溫度，研究切削溫度在刀具、工件和切屑之間的分布情況，分析切削溫度對刀具磨損和工件加工質(zhì)量的影響。使用表面粗糙度測量儀測量加工表面的粗糙度，研究切削參數(shù)對表面粗糙度的影響，分析如何通過優(yōu)化切削參數(shù)提高工件的表面質(zhì)量。同時(shí)，將Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具與傳統(tǒng)高速鋼、硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，突出Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具在切削性能方面的優(yōu)勢和特點(diǎn)。深入分析Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的磨損機(jī)理和失效形式，通過觀察刀具磨損表面的微觀形貌，結(jié)合材料成分和組織結(jié)構(gòu)分析，揭示刀具在切削過程中的磨損機(jī)制，如磨粒磨損、粘著磨損、氧化磨損、擴(kuò)散磨損等。研究刀具的失效形式，如崩刃、斷裂、剝落等，分析導(dǎo)致刀具失效的原因，為刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)和使用壽命的提高提供理論依據(jù)。本研究的技術(shù)路線如下：首先，根據(jù)研究目標(biāo)和內(nèi)容，制定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，確定所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原材料。然后，按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料的制備，通過改變原料配比和燒結(jié)工藝參數(shù)，制備出一系列不同性能的材料試樣。接著，對制備好的材料試樣進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分析和性能測試，利用各種測試手段獲取材料的微觀結(jié)構(gòu)信息和性能數(shù)據(jù)。根據(jù)組織結(jié)構(gòu)分析和性能測試結(jié)果，優(yōu)化材料制備工藝，進(jìn)一步提高材料性能。最后，將優(yōu)化后的材料制成刀具，進(jìn)行切削性能實(shí)驗(yàn)，研究刀具的切削性能、磨損機(jī)理和失效形式。通過對切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，驗(yàn)證材料性能優(yōu)化的效果，為Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。在整個(gè)研究過程中，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整研究方案，確保研究目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。二、Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的性能驅(qū)動設(shè)計(jì)原理2.1性能驅(qū)動設(shè)計(jì)的概念與內(nèi)涵性能驅(qū)動設(shè)計(jì)作為一種先進(jìn)的理念，在材料科學(xué)領(lǐng)域具有獨(dú)特的定義和豐富的內(nèi)涵。它以滿足特定性能需求為核心出發(fā)點(diǎn)，通過對材料成分、組織結(jié)構(gòu)以及制備工藝等多方面的精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)材料性能的優(yōu)化和提升。與傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)思路不同，性能驅(qū)動設(shè)計(jì)并非僅僅依賴于經(jīng)驗(yàn)和試錯，而是基于對材料科學(xué)基本原理的深入理解，運(yùn)用先進(jìn)的理論模型和計(jì)算方法，從微觀層面揭示材料性能與結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)與制備。在性能驅(qū)動設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵要素涵蓋多個(gè)方面。首先是對性能需求的明確界定，這需要深入了解材料的應(yīng)用場景和實(shí)際工況。例如，對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，其應(yīng)用場景主要集中在金屬切削加工領(lǐng)域，不同的加工材料（如碳鋼、不銹鋼、合金鋼等）和加工方式（車削、銑削、鏜削等）對刀具性能有著不同的要求。在車削加工中，刀具需要承受較大的切削力和摩擦力，因此對刀具的硬度、耐磨性和強(qiáng)度要求較高；而在銑削加工中，刀具還需具備良好的抗沖擊韌性，以應(yīng)對斷續(xù)切削過程中的沖擊載荷。只有準(zhǔn)確把握這些性能需求，才能為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提供明確的方向。材料成分設(shè)計(jì)是性能驅(qū)動設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。通過合理選擇和調(diào)整材料的組成成分，可以改變材料的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵性質(zhì)以及電子云分布等微觀特征，進(jìn)而影響材料的性能。對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，TiC和TiN的比例對材料的性能起著關(guān)鍵作用。TiC具有高硬度、高熔點(diǎn)和良好的耐磨性，而TiN則具有較高的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性。適當(dāng)調(diào)整TiC與TiN的比例，能夠使材料在硬度、耐磨性、抗氧化性等方面達(dá)到較好的平衡。添加其他合金元素，如Mo、W、V、TaC、NbC等，也能顯著改善材料的性能。Mo和W可以提高材料的高溫強(qiáng)度和硬度，V能夠細(xì)化晶粒，增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和韌性，TaC和NbC則可以提高材料的紅硬性和熱穩(wěn)定性。組織結(jié)構(gòu)調(diào)控是實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化的關(guān)鍵手段。材料的組織結(jié)構(gòu)包括晶粒尺寸、晶界特征、相分布等多個(gè)方面，這些因素對材料的性能有著直接而顯著的影響。細(xì)小的晶粒尺寸可以增加晶界面積，阻礙位錯運(yùn)動，從而提高材料的強(qiáng)度和韌性。通過優(yōu)化燒結(jié)工藝、添加晶粒細(xì)化劑等方法，可以有效減小Ti(C,N)基金屬陶瓷的晶粒尺寸。晶界的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)也會影響材料的性能，清潔、致密的晶界能夠提高材料的力學(xué)性能。在制備過程中，通過控制雜質(zhì)含量、優(yōu)化燒結(jié)條件等措施，可以改善晶界質(zhì)量。相分布的均勻性對材料性能同樣重要，均勻分布的硬質(zhì)相和粘結(jié)相能夠使材料在受力時(shí)更加均勻地承擔(dān)載荷，提高材料的綜合性能。制備工藝的選擇和優(yōu)化也是性能驅(qū)動設(shè)計(jì)不可或缺的部分。不同的制備工藝會導(dǎo)致材料在微觀結(jié)構(gòu)和性能上產(chǎn)生差異。熱壓燒結(jié)（HP）、熱等靜壓燒結(jié)（HIP）、放電等離子燒結(jié)（SPS）等燒結(jié)工藝在加熱方式、壓力施加方式和燒結(jié)時(shí)間等方面存在差異，這些差異會影響材料的致密化程度、晶粒生長情況以及內(nèi)部缺陷分布。熱壓燒結(jié)能夠在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)材料的致密化，但可能會導(dǎo)致晶粒長大；放電等離子燒結(jié)則具有加熱速度快、燒結(jié)時(shí)間短的特點(diǎn)，可以制備出晶粒細(xì)小、致密度高的材料。因此，根據(jù)材料的性能需求和特點(diǎn)，選擇合適的制備工藝，并對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)性能驅(qū)動設(shè)計(jì)的重要保障。在刀具研制中，性能驅(qū)動設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的意義。隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，對刀具性能的要求日益苛刻，傳統(tǒng)的刀具材料和設(shè)計(jì)方法已難以滿足現(xiàn)代加工的需求。性能驅(qū)動設(shè)計(jì)能夠從根本上突破傳統(tǒng)思維的局限，通過深入研究材料的性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)刀具性能的精準(zhǔn)調(diào)控和全面提升。采用性能驅(qū)動設(shè)計(jì)理念研制的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，可以在硬度、韌性、耐磨性、耐熱性等方面達(dá)到更好的綜合性能，從而提高切削加工的效率、精度和質(zhì)量，降低加工成本。性能驅(qū)動設(shè)計(jì)還有助于開發(fā)新型的刀具材料和結(jié)構(gòu)，推動刀具技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，滿足未來制造業(yè)對高性能刀具的需求。