駱傳躍，鄭光明，楊先海，張國(guó)棟，劉煥寶，趙光喜

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255000；2.山東耀華特耐科技有限公司，濱州 256619)

0 引言

陶瓷刀具以高硬度、耐磨性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速切削高溫合金[1-2]，但其抵抗塑性變形和溝槽磨損的能力較差[3-4]。為了降低刀具磨損，延長(zhǎng)刀具壽命，各大公司都在提升刀具性能[5]。

目前對(duì)刀具的表面處理技術(shù)主要有深冷處理、激光處理以及微噴砂處理等[6]。對(duì)陶瓷刀具的表面處理研究較少[7]。微噴砂技術(shù)是以傳統(tǒng)噴砂為基礎(chǔ)，采用微米級(jí)尺寸磨料在磨液泵的作用下進(jìn)行表面處理[8]。微噴砂處理具有操作簡(jiǎn)單、靈活、效率高以及磨料利用率高等優(yōu)點(diǎn)[9]。對(duì)涂層刀具進(jìn)行微噴砂處理，可以改善涂層表面粗糙度的一致性，提高涂層表層硬度，使涂層表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，抑制表面裂紋的產(chǎn)生[10]。采用二氧化硅對(duì)氧化鋯陶瓷表面進(jìn)行干式噴丸處理，發(fā)現(xiàn)氧化鋯陶瓷表面的硬度降低，粗糙度提高，斷裂韌度提高，表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[11]。研究了微噴砂強(qiáng)化切削刃對(duì)刀具切削性能影響，發(fā)現(xiàn)切削刃強(qiáng)化后刀片切削壽命提高，工件加工表面粗糙度降低[12]。

噴砂時(shí)間影響磨料對(duì)刀具表面的覆蓋情況，噴砂時(shí)間越長(zhǎng)，磨料對(duì)刀具表面覆蓋越高[13]。微噴砂用于工件表面加工時(shí)，噴砂時(shí)間越長(zhǎng)，工件表面材料去除量越高；微噴砂用于工件表面清理、強(qiáng)化時(shí)，噴砂時(shí)間越長(zhǎng)，工件表面清理越徹底，力學(xué)性能越好[10]。本文對(duì)Sialon基陶瓷刀具進(jìn)行微噴砂處理試驗(yàn)，分析微噴砂時(shí)間對(duì)陶瓷刀具表面完整性的影響規(guī)律，為以后高效微噴砂處理陶瓷刀具表面提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

刀具材料為KYOCERA陶瓷刀具，牌號(hào)為KS6030，型號(hào)RNGN120700E003。磨料為二氧化鋯(ZrO2)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 ZrO2磨料具體參數(shù)

采用9080-2W-ZSK自動(dòng)液體噴砂機(jī)，噴砂機(jī)由控制面板、工件夾具、噴槍組件以及壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成。噴砂角度為90°，噴砂壓強(qiáng)為0.1～0.5 MPa，自動(dòng)液體噴砂機(jī)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)液體噴砂機(jī)

1.2 試驗(yàn)方案及檢測(cè)方法

采用單因素試驗(yàn)方案進(jìn)行微噴砂處理，噴砂時(shí)間T=1 min、2 min、3 min、4 min、5 min、6 min，壓強(qiáng)P=0.4 MPa。

采用HVS-50數(shù)顯自動(dòng)轉(zhuǎn)塔維氏硬度計(jì)測(cè)量表面硬度以及根據(jù)壓痕裂紋長(zhǎng)度計(jì)算斷裂韌度；X射線衍射應(yīng)力儀Stresstech Xstress 3000 G2R測(cè)量表面殘余應(yīng)力；QUANTA FEG 250型電子掃描顯微鏡(SEM)觀察表面形貌；WYKO NT9300光學(xué)輪廓儀測(cè)量表面粗糙度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀形貌

