刀具磨损机理探究与优化

1）硬质点磨损

硬质点磨损亦称机械磨损或磨料磨损，是由于工件材料中含有的硬质点（如碳化物、氮化物和氧化物）以及积屑瘤的碎片等，在刀具表面上划出沟纹而造成的磨损。

高速钢刀具的这种磨损比较显著，硬质合金刀具相对较少。

虽然在各种切削速度下，刀具都存在硬质点磨损，但它是低速切削刀具磨损的主要原因。

2）黏结磨损

黏结是指刀具与工件材料在足够大压力和高温作用下，所产生的“冷焊”现象，是摩擦面的新鲜表面原子间吸附的结果。两摩擦表面的黏结点因相对运动而被撕裂，若黏结点的破裂发生在刀具一方，则造成了刀具黏结磨损。

一般来说，黏结点的破裂往往发生在工件或切屑上。但刀具材料也可能有组织不均，存在内应力、微裂纹、空穴及局部软点等缺陷，所以刀具材料表面也会发生被工件材料带走造成的磨损。

各种刀具材料包括立方氮化硼和金刚石刀具都有可能发生黏结磨损。

切削温度是影响黏结磨损的主要因素。切削温度越高，黏结磨损越严重。

图4-48所示为不同硬质合金与钢的黏结温度曲线。由图可知，YT类硬质合金与钢的黏结温度比YG（不含TiC）类高，说明YT类硬质合金抗黏结性能好于YG类。故切削钢件时宜选用YT类硬质合金。

图4-48　不同硬质合金与钢的黏结温度曲线

3）扩散磨损

由于切削时处于高温，因此当两摩擦表面化学元素的浓度相差较大时，它们就可能在固态下相互扩散到对方去，从而改变刀具材料和工件材料的化学成分，使刀具材料变得脆弱而造成刀具磨损，这种磨损称为扩散磨损。(www.xing528.com)

例如，当切削温度达800℃以上时，一方面硬质合金中的C、W、Co等元素扩散到切屑中去而被带走，如图4-49所示。切屑中的Fe元素扩散到硬质合金表层，形成新的脆性低硬度复合碳化物；另一方面，硬质合金中的C扩散出去造成贫碳，使硬度降低，Co的扩散使其含量减小，降低了WC、TiC等碳化物与基体的黏结强度，这些都使刀具磨损加剧。但TiC的扩散能力不如WC，高温下反而会在表层生成TiO2保护层而阻碍扩散进行，故高速切钢宜选用YT类硬质合金。

图4-49　硬质合金与钢之间的扩散

（a）硬质合金的元素；（b）扩散过程

扩散磨损常常和黏结磨损同时产生。硬质合金刀具的前刀面上月牙洼最深处的温度最高，故该处的扩散速度也高，磨损快；月牙洼处又容易发生黏结，因此月牙洼磨损是由扩散和黏结磨损共同造成的。

扩散磨损速度主要与切削温度和刀具的化学成分有关系。由于YT类硬质合金的抗扩散能力优于YG类，故采用TiC和TiN的涂层刀片，可提高刀具表面的化学稳定性、减少扩散磨损。

4）化学磨损

在一定的切削温度下，刀具材料与周围介质的某些成分（如空气中的氧、切削液中的极压添加剂硫、氯等）会起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物被切屑带走，从而加速了刀具的磨损，这种磨损称为化学磨损。化学磨损又称氧化磨损。

例如，用金刚石刀具切削黑色金属时，当切削温度高达700℃时，刀具表面的碳原子将与空气中的氧发生强烈的化学反应，生成CO或CO2气体，从而加剧刀具的磨损。这是金刚石刀具在空气中不能切削黑色金属的一个主要原因。

综上所述，刀具磨损的主要原因是硬质点磨损、黏结磨损、扩散磨损和化学磨损。必须指出，对不同的刀具材料、工件材料和在不同的切削条件，造成磨损的主要原因是不同的，但切削温度是起主导作用的，因为除了硬质点磨损外，其余3种磨损原因均与切削温度密切相关。

图4-50为硬质合金刀具加工钢料时，在不同的切削速度（切削温度）下各种磨损所占比例示意图。在中低温时，以黏结磨损为主；高温时，扩散磨损和化学磨损的所占比例增大。

图4-50　切削速度对刀具磨损强度的影响

1—硬质点磨损；2—黏结磨损；3—扩散磨损；4—化学磨损。