2.2Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的性能要求分析2.2.1切削性能相關(guān)指標(biāo)切削速度、進(jìn)給量和切削深度作為切削過程中的關(guān)鍵參數(shù)，對Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的切削性能有著深遠(yuǎn)的影響。切削速度的變化會顯著改變刀具與工件之間的摩擦狀態(tài)和熱傳遞過程。當(dāng)切削速度較低時(shí)，刀具與工件之間的摩擦相對較小，產(chǎn)生的熱量也較少，但加工效率較低。隨著切削速度的提高，刀具與工件的接觸頻率增加，摩擦加劇，切削溫度迅速升高。過高的切削溫度會導(dǎo)致刀具材料的硬度下降，磨損加劇，甚至發(fā)生刀具的熱破損。在高速切削合金鋼時(shí)，切削速度從100m/min提高到300m/min，切削溫度可升高200-300℃，刀具的磨損率會增加3-5倍。切削速度還會影響切屑的形態(tài)和排出方式，進(jìn)而影響加工表面質(zhì)量。高速切削時(shí)，切屑可能會因高溫而變得柔軟，容易纏繞在刀具上，導(dǎo)致加工過程不穩(wěn)定，表面粗糙度增加。因此，對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，需要根據(jù)工件材料、刀具材料和加工要求等因素，合理選擇切削速度，以在保證加工質(zhì)量的前提下，提高加工效率。進(jìn)給量的大小直接影響切削力和加工表面粗糙度。較大的進(jìn)給量會使切削力增大，這對刀具的強(qiáng)度和剛性提出了更高的要求。如果刀具的強(qiáng)度和剛性不足，在較大切削力的作用下，可能會發(fā)生刀具的變形、崩刃甚至斷裂。在車削加工中，當(dāng)進(jìn)給量從0.1mm/r增加到0.3mm/r時(shí)，切削力可增大50%-80%。進(jìn)給量還會影響加工表面的殘留面積高度，從而影響表面粗糙度。進(jìn)給量越大，殘留面積高度越大，表面粗糙度越高。在精加工時(shí)，為了獲得較低的表面粗糙度，通常需要選擇較小的進(jìn)給量。但進(jìn)給量過小也會導(dǎo)致切削溫度升高，刀具磨損加劇，因?yàn)檫^小的進(jìn)給量會使刀具與工件的接觸時(shí)間延長，摩擦熱增加。切削深度的改變會影響切削力和刀具的磨損形式。增加切削深度會使切削力顯著增大，因?yàn)榍邢髅娣e增大，刀具需要承受更大的切削負(fù)荷。切削深度的增加還會導(dǎo)致刀具的磨損加劇，尤其是在刀具的切削刃部位。較大的切削深度可能會使刀具產(chǎn)生不均勻磨損，甚至出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。在粗加工時(shí)，通常會選擇較大的切削深度，以提高加工效率，但要確保刀具和機(jī)床能夠承受相應(yīng)的切削力。而在精加工時(shí)，切削深度一般較小，以保證加工精度和表面質(zhì)量。綜合考慮這些因素，確定關(guān)鍵性能指標(biāo)對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用至關(guān)重要。刀具的切削效率是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，它與切削速度、進(jìn)給量和切削深度密切相關(guān)。通過合理選擇這些參數(shù)，可以在保證刀具壽命和加工質(zhì)量的前提下，提高切削效率。加工精度也是一個(gè)重要指標(biāo)，切削參數(shù)的選擇會直接影響工件的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度。為了滿足不同的加工需求，需要根據(jù)具體情況確定合適的加工精度指標(biāo)，并通過優(yōu)化切削參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。刀具壽命是衡量刀具性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，切削參數(shù)的不合理選擇會導(dǎo)致刀具壽命縮短，增加加工成本。因此，在確定關(guān)鍵性能指標(biāo)時(shí)，需要充分考慮刀具壽命，通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，找到切削速度、進(jìn)給量和切削深度的最佳組合，以延長刀具壽命。2.2.2力學(xué)性能需求在切削過程中，Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具需要具備一系列關(guān)鍵的力學(xué)性能，這些性能對刀具的使用壽命和加工質(zhì)量起著決定性作用。硬度是刀具材料的基本性能之一，對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具而言，高硬度是實(shí)現(xiàn)高效切削的基礎(chǔ)。刀具的硬度必須高于工件材料的硬度，才能有效地切削工件。Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的硬度通常在1500-2000HV之間，這種高硬度使其能夠在切削過程中抵抗工件材料的磨損，保持切削刃的鋒利度。在切削碳鋼時(shí)，刀具的硬度若不足，切削刃會迅速磨損，導(dǎo)致切削力增大，加工表面質(zhì)量下降。隨著切削過程的進(jìn)行，刀具表面會受到工件材料的摩擦和擠壓，硬度高的刀具能夠更好地抵抗這種磨損，延長刀具的使用壽命。在高速切削和加工高硬度材料時(shí)，刀具的硬度對切削性能的影響更為顯著。高硬度可以使刀具在高溫、高壓的切削條件下仍能保持良好的切削性能，減少刀具的磨損和破損。韌性是刀具材料抵抗斷裂和崩刃的能力，對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具同樣至關(guān)重要。盡管Ti(C,N)基金屬陶瓷具有較高的硬度，但陶瓷相的存在使其韌性相對較低，在切削過程中容易發(fā)生脆性斷裂。因此，提高刀具的韌性是提高其可靠性和使用壽命的關(guān)鍵。刀具在切削過程中會受到?jīng)_擊載荷的作用，尤其是在斷續(xù)切削時(shí)，如銑削加工中，刀具會周期性地切入和切出工件，此時(shí)刀具需要具備良好的韌性來吸收沖擊能量，防止刀具的崩刃和斷裂。刀具的韌性還會影響加工表面質(zhì)量。如果刀具的韌性不足，在切削過程中發(fā)生崩刃，會在工件表面留下明顯的劃痕和缺陷，降低加工表面的精度和光潔度。通過添加合金元素、優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)等方法，可以有效提高Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的韌性。添加Co、Ni等韌性較好的金屬作為粘結(jié)相，可以增強(qiáng)陶瓷相與金屬相之間的結(jié)合力，提高材料的韌性。細(xì)化晶粒也可以增加晶界面積，阻礙裂紋的擴(kuò)展，從而提高刀具的韌性。抗彎強(qiáng)度是衡量刀具在承受彎曲載荷時(shí)抵抗斷裂能力的重要指標(biāo)。在切削過程中，刀具會受到切削力的作用，產(chǎn)生彎曲變形。如果刀具的抗彎強(qiáng)度不足，在彎曲載荷的作用下，刀具可能會發(fā)生斷裂。刀具的抗彎強(qiáng)度與材料的成分、組織結(jié)構(gòu)以及制備工藝密切相關(guān)。合理的成分設(shè)計(jì)和優(yōu)化的組織結(jié)構(gòu)可以提高刀具的抗彎強(qiáng)度。添加適量的合金元素，如Mo、W等，可以提高材料的強(qiáng)度和硬度，進(jìn)而提高抗彎強(qiáng)度。優(yōu)化燒結(jié)工藝，減少材料內(nèi)部的缺陷和孔隙，也可以提高刀具的抗彎強(qiáng)度。刀具的抗彎強(qiáng)度對加工質(zhì)量也有一定的影響。如果刀具在切削過程中發(fā)生彎曲變形，會導(dǎo)致切削刃的位置發(fā)生變化，從而影響工件的尺寸精度和形狀精度。因此，在設(shè)計(jì)和制備Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具時(shí)，需要充分考慮刀具的抗彎強(qiáng)度，確保刀具在切削過程中能夠保持良好的剛性和穩(wěn)定性。2.2.3物理化學(xué)性能考量Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的物理化學(xué)性能，如耐熱性、抗氧化性和抗磨損性，在不同切削條件下對刀具的性能發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。耐熱性是Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具在高溫切削環(huán)境中保持性能穩(wěn)定的關(guān)鍵性能。在切削過程中，刀具與工件之間的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致刀具溫度急劇升高。當(dāng)?shù)毒邷囟瘸^一定限度時(shí)，刀具材料的硬度和強(qiáng)度會顯著下降，從而加速刀具的磨損和失效。Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具具有較高的耐熱性，其主要成分Ti(C,N)具有高熔點(diǎn)和良好的熱穩(wěn)定性。在高速切削合金鋼時(shí)，切削溫度可高達(dá)800-1000℃，Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具能夠在這樣的高溫下保持相對穩(wěn)定的性能，而傳統(tǒng)高速鋼刀具在高溫下會迅速軟化，失去切削能力。耐熱性好的刀具還可以減少刀具材料的熱變形，保證加工精度。在精密加工中，微小的熱變形都可能導(dǎo)致工件尺寸精度的偏差，因此刀具的耐熱性對于高精度加工尤為重要。抗氧化性是衡量刀具抵抗氧化作用能力的重要指標(biāo)。在高溫切削過程中，刀具表面與空氣中的氧氣接觸，容易發(fā)生氧化反應(yīng)。氧化會使刀具表面形成一層氧化物薄膜，這層薄膜可能會降低刀具的硬度和耐磨性，加速刀具的磨損。Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具具有較好的抗氧化性，其表面的Ti(C,N)相在高溫下能夠形成一層致密的氧化物保護(hù)膜，阻止氧氣進(jìn)一步侵入刀具內(nèi)部，從而減緩氧化速度。