如圖2所示，陶瓷刀具原表面存在較多的孔隙、凹坑以及粘結(jié)物等微觀缺陷，噴砂2 min后，陶瓷刀具表面的孔隙、凹坑等大缺陷得到改善，但表面還留有許多噴砂后的溝痕；噴砂4 min后，表面的大溝痕轉(zhuǎn)變?yōu)楦辔⑿〉臏虾酆桶伎樱粐娚? min后，表面許多微小溝痕得到大幅度改善。ZrO2為球狀結(jié)構(gòu)，在0.4 MPa壓強(qiáng)下，磨料顆粒動(dòng)能較大，噴射到刀具表面后會(huì)沖擊表面，從而在表面留下微小的凹坑，隨著噴砂時(shí)間不斷延長(zhǎng)，陶瓷刀具表面的微觀缺陷得到改善，表面微觀形貌最終趨于一致。

(a) 原表面 (b) T=2 min

(c) T=4 min (d) T=6 min 圖2 陶瓷刀具表面微觀形貌

2.2 表面粗糙度

如圖3所示，不同噴砂時(shí)間對(duì)陶瓷刀具表面粗糙度的影響程度不同。隨著噴砂時(shí)間的延長(zhǎng)，陶瓷刀具表面粗糙度值呈增大趨勢(shì)。噴砂時(shí)間越長(zhǎng)，磨料顆粒ZrO2對(duì)陶瓷刀具表面覆蓋率越高，撞擊表面次數(shù)越多，因此隨著噴砂時(shí)間的延長(zhǎng)，表面粗糙度增大。

圖3 陶瓷刀具表面粗糙度變化曲線

2.3 維氏硬度

采用壓痕法[14]得維氏硬度計(jì)算式(1)，壓痕如圖4所示。

(1)

式中，HV為維氏硬度，GPa；P為壓痕載荷，N；2a為壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度，mm。

試驗(yàn)中硬度值測(cè)量5次取平均值。

圖4 維氏壓痕示意圖

如圖5所示，可以看出陶瓷刀具表面經(jīng)過微噴砂處理后，維氏硬度出現(xiàn)不同程度的降低。隨著噴砂時(shí)間的延長(zhǎng)，維氏硬度呈現(xiàn)出先減小后增大再減小趨勢(shì)。噴砂1 min時(shí)，陶瓷刀具表面維氏硬度與原表面相比下降10%，下降幅度最大；噴砂3 min時(shí)，陶瓷刀具表面維氏硬度與原表面相比下降約為3%，下降幅度最小?？傊瑖娚昂蟮牡毒弑砻媾c原表面相比硬度值呈下降趨勢(shì)，主要原因可能是隨著磨料顆粒不斷地沖擊刀具表面，致使刀具表面發(fā)生了韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

圖5 陶瓷刀具表面維氏硬度變化曲線

2.4 斷裂韌度

利用維氏硬度測(cè)量壓痕同時(shí)測(cè)量斷裂韌度，裂紋長(zhǎng)度記為2C1和2C2，然后取平均值2C。陶瓷刀具斷裂韌度取5次平均值。本試驗(yàn)采用文獻(xiàn)[15]導(dǎo)出的公式如式(2)所示。

(2)

式中，KIC為斷裂韌度，MPa·m1/2；a為兩對(duì)角線平均值的一半，mm；c為兩裂紋長(zhǎng)度平均值的一半，mm；HV為維氏硬度，GPa。

如圖6所示為不同噴砂時(shí)間下的陶瓷刀具表面斷裂韌度，可以得出，噴砂后的表面斷裂韌度呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì)。噴砂時(shí)間1～5 min時(shí)，陶瓷刀具表面的斷裂韌度都得到提高；噴砂4 min時(shí)，表面斷裂韌度與原表面相比提升最大為32%；噴砂6 min時(shí)，表面斷裂韌度與原表面相比下降7%。噴砂時(shí)間1～4 min時(shí)，刀具表面斷裂韌度呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì)，主要原因可能是磨料顆粒沖擊表面后，在刀具表面發(fā)生了韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象；噴砂時(shí)間大于4 min時(shí)，斷裂韌度開始下降，原因可能是磨料顆粒沖擊刀具表面的次數(shù)過多，破壞了韌脆轉(zhuǎn)變的條件。因此，選擇合適的噴砂時(shí)間，可以大幅度提高刀具表面的斷裂韌度。