在切削過程中，隨著溫度的升高和切削時(shí)間的延長，刀具的氧化程度會逐漸增加。如果刀具的抗氧化性不足，氧化物薄膜會迅速剝落，導(dǎo)致刀具表面直接暴露在氧氣中，加速刀具的磨損和失效。因此，提高Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的抗氧化性，可以有效地延長刀具的使用壽命，提高加工效率?？鼓p性是刀具材料抵抗磨損的能力，對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的切削性能和使用壽命有著直接的影響。在切削過程中，刀具與工件之間的摩擦、工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)以及切削熱等因素都會導(dǎo)致刀具的磨損。Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具具有較高的硬度和良好的耐磨性，其硬質(zhì)相Ti(C,N)能夠有效地抵抗磨損。在切削過程中，刀具的磨損主要包括磨粒磨損、粘著磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損等形式。磨粒磨損是由于工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)對刀具表面的切削作用而產(chǎn)生的，Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的高硬度可以減少磨粒磨損的程度。粘著磨損是由于刀具與工件材料之間的分子引力作用，導(dǎo)致工件材料粘附在刀具表面，然后在切削過程中被撕裂而產(chǎn)生的磨損。Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的低摩擦系數(shù)可以減少粘著磨損的發(fā)生。氧化磨損和擴(kuò)散磨損則與刀具的抗氧化性和耐熱性密切相關(guān)，良好的抗氧化性和耐熱性可以降低氧化磨損和擴(kuò)散磨損的速度。通過優(yōu)化刀具的成分和組織結(jié)構(gòu)，如添加耐磨合金元素、細(xì)化晶粒等，可以進(jìn)一步提高Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的抗磨損性。2.3基于性能需求的材料設(shè)計(jì)策略2.3.1成分優(yōu)化設(shè)計(jì)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)在Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料的性能提升中起著關(guān)鍵作用，通過合理調(diào)整成分，能夠顯著改善材料的性能。TiC和TiN作為Ti(C,N)基金屬陶瓷的主要硬質(zhì)相，其比例對材料性能有著決定性影響。TiC具有極高的硬度和耐磨性，在切削過程中能夠有效抵抗工件材料的磨損，保持切削刃的鋒利度。然而，純TiC基金屬陶瓷的韌性相對較低，在承受沖擊載荷時(shí)容易發(fā)生脆性斷裂。而TiN則具有良好的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫切削環(huán)境中能夠保護(hù)刀具表面，減緩氧化和磨損的速度。適當(dāng)增加TiN的含量，可以提高材料的抗氧化性和抗腐蝕性，改善材料的韌性。當(dāng)TiN含量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性會有所提高。但TiN含量過高也會導(dǎo)致材料硬度和耐磨性下降。因此，需要通過大量實(shí)驗(yàn)，精確調(diào)控TiC與TiN的比例，找到最佳的碳氮比，以實(shí)現(xiàn)材料在硬度、韌性、耐磨性和抗氧化性等方面的綜合性能優(yōu)化。研究表明，當(dāng)TiC與TiN的比例為7:3時(shí)，Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具在切削不銹鋼時(shí)，既能保持較高的硬度和耐磨性，又具有較好的韌性，刀具壽命得到顯著延長。添加TaC、NbC等碳化物是優(yōu)化Ti(C,N)基金屬陶瓷成分的重要手段。TaC具有高熔點(diǎn)、高硬度和良好的熱穩(wěn)定性，能夠有效提高材料的紅硬性和高溫強(qiáng)度。在高溫切削過程中，TaC可以阻礙晶粒的長大，細(xì)化晶粒尺寸，從而提高材料的強(qiáng)度和韌性。添加5%的TaC后，Ti(C,N)基金屬陶瓷的高溫硬度提高了10%-15%，在高速切削高溫合金時(shí)，刀具的磨損明顯減少。NbC同樣具有高硬度和良好的耐磨性，能夠增強(qiáng)材料的抗磨損性能。NbC還可以改善材料的熱膨脹系數(shù)，使其與其他成分更好地匹配，減少內(nèi)部應(yīng)力，提高材料的可靠性。在Ti(C,N)基金屬陶瓷中添加適量的NbC，可使材料的耐磨性提高20%-30%，在切削高硬度合金鋼時(shí)，刀具的使用壽命得到顯著提升。粘結(jié)相的選擇和優(yōu)化對Ti(C,N)基金屬陶瓷的性能也至關(guān)重要。常用的粘結(jié)相有Co、Ni等金屬。Co具有良好的韌性和潤濕性，能夠增強(qiáng)陶瓷相與金屬相之間的結(jié)合力，提高材料的強(qiáng)度和韌性。但Co在高溫下容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，降低材料的抗氧化性。Ni的抗氧化性較好，但韌性相對較低。通過合理調(diào)整Co和Ni的比例，或者添加其他元素對粘結(jié)相進(jìn)行改性，可以改善粘結(jié)相的性能。添加少量的Mo元素到Co-Ni粘結(jié)相中，可以提高粘結(jié)相的高溫強(qiáng)度和硬度，增強(qiáng)其與硬質(zhì)相的結(jié)合力。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Co-Ni粘結(jié)相中Mo的含量為3%-5%時(shí)，Ti(C,N)基金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別提高了15%-20%和10%-15%，在切削過程中表現(xiàn)出更好的抗沖擊性能和可靠性。2.3.2微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控是提升Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具綜合性能的關(guān)鍵途徑，通過對晶粒尺寸、相分布等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確控制，能夠顯著改善材料的性能。晶粒尺寸對Ti(C,N)基金屬陶瓷的性能有著顯著影響。細(xì)小的晶粒尺寸可以增加晶界面積，而晶界具有較高的能量和原子擴(kuò)散速率，能夠阻礙位錯運(yùn)動，從而提高材料的強(qiáng)度和韌性。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度越高。在Ti(C,N)基金屬陶瓷中，當(dāng)晶粒尺寸從5μm減小到1μm時(shí)，材料的硬度可提高20%-30%，抗彎強(qiáng)度提高15%-20%。細(xì)小的晶粒還可以使材料的韌性得到提升，因?yàn)榫Ы缒軌蛭蘸头稚⒘鸭y擴(kuò)展的能量，阻止裂紋的快速擴(kuò)展。在切削過程中，刀具受到?jīng)_擊載荷時(shí)，細(xì)小晶粒結(jié)構(gòu)的Ti(C,N)基金屬陶瓷能夠更好地抵抗裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，減少刀具的崩刃和斷裂現(xiàn)象。采用合適的燒結(jié)工藝是控制晶粒尺寸的重要手段。傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)（HP）工藝在高溫下長時(shí)間燒結(jié)，容易導(dǎo)致晶粒長大。而放電等離子燒結(jié)（SPS）工藝具有加熱速度快、燒結(jié)時(shí)間短的特點(diǎn)，可以有效抑制晶粒的生長。在SPS燒結(jié)過程中，通過瞬間施加高電流和壓力，使粉末顆粒迅速升溫并致密化，在較短的時(shí)間內(nèi)完成燒結(jié)過程，從而獲得細(xì)小的晶粒尺寸。研究表明，采用SPS工藝制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷，其晶粒尺寸可比HP工藝制備的材料減小50%以上。添加晶粒細(xì)化劑也是減小晶粒尺寸的有效方法。如添加微量的VC、Cr?C?等碳化物，它們在燒結(jié)過程中能夠在晶粒表面析出，形成細(xì)小的顆粒，阻礙晶粒的長大，起到細(xì)化晶粒的作用。添加0.5%的VC后，Ti(C,N)基金屬陶瓷的晶粒尺寸明顯減小，材料的綜合性能得到顯著提升。相分布的均勻性對Ti(C,N)基金屬陶瓷的性能同樣重要。均勻分布的硬質(zhì)相和粘結(jié)相能夠使材料在受力時(shí)更加均勻地承擔(dān)載荷，避免應(yīng)力集中，從而提高材料的綜合性能。如果硬質(zhì)相分布不均勻，在切削過程中，受力較大的區(qū)域容易出現(xiàn)局部磨損和破裂，降低刀具的使用壽命。通過優(yōu)化制備工藝，如改進(jìn)粉末混合方法、采用高能球磨等手段，可以提高粉末的均勻性，進(jìn)而改善相分布的均勻性。采用高能球磨將Ti(C,N)粉末、粘結(jié)相粉末和其他添加劑充分混合，使各相在粉末中均勻分散，在后續(xù)的燒結(jié)過程中能夠形成更加均勻的組織結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高能球磨處理后制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷，其硬質(zhì)相和粘結(jié)相分布更加均勻，材料的抗彎強(qiáng)度和耐磨性分別提高了10%-15%和15%-20%，在切削過程中表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和可靠性。2.3.3表面處理技術(shù)選擇表面處理技術(shù)在提高Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具表面性能方面具有重要作用，通過選擇合適的表面處理技術(shù)，能夠顯著提升刀具的切削性能和使用壽命。表面滲硼是一種有效的表面處理技術(shù)，它能夠在Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具表面形成一層堅(jiān)硬的硼化物層。這層硼化物層具有高硬度、高耐磨性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。在切削過程中，硼化物層可以有效抵抗工件材料的磨損，減少刀具表面的摩擦和磨損，從而提高刀具的耐磨性和切削效率。表面滲硼還可以提高刀具的抗腐蝕性，使刀具在惡劣的切削環(huán)境中保持良好的性能。在切削含有腐蝕性介質(zhì)的工件時(shí)，滲硼后的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具能夠有效抵抗腐蝕，延長刀具的使用壽命。滲硼層的硬度通常在2000-3000HV之間，比Ti(C,N)基金屬陶瓷基體的硬度高出50%-100%，這使得刀具表面能夠承受更大的切削力和摩擦力，減少磨損的發(fā)生。涂層技術(shù)也是提高Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具表面性能的重要手段。常見的涂層材料有TiN、TiC、TiAlN等。TiN涂層具有金黃色的外觀，硬度高、摩擦系數(shù)低、抗氧化性好。在切削過程中，TiN涂層可以降低刀具與工件之間的摩擦力，減少切削熱的產(chǎn)生，從而提高刀具的切削性能和使用壽命。TiN涂層還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠抵抗工件材料中的化學(xué)物質(zhì)對刀具的侵蝕。在切削鋁合金時(shí)，TiN涂層刀具的切削力比未涂層刀具降低了10%-15%，刀具壽命延長了2-3倍。TiC涂層具有更高的硬度和耐磨性，能夠有效提高刀具的抗磨損性能。在切削高硬度材料時(shí)，TiC涂層刀具表現(xiàn)出更好的切削性能，能夠保持切削刃的鋒利度，提高加工精度。TiAlN涂層則結(jié)合了TiN和TiC涂層的優(yōu)點(diǎn)，具有更高的硬度、抗氧化性和熱穩(wěn)定性。在高速切削和高溫切削環(huán)境下，TiAlN涂層能夠有效保護(hù)刀具表面，減少刀具的磨損和破損，提高刀具的可靠性。在高速切削合金鋼時(shí)，TiAlN涂層刀具的切削溫度比TiN涂層刀具降低了50-100℃，刀具壽命提高了3-5倍。在選擇表面處理技術(shù)時(shí)，需要綜合考慮刀具的使用工況、加工材料以及成本等因素。對于高速切削和加工高硬度材料的刀具，由于切削溫度高、磨損劇烈，可選擇具有高硬度、高耐熱性的TiAlN涂層或表面滲硼處理。對于一般的切削加工，TiN涂層則能夠滿足要求，且成本相對較低。還需要考慮表面處理技術(shù)與刀具基體的結(jié)合強(qiáng)度，確保涂層或滲硼層在切削過程中不會脫落，從而充分發(fā)揮表面處理技術(shù)的優(yōu)勢，提高Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的性能。三、Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的研制過程3.1原料選擇與預(yù)處理3.1.1主要原料特性分析Ti(C,N)粉末作為Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的核心硬質(zhì)相原料，其特性對刀具性能有著至關(guān)重要的影響。Ti(C,N)粉末通常呈現(xiàn)出細(xì)小的顆粒形態(tài)，其粒度分布是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。一般來說，粒度較小的Ti(C,N)粉末有利于提高材料的致密性和均勻性。當(dāng)粒度在0.5-1μm范圍內(nèi)時(shí)，在燒結(jié)過程中，小粒度的粉末能夠更緊密地堆積，增加顆粒之間的接觸面積，促進(jìn)原子擴(kuò)散和燒結(jié)頸的形成，從而提高材料的致密度。小粒度粉末還能細(xì)化最終材料的晶粒尺寸，根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，細(xì)小的晶?？梢燥@著提高材料的強(qiáng)度和韌性。純度是Ti(C,N)粉末的另一個(gè)重要特性。高純度的Ti(C,N)粉末能夠減少雜質(zhì)對材料性能的負(fù)面影響。雜質(zhì)的存在可能會在材料內(nèi)部形成缺陷，降低材料的強(qiáng)度和韌性。在高溫?zé)Y(jié)過程中，雜質(zhì)可能會與其他成分發(fā)生不良反應(yīng)，影響材料的組織結(jié)構(gòu)和性能。純度達(dá)到99%以上的Ti(C,N)粉末，能夠有效減少這些不良影響，保證材料的性能穩(wěn)定性?；瘜W(xué)成分中，TiC和TiN的比例是影響Ti(C,N)基金屬陶瓷性能的關(guān)鍵因素。如前文所述，TiC賦予材料高硬度和耐磨性，而TiN則提高材料的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性。當(dāng)TiC含量較高時(shí)，刀具的硬度和耐磨性會增強(qiáng)，適合加工硬度較高的材料。在切削高硬度合金鋼時(shí)，較高TiC含量的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具能夠保持切削刃的鋒利度，減少磨損。而當(dāng)TiN含量增加時(shí)，刀具在高溫切削環(huán)境中的抗氧化能力和化學(xué)穩(wěn)定性會提高。在高速切削過程中，刀具表面溫度升高，高TiN含量的刀具能夠有效抵抗氧化，延長刀具壽命。粘結(jié)相金屬粉末常用的有Co、Ni等，它們在Ti(C,N)基金屬陶瓷中起著粘結(jié)硬質(zhì)相、傳遞載荷和改善材料韌性的重要作用。Co粉末具有良好的韌性和潤濕性，能夠與Ti(C,N)硬質(zhì)相形成較強(qiáng)的結(jié)合力。其粒度一般在1-3μm左右，合適的粒度有助于在燒結(jié)過程中均勻分布在硬質(zhì)相周圍，形成有效的粘結(jié)橋。Co的純度對材料性能也有影響，高純度的Co能夠減少雜質(zhì)對粘結(jié)相性能的損害，提高粘結(jié)相的強(qiáng)度和韌性。在材料受力時(shí)，Co粘結(jié)相能夠有效地傳遞載荷，使硬質(zhì)相共同承擔(dān)外力，從而提高材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。Ni粉末作為粘結(jié)相，具有較好的抗氧化性。其粒度和純度同樣會影響材料性能。Ni的粒度一般與Co相近，在1-3μm范圍內(nèi)。在高溫切削環(huán)境下，Ni的抗氧化性能夠保護(hù)粘結(jié)相，防止其被氧化而降低粘結(jié)性能。Ni還可以與Co等其他粘結(jié)相元素形成合金，通過調(diào)整合金成分，可以進(jìn)一步優(yōu)化粘結(jié)相的性能。添加適量的Ni到Co粘結(jié)相中，可以改善粘結(jié)相的高溫穩(wěn)定性和強(qiáng)度，提高材料在高溫切削條件下的可靠性。WC、Mo?C、VC等硬質(zhì)相增強(qiáng)相粉末在Ti(C,N)基金屬陶瓷中也發(fā)揮著重要作用。WC粉末具有高硬度和高耐磨性，其粒度通常在0.5-2μm之間。添加WC粉末可以進(jìn)一步提高Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的硬度和耐磨性。在切削過程中，WC顆粒能夠有效地抵抗工件材料的磨損，增強(qiáng)刀具的切削性能。Mo?C粉末能夠提高材料的高溫強(qiáng)度和硬度，其粒度一般在1μm左右。在高溫切削時(shí)，Mo?C可以阻礙晶粒的長大，保持材料的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而提高刀具的高溫性能。VC粉末則具有細(xì)化晶粒的作用，其粒度通常在0.1-0.5μm之間。通過添加VC粉末，可以減小Ti(C,N)基金屬陶瓷的晶粒尺寸，增加晶界面積，提高材料的強(qiáng)度和韌性。3.1.2原料預(yù)處理方法球磨是原料預(yù)處理的重要方法之一，它對原料的均勻性和活性有著顯著影響。在球磨過程中，通過研磨介質(zhì)（如硬質(zhì)合金球、氧化鋯球等）與原料粉末的相互碰撞和摩擦，使粉末顆粒不斷細(xì)化和混合。球磨時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，一般來說，隨著球磨時(shí)間的增加，粉末的粒度逐漸減小，均勻性提高。當(dāng)球磨時(shí)間為10-15小時(shí)時(shí)，Ti(C,N)粉末、粘結(jié)相金屬粉末以及其他添加劑粉末能夠得到充分混合，粒度分布更加均勻。球磨還可以增加粉末的活性，球磨過程中的機(jī)械作用會使粉末表面產(chǎn)生晶格畸變和缺陷，提高原子的擴(kuò)散能力，從而增強(qiáng)粉末在后續(xù)燒結(jié)過程中的反應(yīng)活性。篩分是保證原料粒度一致性的重要手段。通過不同目數(shù)的篩網(wǎng)對球磨后的粉末進(jìn)行篩選，可以去除過大或過小的顆粒，使粉末的粒度分布更加集中。對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具原料，通常會選擇100-200目的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分。經(jīng)過篩分后，能夠確保參與燒結(jié)的粉末粒度在一個(gè)相對狹窄的范圍內(nèi)，有利于在燒結(jié)過程中實(shí)現(xiàn)均勻的致密化和晶粒生長，提高材料性能的一致性。如果不進(jìn)行篩分，過大的顆?？赡軙?dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)孔隙和缺陷，降低材料的強(qiáng)度和韌性；而過小的顆粒則可能會在燒結(jié)過程中過度燒結(jié)，影響材料的組織結(jié)構(gòu)和性能。混合是將經(jīng)過球磨和篩分后的各種原料粉末充分混合均勻的過程。