圖6 陶瓷刀具表面斷裂韌度變化曲線

2.5 表面殘余應(yīng)力

如圖7所示為不同噴砂時(shí)間下陶瓷刀具表面殘余應(yīng)力的變化曲線圖?？梢钥闯觯娚疤幚砗蟮奶沾傻毒弑砻鏆堄鄩簯?yīng)力出現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。噴砂時(shí)間1～5 min時(shí)，陶瓷刀具表面殘余壓應(yīng)力與原表面相比都有不同程度的提高；噴砂4 min時(shí)，刀具表面殘余壓應(yīng)力提升最大為12%。噴砂6 min時(shí)，陶瓷刀具表面殘余壓應(yīng)力與原表面相比下降1.0%。殘余壓應(yīng)力增大的主要原因可能是磨料與水的混合物在高壓氣體的帶動(dòng)下沖擊刀具表面，使得刀具表面產(chǎn)生殘余應(yīng)變，進(jìn)而提高刀具表面殘余壓應(yīng)力，隨著噴砂時(shí)間的延長(zhǎng)，磨料顆粒沖擊表面的次數(shù)增多，殘余壓應(yīng)力逐漸增大；當(dāng)?shù)毒弑砻孢_(dá)到最大殘余壓應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，再繼續(xù)噴砂則破壞了刀具自身應(yīng)力的最佳狀態(tài)，導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力開始釋放。因此，選擇合理的噴砂時(shí)間不僅能夠使陶瓷刀具表面產(chǎn)生更大的殘余壓應(yīng)力，還可以有效抑制陶瓷刀具表面微裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)而提高刀具切削性能，延長(zhǎng)刀具壽命。

圖7 陶瓷刀具表面殘余應(yīng)力變化曲線

3 結(jié)論

通過對(duì)Sialon基陶瓷刀具表面進(jìn)行不同時(shí)間的噴砂處理，主要得出以下結(jié)論：

(1)隨著噴砂時(shí)間的延長(zhǎng)，丸狀磨料顆粒對(duì)刀具表面的覆蓋率提高，在表面留下更多的凹坑，表面粗糙度Ra增大。

(2)由于磨料顆粒不斷地沖擊表面，刀具表面可能發(fā)生了塑性變形，維氏硬度值與原表面相比呈下降趨勢(shì)；斷裂韌度與原表面相比呈上升趨勢(shì)，噴砂4 min時(shí)，表面斷裂韌度與原表面相比提升最大為32%。

(3)隨著噴砂時(shí)間的延長(zhǎng)，磨料與水的混合物在高壓氣體帶動(dòng)下不斷地沖擊刀具表面，在刀具表面產(chǎn)生殘余應(yīng)變，因此殘余壓應(yīng)力在噴砂1～4 min內(nèi)呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì)，當(dāng)?shù)毒弑砻娴臍堄鄩簯?yīng)力達(dá)到最大值510 MPa時(shí)，再繼續(xù)噴砂則破壞了刀具最佳的應(yīng)力狀態(tài)，殘余壓應(yīng)力開始釋放，因此殘余壓應(yīng)力在噴砂4 min后呈下降趨勢(shì)。

本文重點(diǎn)研究了噴砂時(shí)間對(duì)Sialon基陶瓷刀具表面完整性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在噴砂時(shí)間4 min、噴砂壓強(qiáng)0.4 MPa的條件下，可以獲得較高水平的表面完整性。后續(xù)將深入研究其它微噴砂工藝參數(shù)的影響，進(jìn)一步提升陶瓷刀具表面完整性。