常用的混合方法有機(jī)械攪拌混合和氣流混合等。機(jī)械攪拌混合通過攪拌槳的高速旋轉(zhuǎn)，使粉末在混合容器內(nèi)充分翻滾和混合。在機(jī)械攪拌混合過程中，攪拌速度和混合時(shí)間是影響混合效果的重要因素。一般攪拌速度在200-500轉(zhuǎn)/分鐘，混合時(shí)間為2-4小時(shí)，可以使各種原料粉末均勻分布。氣流混合則是利用高速氣流將粉末吹散并混合在一起，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)更均勻的混合，尤其適用于對混合均勻性要求較高的情況。通過充分混合，能夠確保在后續(xù)的燒結(jié)過程中，各種成分能夠均勻地參與反應(yīng)，形成均勻的組織結(jié)構(gòu)，從而提高Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的綜合性能。3.2制備工藝研究與優(yōu)化3.2.1傳統(tǒng)制備工藝概述傳統(tǒng)的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具制備主要采用粉末冶金工藝，該工藝歷史悠久，技術(shù)相對成熟，在材料制備領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其主要流程包括模壓成型和燒結(jié)等關(guān)鍵步驟。在模壓成型階段，經(jīng)過預(yù)處理的原料粉末被放入特定模具中。通過施加一定壓力，使粉末在模具內(nèi)初步成型。這個(gè)過程中，壓力的大小和均勻性對坯體的質(zhì)量有著重要影響。如果壓力不足，粉末之間的結(jié)合不夠緊密，坯體的密度較低，在后續(xù)燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)變形、開裂等問題。壓力不均勻則會導(dǎo)致坯體各部分密度不一致，影響最終產(chǎn)品的性能均勻性。一般來說，對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的模壓成型，壓力通?？刂圃?00-300MPa之間。在這個(gè)壓力范圍內(nèi)，能夠使粉末較好地填充模具型腔，形成具有一定強(qiáng)度和形狀的坯體。模壓成型的優(yōu)點(diǎn)在于可以制備出形狀較為復(fù)雜的刀具坯體，能夠滿足不同切削加工的需求。通過設(shè)計(jì)不同的模具，可以生產(chǎn)出各種形狀的刀具，如車刀、銑刀、鉆頭等。燒結(jié)是粉末冶金工藝的核心環(huán)節(jié)，其目的是通過高溫處理，使坯體中的粉末顆粒之間發(fā)生原子擴(kuò)散和結(jié)合，從而提高坯體的密度和強(qiáng)度。傳統(tǒng)的燒結(jié)方式主要有無壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)。無壓燒結(jié)是在常壓下將坯體加熱到一定溫度并保溫一段時(shí)間。這種燒結(jié)方式設(shè)備簡單，成本較低。在無壓燒結(jié)過程中，由于沒有外界壓力的作用，粉末顆粒的致密化主要依靠原子的擴(kuò)散和重排。這就導(dǎo)致無壓燒結(jié)需要較高的溫度和較長的保溫時(shí)間，一般燒結(jié)溫度在1400-1600℃之間，保溫時(shí)間為2-4小時(shí)。長時(shí)間的高溫?zé)Y(jié)容易使晶粒長大，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降。無壓燒結(jié)制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，其晶粒尺寸可能會達(dá)到5-10μm，這會降低刀具的硬度和韌性。熱壓燒結(jié)則是在燒結(jié)過程中同時(shí)施加壓力。壓力的存在可以促進(jìn)粉末顆粒的流動和重排，降低燒結(jié)溫度和縮短保溫時(shí)間。熱壓燒結(jié)的溫度一般在1300-1500℃之間，保溫時(shí)間為1-2小時(shí)。與無壓燒結(jié)相比，熱壓燒結(jié)能夠獲得更高的致密度和更好的力學(xué)性能。在熱壓燒結(jié)過程中，壓力可以使粉末顆粒之間的接觸更加緊密，加速原子擴(kuò)散，從而提高材料的致密化程度。熱壓燒結(jié)制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，其致密度可以達(dá)到98%以上，晶粒尺寸也相對較小，一般在2-5μm之間，這使得刀具的硬度、韌性和抗彎強(qiáng)度等性能都得到了顯著提高。熱壓燒結(jié)需要專門的設(shè)備，成本較高，而且模具的使用壽命較短，限制了其大規(guī)模生產(chǎn)。傳統(tǒng)粉末冶金制備工藝雖然能夠制備出Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，但存在一些明顯的局限性。如前文所述，傳統(tǒng)燒結(jié)方式容易導(dǎo)致晶粒長大，降低材料的性能。傳統(tǒng)工藝制備的刀具在硬度、韌性和耐磨性等方面難以達(dá)到現(xiàn)代制造業(yè)對高性能刀具的要求。在高速切削和加工難加工材料時(shí)，刀具的磨損較快，使用壽命較短。傳統(tǒng)工藝的生產(chǎn)效率較低，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，對刀具性能和生產(chǎn)效率的要求越來越高，因此需要探索新型的制備工藝來克服傳統(tǒng)工藝的不足。3.2.2新型制備工藝探索新型制備工藝的探索為提高Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具性能開辟了新途徑，放電等離子燒結(jié)（SPS）和熱等靜壓（HIP）等工藝展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。放電等離子燒結(jié)（SPS）是一種利用脈沖電流產(chǎn)生的焦耳熱和外加壓力實(shí)現(xiàn)材料快速燒結(jié)的新型技術(shù)。在SPS過程中，將原料粉末裝入石墨模具，置于真空或保護(hù)氣氛中。通過上下電極通入脈沖直流電流，粉末顆粒在瞬間產(chǎn)生的高溫和壓力作用下迅速燒結(jié)。SPS具有加熱速度快的顯著特點(diǎn)，升溫速率可達(dá)100-500℃/min，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燒結(jié)工藝?？焖偌訜崾沟梅勰╊w粒在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到燒結(jié)溫度，有效抑制了晶粒的長大。研究表明，采用SPS制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，其晶粒尺寸可控制在1μm以下，相比傳統(tǒng)工藝大幅減小。SPS的燒結(jié)時(shí)間極短，一般在幾分鐘到幾十分鐘之間，而傳統(tǒng)燒結(jié)工藝往往需要數(shù)小時(shí)。短時(shí)間的燒結(jié)過程不僅提高了生產(chǎn)效率，還減少了元素的擴(kuò)散和偏析，使材料的組織結(jié)構(gòu)更加均勻。在SPS燒結(jié)Ti(C,N)基金屬陶瓷時(shí)，由于燒結(jié)時(shí)間短，粘結(jié)相和硬質(zhì)相能夠保持較好的分布狀態(tài)，避免了長時(shí)間燒結(jié)導(dǎo)致的成分不均勻問題，從而提高了材料的綜合性能。SPS制備的刀具硬度可達(dá)到1800-2000HV，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1500-1800MPa，在切削性能方面表現(xiàn)出色。在高速切削合金鋼時(shí)，SPS制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的磨損率比傳統(tǒng)工藝制備的刀具降低了30%-50%，刀具壽命顯著延長。熱等靜壓（HIP）工藝則是在高溫高壓的等靜壓環(huán)境下對材料進(jìn)行燒結(jié)。將經(jīng)過預(yù)處理的原料粉末裝入彈性包套中，放入高壓容器內(nèi)。在高溫（一般為1200-1400℃）和高壓（通常為100-200MPa）的共同作用下，粉末在各個(gè)方向上受到均勻的壓力而致密化。HIP的優(yōu)勢在于能夠有效消除材料內(nèi)部的孔隙和缺陷。在高溫高壓下，粉末顆粒之間的接觸更加緊密，原子擴(kuò)散充分，孔隙被填充，從而提高了材料的致密度。采用HIP制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，其致密度可接近理論密度，達(dá)到99%以上。HIP還能改善材料的組織結(jié)構(gòu)，使硬質(zhì)相和粘結(jié)相之間的結(jié)合更加緊密。在等靜壓的作用下，硬質(zhì)相均勻地分布在粘結(jié)相中，增強(qiáng)了材料的力學(xué)性能。HIP制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具具有較高的韌性和抗彎強(qiáng)度，其斷裂韌性可比傳統(tǒng)工藝制備的刀具提高20%-30%。在承受沖擊載荷時(shí)，HIP制備的刀具表現(xiàn)出更好的抗斷裂能力，減少了刀具在切削過程中的崩刃和斷裂現(xiàn)象。HIP工藝設(shè)備昂貴，生產(chǎn)成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。但在對刀具性能要求極高的領(lǐng)域，如航空航天、精密機(jī)械加工等，HIP工藝制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具仍具有重要的應(yīng)用價(jià)值。3.2.3工藝參數(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)的優(yōu)化對于提升Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具性能至關(guān)重要，通過實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法，能夠精準(zhǔn)調(diào)控?zé)Y(jié)溫度、時(shí)間、壓力等參數(shù)，以獲得最佳性能。在燒結(jié)溫度方面，它對Ti(C,N)基金屬陶瓷的組織結(jié)構(gòu)和性能有著顯著影響。當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，原子的擴(kuò)散速率較慢，粉末顆粒之間的結(jié)合不夠緊密，材料的致密度較低，硬度和強(qiáng)度也相應(yīng)較低。隨著燒結(jié)溫度的升高，原子擴(kuò)散加劇，顆粒之間的結(jié)合力增強(qiáng)，材料的致密度和硬度逐漸提高。過高的燒結(jié)溫度會導(dǎo)致晶粒異常長大，使材料的韌性下降。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對于添加TaC、NbC等碳化物的Ti(C,N)基金屬陶瓷，在1350-1450℃的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，能夠獲得較好的綜合性能。在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，材料的致密度可達(dá)到98%以上，硬度在1600-1800HV之間，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1300-1500MPa。當(dāng)燒結(jié)溫度為1400℃時(shí)，刀具在切削過程中表現(xiàn)出較好的耐磨性和抗沖擊性，能夠滿足大多數(shù)切削加工的需求。燒結(jié)時(shí)間同樣是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。較短的燒結(jié)時(shí)間無法使粉末充分燒結(jié)，材料內(nèi)部可能存在較多孔隙和缺陷，影響材料性能。而燒結(jié)時(shí)間過長，不僅會增加生產(chǎn)成本，還會導(dǎo)致晶粒長大，降低材料的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)表明，對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，在合適的燒結(jié)溫度下，燒結(jié)時(shí)間控制在1-2小時(shí)較為適宜。在1400℃燒結(jié)溫度下，燒結(jié)時(shí)間為1.5小時(shí)時(shí)，材料的組織結(jié)構(gòu)均勻，晶粒尺寸細(xì)小且分布均勻，此時(shí)刀具的綜合性能最佳。壓力對Ti(C,N)基金屬陶瓷的燒結(jié)過程和性能也有著重要作用。在熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)中，壓力能夠促進(jìn)粉末顆粒的流動和重排，加速原子擴(kuò)散，提高材料的致密化程度。壓力過大可能會導(dǎo)致模具損壞，增加生產(chǎn)成本，還可能使材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低材料性能。通過模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定在熱壓燒結(jié)時(shí)，壓力控制在30-50MPa較為合適。在這個(gè)壓力范圍內(nèi)，能夠有效提高材料的致密度和力學(xué)性能。當(dāng)壓力為40MPa時(shí)，Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的致密度達(dá)到98.5%，抗彎強(qiáng)度提高了15%-20%，在切削過程中表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和可靠性。通過響應(yīng)面法等優(yōu)化方法，可以綜合考慮多個(gè)工藝參數(shù)之間的交互作用。建立工藝參數(shù)與材料性能之間的數(shù)學(xué)模型，通過對模型的分析和優(yōu)化，找到最佳的工藝參數(shù)組合。利用響應(yīng)面法對燒結(jié)溫度、時(shí)間和壓力進(jìn)行優(yōu)化，得到在燒結(jié)溫度為1420℃、燒結(jié)時(shí)間為1.3小時(shí)、壓力為42MPa時(shí)，Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的綜合性能最優(yōu)，其硬度、韌性和抗彎強(qiáng)度等性能指標(biāo)都達(dá)到了較好的平衡，能夠滿足現(xiàn)代制造業(yè)對高性能刀具的需求。3.3刀具成型與后處理3.3.1刀具成型方法刀具成型方法的選擇對Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的性能和生產(chǎn)效率有著重要影響，常見的成型方法包括模壓成型和注射成型等，它們各自具有獨(dú)特的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。模壓成型是一種較為傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛的成型方法。在模壓成型過程中，將經(jīng)過預(yù)處理的Ti(C,N)基金屬陶瓷原料粉末放入特定模具中。通過壓力機(jī)施加壓力，使粉末在模具內(nèi)壓實(shí)成型。壓力通常在100-300MPa之間，在這個(gè)壓力范圍內(nèi)，粉末能夠較好地填充模具型腔，形成具有一定形狀和強(qiáng)度的坯體。模壓成型的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡單，成本相對較低。對于形狀較為簡單、尺寸較大的刀具，如普通車刀、銑刀等，模壓成型能夠高效地制備出符合要求的坯體。通過調(diào)整模具的形狀和尺寸，可以生產(chǎn)出不同規(guī)格的刀具坯體，滿足多樣化的加工需求。模壓成型也存在一些局限性。由于壓力傳遞的不均勻性，坯體可能會出現(xiàn)密度分布不均勻的情況，這會影響刀具的性能一致性。在成型過程中，粉末之間的結(jié)合主要依靠壓力，坯體的強(qiáng)度相對較低，在后續(xù)的搬運(yùn)和加工過程中容易出現(xiàn)破損。對于形狀復(fù)雜的刀具，模壓成型難以保證坯體的精度和質(zhì)量，因?yàn)閺?fù)雜形狀的模具制造難度大，且在成型過程中粉末難以均勻填充模具的各個(gè)部位。注射成型是一種適用于制造高精度、復(fù)雜形狀刀具的成型方法。在注射成型中，將原料粉末與適量的粘結(jié)劑混合，制成具有良好流動性的注射料。通過注射機(jī)將注射料注入到精密模具型腔中，在一定的溫度和壓力下使其成型。注射成型的溫度一般在150-250℃之間，壓力在50-150MPa左右。這種成型方法能夠精確控制坯體的尺寸和形狀，對于制造具有復(fù)雜幾何形狀的刀具，如異形銑刀、精密鉆頭等，注射成型具有明顯的優(yōu)勢。注射成型制備的坯體密度均勻，內(nèi)部缺陷少，能夠提高刀具的性能和可靠性。由于注射成型可以實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，適合大規(guī)模生產(chǎn)。注射成型也存在一些缺點(diǎn)。粘結(jié)劑的選擇和添加量對坯體質(zhì)量和后續(xù)燒結(jié)過程有重要影響。如果粘結(jié)劑選擇不當(dāng)或添加量過多，在燒結(jié)過程中可能會產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致坯體出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。注射成型設(shè)備昂貴，模具制造復(fù)雜，成本較高，這限制了其在一些對成本敏感的領(lǐng)域的應(yīng)用。3.3.2后處理工藝及作用后處理工藝在Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的性能提升和精度保障方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，回火、磨削、拋光等工藝能夠從不同角度改善刀具性能?；鼗鹗且环N重要的后處理工藝，通常在刀具燒結(jié)成型后進(jìn)行。回火溫度一般在500-700℃之間，保溫時(shí)間為1-3小時(shí)。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，能夠消除刀具內(nèi)部的殘余應(yīng)力。在燒結(jié)和成型過程中，刀具內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力集中，這些殘余應(yīng)力可能會導(dǎo)致刀具在使用過程中出現(xiàn)變形、開裂等問題。通過回火處理，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，能夠使應(yīng)力得到釋放，提高刀具的尺寸穩(wěn)定性?；鼗疬€可以改善刀具的組織結(jié)構(gòu)。在回火過程中，硬質(zhì)相和粘結(jié)相之間的界面結(jié)合力增強(qiáng)，粘結(jié)相的韌性得到提高，從而提升刀具的綜合力學(xué)性能。經(jīng)過回火處理的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性可以提高10%-15%，在切削過程中能夠更好地承受沖擊載荷，減少刀具的破損。磨削是提高刀具精度和表面質(zhì)量的關(guān)鍵工藝。在磨削過程中，使用砂輪等磨削工具對刀具進(jìn)行加工。通過控制磨削參數(shù)，如磨削速度、進(jìn)給量和磨削深度等，可以精確控制刀具的尺寸精度。對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，尺寸精度要求通常在±0.01mm以內(nèi)，通過磨削工藝能夠滿足這一高精度要求。磨削還可以改善刀具的表面粗糙度。合適的磨削參數(shù)可以使刀具表面粗糙度達(dá)到Ra0.1-0.5μm，降低刀具與工件之間的摩擦力，減少切削熱的產(chǎn)生，提高切削效率和加工表面質(zhì)量。在切削過程中，表面粗糙度低的刀具能夠減少積屑瘤的產(chǎn)生，使加工表面更加光潔，提高工件的尺寸精度和表面質(zhì)量。拋光是進(jìn)一步提高刀具表面質(zhì)量的后處理工藝。常用的拋光方法有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光和電解拋光等。機(jī)械拋光通過拋光輪和拋光膏對刀具表面進(jìn)行摩擦拋光，能夠去除刀具表面的微觀劃痕和缺陷，使表面更加光滑?；瘜W(xué)拋光和電解拋光則是利用化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)去除刀具表面的微小凸起，達(dá)到拋光的目的。經(jīng)過拋光處理后，刀具表面粗糙度可以降低至Ra0.01-0.1μm，極大地提高了刀具的表面質(zhì)量。高表面質(zhì)量的刀具在切削過程中具有更低的摩擦系數(shù)，能夠減少刀具的磨損，延長刀具壽命。在高速切削和精密加工中，拋光后的刀具能夠更好地保證加工精度和表面質(zhì)量，滿足高端制造業(yè)對刀具的嚴(yán)苛要求。四、Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的性能表征與分析4.1微觀結(jié)構(gòu)表征4.1.1金相顯微鏡觀察金相顯微鏡作為材料微觀結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)工具，在研究Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的微觀組織結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要作用。其工作原理基于光的折射和反射，當(dāng)光線透過樣品時(shí)，由于樣品不同組織結(jié)構(gòu)對光線的吸收、折射和散射程度不同，從而在顯微鏡視野中呈現(xiàn)出不同的明暗對比，進(jìn)而可觀察到材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。在對Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具進(jìn)行金相顯微鏡觀察時(shí)，首先需要對刀具樣品進(jìn)行精心制備。制備過程包括取樣、粗磨、精磨、拋光和浸蝕等多個(gè)步驟。取樣時(shí)，需根據(jù)研究目的，從刀具的關(guān)鍵部位，如切削刃、刀體等選取具有代表性的樣品。粗磨使用粗磨機(jī)去除樣品表面的氧化層和雜質(zhì)，初步磨平樣品表面。精磨則使用更細(xì)粒度的磨料進(jìn)一步磨平樣品，使表面更加光滑，為后續(xù)的拋光做準(zhǔn)備。拋光是通過拋光機(jī)和拋光膏對樣品進(jìn)行高精度處理，確保表面光潔無痕，以減少表面粗糙度對觀察結(jié)果的影響。浸蝕是金相樣品制備的關(guān)鍵步驟，將拋光后的樣品浸入合適的腐蝕劑中，使材料的微觀組織結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出來。對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，常用的腐蝕劑有王水、氫氟酸和硝酸的混合溶液等。腐蝕劑與樣品表面的不同相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使不同相的溶解速度產(chǎn)生差異，從而在樣品表面形成微觀起伏，在金相顯微鏡下呈現(xiàn)出清晰的組織結(jié)構(gòu)。通過金相顯微鏡觀察，可以獲取Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具微觀組織結(jié)構(gòu)的豐富信息。晶粒尺寸是一個(gè)重要參數(shù)，它對刀具的性能有著顯著影響。利用金相顯微鏡的圖像分析功能，可測量晶粒的平均尺寸和尺寸分布。研究發(fā)現(xiàn)，在采用放電等離子燒結(jié)（SPS）工藝制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具中，晶粒尺寸明顯小于傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)工藝制備的刀具。SPS工藝制備的刀具平均晶粒尺寸約為0.8μm，而熱壓燒結(jié)工藝制備的刀具平均晶粒尺寸在2-3μm之間。較小的晶粒尺寸增加了晶界面積，阻礙了位錯運(yùn)動，提高了刀具的強(qiáng)度和韌性。晶粒形狀也是金相顯微鏡觀察的重要內(nèi)容。Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具中的晶粒形狀多樣，有等軸狀、長條狀等。等軸狀晶粒分布均勻，使材料在各個(gè)方向上的性能較為一致；而長條狀晶粒可能會導(dǎo)致材料性能的各向異性。在一些含有定向排列增強(qiáng)相的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具中，晶粒會呈現(xiàn)出一定的取向性，這種取向性會影響刀具在不同方向上的切削性能。晶粒分布的均勻性同樣對刀具性能至關(guān)重要。均勻分布的晶粒能夠使刀具在受力時(shí)均勻承擔(dān)載荷，避免應(yīng)力集中。在金相顯微鏡下，可以直觀地觀察到晶粒的分布情況。如果晶粒分布不均勻，可能會出現(xiàn)局部區(qū)域晶粒聚集或稀疏的現(xiàn)象，這會降低刀具的力學(xué)性能。在一些制備工藝不完善的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具中，可能會出現(xiàn)粘結(jié)相分布不均勻的情況，導(dǎo)致部分區(qū)域晶粒之間的結(jié)合力較弱，在切削過程中容易發(fā)生裂紋擴(kuò)展和斷裂。4.1.2掃描電鏡（SEM）分析掃描電鏡（SEM）以其獨(dú)特的工作原理和高分辨率成像能力，成為深入研究Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具微觀結(jié)構(gòu)的有力工具。SEM利用高能電子束掃描樣品表面，與樣品相互作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號，這些信號被探測器接收并轉(zhuǎn)化為圖像，從而呈現(xiàn)出樣品表面的微觀形貌。在觀察Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的表面形貌時(shí)，SEM能夠提供高分辨率的微觀圖像。從SEM圖像中，可以清晰地看到刀具表面的細(xì)節(jié)特征，如晶粒的邊界、硬質(zhì)相和粘結(jié)相的分布情況等。對于采用不同制備工藝的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，其表面形貌存在明顯差異。采用熱等靜壓（HIP）工藝制備的刀具，表面晶粒排列緊密，晶界清晰，且粘結(jié)相均勻分布在硬質(zhì)相周圍，使刀具表面呈現(xiàn)出致密的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)镠IP工藝在高溫高壓下，能夠使粉末顆粒充分致密化，減少內(nèi)部孔隙和缺陷。而在一些傳統(tǒng)無壓燒結(jié)制備的刀具中，表面可能存在較多的孔隙和微裂紋，這是由于無壓燒結(jié)過程中，粉末顆粒的致密化主要依靠原子的擴(kuò)散，難以完全消除內(nèi)部缺陷。這些孔隙和微裂紋會降低刀具的強(qiáng)度和耐磨性，在切削過程中容易引發(fā)裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致刀具失效。SEM還可以通過與能譜儀（EDS）聯(lián)用，對Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的相組成進(jìn)行精確分析。EDS利用電子束激發(fā)樣品中的元素產(chǎn)生特征X射線，通過檢測X射線的能量和強(qiáng)度，確定樣品中元素的種類和含量。通過EDS分析，可以明確刀具中Ti(C,N)、WC、Mo?C、VC等硬質(zhì)相以及Co、Ni等粘結(jié)相的成分和分布情況。在一種添加了TaC和NbC的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具中，通過EDS分析發(fā)現(xiàn)，TaC和NbC均勻地分布在Ti(C,N)固溶體中，與粘結(jié)相緊密結(jié)合。TaC和NbC的添加不僅細(xì)化了晶粒，還提高了刀具的高溫硬度和耐磨性。TaC和NbC的高硬度和熱穩(wěn)定性，使其在高溫切削過程中能夠有效抵抗磨損，增強(qiáng)刀具的切削性能。界面結(jié)構(gòu)是影響Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具性能的關(guān)鍵因素之一，SEM能夠?qū)ζ溥M(jìn)行深入研究。在SEM高分辨率圖像下，可以清晰觀察到硬質(zhì)相和粘結(jié)相之間的界面特征。良好的界面結(jié)合能夠有效地傳遞載荷，提高刀具的力學(xué)性能。在一些經(jīng)過優(yōu)化制備工藝的刀具中，硬質(zhì)相和粘結(jié)相之間形成了緊密的冶金結(jié)合，界面處沒有明顯的間隙和缺陷。這種緊密的界面結(jié)合使得刀具在受力時(shí)，硬質(zhì)相和粘結(jié)相能夠協(xié)同工作，共同承擔(dān)載荷，從而提高刀具的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。而在界面結(jié)合不良的刀具中，界面處可能存在孔隙、雜質(zhì)等缺陷，這些缺陷會成為應(yīng)力集中點(diǎn)，在切削過程中容易引發(fā)界面脫粘，導(dǎo)致刀具性能下降。4.1.3透射電鏡（TEM）分析透射電鏡（TEM）憑借其極高的分辨率，能夠深入到材料微觀結(jié)構(gòu)的原子尺度層面，為探究Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及性能影響機(jī)制提供了獨(dú)特視角。TEM的工作原理是利用電子槍發(fā)射的高能電子束穿透樣品，由于樣品不同部位對電子的散射能力不同，在熒光屏或探測器上形成明暗不同的圖像，從而展現(xiàn)出樣品內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。借助TEM，可以細(xì)致觀察到Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具微觀結(jié)構(gòu)中的位錯。位錯是晶體中的一種線缺陷，對材料的力學(xué)性能有著重要影響。在Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具中，位錯的密度、分布和運(yùn)動狀態(tài)會影響刀具的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)?shù)毒呤艿酵饬ψ饔脮r(shí)，位錯會發(fā)生運(yùn)動和交互作用。如果位錯能夠均勻分布且運(yùn)動相對自由，材料能夠通過位錯的滑移和攀移來協(xié)調(diào)變形，從而提高刀具的韌性。在一些經(jīng)過適當(dāng)熱處理的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具中，位錯密度適中且分布均勻，在受力時(shí)能夠有效地吸收和分散能量，避免裂紋的快速擴(kuò)展，提高了刀具的抗斷裂能力。而位錯的聚集或塞積會導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低刀具的強(qiáng)度。在制備過程中，如果工藝參數(shù)控制不當(dāng)，可能會導(dǎo)致位錯大量聚集在晶界或相界處，形成應(yīng)力集中源，在切削過程中容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，降低刀具的使用壽命。孿晶也是TEM觀察的重要微觀結(jié)構(gòu)特征之一。孿晶是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這一公共晶面稱為孿晶面。在Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具中，孿晶的存在會影響材料的變形行為和力學(xué)性能。孿晶能夠阻礙位錯運(yùn)動，增加材料的強(qiáng)度。當(dāng)位錯運(yùn)動到孿晶界面時(shí)，由于孿晶界的特殊原子排列，位錯難以穿過，從而使材料的強(qiáng)度提高。孿晶還可以在一定程度上提高材料的韌性。在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，孿晶可以通過自身的變形來吸收能量，延緩裂紋的擴(kuò)展，提高刀具的抗沖擊性能。在一些高速切削用的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具中，適量的孿晶能夠有效提高刀具在高速切削過程中的可靠性，減少刀具的崩刃和斷裂現(xiàn)象。通過TEM對Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具微觀結(jié)構(gòu)的深入觀察，可以更深入地理解微觀結(jié)構(gòu)對性能的影響機(jī)制。微觀結(jié)構(gòu)中的各種缺陷和特征相互作用，共同決定了刀具的性能。位錯和孿晶的存在會影響材料的變形機(jī)制，進(jìn)而影響刀具的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。通過對這些微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的研究，可以為優(yōu)化刀具的制備工藝提供理論依據(jù)。在制備過程中，可以通過調(diào)整工藝參數(shù)，如燒結(jié)溫度、壓力、時(shí)間等，來控制位錯和孿晶的產(chǎn)生和分布，從而實(shí)現(xiàn)對刀具性能的精準(zhǔn)調(diào)控。合理的工藝參數(shù)可以使位錯均勻分布，促進(jìn)孿晶的形成，提高刀具的綜合性能，滿足不同切削工況對刀具性能的要求。4.2力學(xué)性能測試4.2.1硬度測試硬度作為材料抵抗局部塑性變形的能力指標(biāo)，對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具而言，是衡量其切削性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。在本研究中，采用洛氏硬度和維氏硬度測試方法，對Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具的硬度進(jìn)行精確測定。洛氏硬度測試依據(jù)的是壓痕法原理，通過將金剛石圓錐或鋼球壓頭在規(guī)定的初始試驗(yàn)力和主試驗(yàn)力作用下，壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除主試驗(yàn)力，測量在初始試驗(yàn)力下的殘余壓痕深度，從而計(jì)算出洛氏硬度值。在進(jìn)行洛氏硬度測試時(shí)，選擇合適的標(biāo)尺至關(guān)重要。對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，通常選用HRA標(biāo)尺，該標(biāo)尺適用于高硬度材料的測試，其壓頭為金剛石圓錐，初始試驗(yàn)力為98.07N，主試驗(yàn)力為490.3N。在測試過程中，為確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對每個(gè)試樣進(jìn)行多次測量，一般測量5-7次，取其平均值作為該試樣的洛氏硬度值。維氏硬度測試同樣基于壓痕法原理，它利用正四棱錐形金剛石壓頭，在一定試驗(yàn)力作用下，壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測量壓痕對角線長度，根據(jù)公式計(jì)算出維氏硬度值。維氏硬度測試的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)力可在較大范圍內(nèi)選擇，適用于不同硬度范圍和不同尺寸的材料測試。對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，試驗(yàn)力一般選擇5-10kgf。在測試時(shí)，同樣需要對每個(gè)試樣進(jìn)行多次測量，以提高測試結(jié)果的可靠性。通過對不同成分和微觀結(jié)構(gòu)的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具進(jìn)行硬度測試，深入分析硬度與成分、微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，隨著TiC含量的增加，刀具的硬度呈現(xiàn)上升趨勢。這是因?yàn)門iC具有極高的硬度，增加TiC含量可提高材料中硬質(zhì)相的比例，從而增強(qiáng)刀具的硬度。當(dāng)TiC含量從60%增加到70%時(shí)，刀具的維氏硬度從1600HV提高到1750HV。添加TaC、NbC等碳化物也能顯著提高刀具的硬度。TaC和NbC的高硬度和細(xì)小顆粒尺寸，能夠彌散分布在Ti(C,N)基金屬陶瓷基體中，阻礙位錯運(yùn)動，起到強(qiáng)化作用。在添加5%TaC和3%NbC后，刀具的洛氏硬度HRA從88提高到90。微觀結(jié)構(gòu)對硬度的影響也十分顯著。細(xì)小的晶粒尺寸能夠增加晶界面積，晶界具有阻礙位錯運(yùn)動的作用，從而提高材料的硬度。采用放電等離子燒結(jié)（SPS）工藝制備的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，由于其晶粒尺寸細(xì)小，平均晶粒尺寸約為0.8μm，其硬度明顯高于傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)工藝制備的刀具。SPS工藝制備的刀具維氏硬度比傳統(tǒng)工藝制備的刀具高出100-200HV。均勻的相分布也有利于提高硬度。當(dāng)硬質(zhì)相和粘結(jié)相均勻分布時(shí)，材料在受力時(shí)能夠更均勻地承擔(dān)載荷，避免局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的硬度下降。在一些相分布不均勻的刀具中，由于局部區(qū)域硬質(zhì)相聚集或粘結(jié)相不足，導(dǎo)致該區(qū)域硬度降低，從而影響刀具的整體切削性能。4.2.2韌性測試韌性是衡量Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具抵抗斷裂能力的重要力學(xué)性能指標(biāo)，對于刀具在切削過程中的可靠性和使用壽命有著關(guān)鍵影響。在本研究中，通過沖擊試驗(yàn)和斷裂韌性測試等方法，全面評估刀具的韌性，并深入研究提高韌性的有效途徑。沖擊試驗(yàn)是一種常用的韌性測試方法，其原理是利用擺錘沖擊試樣，使試樣在短時(shí)間內(nèi)承受巨大的沖擊能量，通過測量試樣斷裂時(shí)所吸收的沖擊功來評估其韌性。在進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，采用夏比沖擊試驗(yàn)方法，將Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具加工成標(biāo)準(zhǔn)的夏比沖擊試樣，尺寸一般為10mm×10mm×55mm，帶有V型或U型缺口。將試樣放置在沖擊試驗(yàn)機(jī)的支座上，釋放擺錘，使其自由落下沖擊試樣。沖擊功的大小與試樣的材料特性、微觀結(jié)構(gòu)以及缺口形狀和尺寸等因素密切相關(guān)。對于Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，沖擊功越大，表明其韌性越好，在承受沖擊載荷時(shí)越不容易發(fā)生斷裂。斷裂韌性測試則是通過測量材料在裂紋擴(kuò)展過程中抵抗斷裂的能力來評估韌性。常用的斷裂韌性測試方法有單邊切口梁法（SENB）和壓痕法等。單邊切口梁法是在試樣上預(yù)制一條尖銳的裂紋，然后在三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲加載條件下