传统切削加工中使用切削液的费用约占整个制造成本的16%，不仅如此，切削液的使用对环境的污染、对操作者身体健康的威胁已不容忽视，因此随着环境保护法规的日臻完善，绿色制造这一清洁生产方式将成为制造企业必须的选择。干切削是在机械加工中不使用任何切削液的加工方式，在加工中不使用切削液在带来有利之处的同时也恶化了加工条件，对刀具与机床系统的热稳定性、刀具的抗磨损能力提出了更高要求。现将纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具(以下简称纳米金属陶瓷刀具)应用于干切削中，研究其在无切削液条件下的切削性能。
1 纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具制造
TiC基金属陶瓷是上世纪70年代在WC-Co基硬质合金基础上发展起来的新型硬质合金，通常把Ni粘结的TiC基硬质合金称为金属陶瓷。细晶粒结构是保证金属陶瓷材料高强度与优良力学性能的基础，所以在纳米材料制造技术有了一定发展的前提下，采用纳米级细粉制造高性能材料成为材料研究的方向之一。 纳米金属陶瓷刀具成分 纳米金属陶瓷刀具成分为:53TiC-10TiN(nm)-18Mo-18Ni-1C，TiN纳米粉粒度为30～50nm。实验研究表明，各力学性能的峰值分别对应一定的纳米TiN的添加量。当添加量达到10%左右时，可获得较优的综合物理力学性能。
纳米陶瓷刀片制造 纳米陶瓷刀片的制作工艺可分为8道工序:分散→混合→球磨→干燥→造粒→冷压→烧结→磨制。 使用超声波仪分散TiN纳米粉。纳米粉具有极微小粒度和高表面活性，由于颗粒间存在范德瓦斯力和库仑力，极易凝聚成二次颗粒，使颗粒增大形成软团聚和硬团聚而失去超细颗粒所具备的功能。因此必须通过物理与化学工艺对纳米粉进行表面处理，使其在液体介质中充分发散。
在混合粉末中加入湿润介质后进行均匀混合。
在球磨机上对混合粉末进行研磨。可使粉末粒度进一步细化，也使混合粉末达到均匀混合。这是关键工序，粉末混合是否均匀将决定烧结成的刀片质量，影响刀具的抗弯强度。
对混合粉末进行干燥处理，使粉末充分干燥。
在混合粉末中加入粉末成型剂进行造粒。通过造粒以提高粉体的流动性、成型性和减小粉末在压制过程中的粘结摩擦。
采用冷压成型方法在专用模具中加压成型。可根据刀具类型选用不同的模具，冷压时压力要均匀，以保证材料有一致的致密度。与热压和热等静压粉末成型制作工艺比较，冷压成型工艺成本低廉，生产效率高。
在真空炉中将刀坯烧结成金属陶瓷刀具。烧结刀坯是整个制作过程的关键，真空炉中的真空度、烧结的温度以及时间必须精确，精确的温度与时间需要经过反复地实验以找到其最佳值。刀坯的烧结温度与时间对刀片的物理与力学性能有重要影响。
用工具磨床将刀坯磨制成标准机夹可转位刀片。金属陶瓷刀片的制造原理和工艺与WC-Co基硬质合金刀片基本类似，都采用液相烧结法。其中混合粉末的均匀混合与刀坯烧结是其中两个最为关键的步骤。

纳米TiN对TiC基金属陶瓷微观组织的影响 经上述工艺制作而成的纳米金属陶瓷刀片与未加纳米TiN的金属陶瓷刀片的显微结构的扫描电镜照片分别如图1、图2所示。
由图1、图2可见:与未加纳米TiC基金属陶瓷相比，加入纳米TiN的TiC基金属陶瓷材料组织明显细化，这主要因为纳米TiN在TiC/TiC晶界上的分布阻止了TiC晶粒的增大。TiN在金属陶瓷中一部分与TiC、Ni 等形成固溶体，覆盖在TiC的表面，一部分残留下来作为硬质相，当其处于“SS”相(surrounding structure环行相)时可阻止Mo向硬质相核心的扩散，使得硬质相核心粒度与“SS”的厚度都减小。同时TiN还可使得材料中出现液相的温度上升，从而可以抑制Ni 中Ti 和Mo 的扩散。这两方面的效应都促使了金属陶瓷晶粒的细化。此外，气孔率(图1、2中黑的部分)作为一个显微结构参数对刀具寿命的影响是显而易见的，使用定量显微技术可确定刀具中气孔率的体积百分比，刀具性能是随着气孔率的减少而提高的。 纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具的物理与力学性能 经上述工艺制得的刀具试样在DSC-5000型材料试验机上测得三点弯曲强度，在洛氏硬度仪上测得洛氏硬度值。

图4

图5

纳米陶瓷刀具、YG8、YT15刀具试样在常温下与45号钢的干摩擦系数用M-200磨损试验机测得。摩擦系数的测定是通过测量摩擦力矩而间接获得。如图3，当下试样运转时摩擦副之间产生摩擦力F，摩擦力矩标尺指示对应力矩M，依据公式(1)从而可以算出摩擦系数。 其物理和力学性能与株洲硬质合金厂生产的相同规格的YG8、YT15硬质合金刀具比较如右表所示。由右表中的数值可知:纳米金属陶瓷刀具的硬度较YT15、YG8高，与45号钢的干摩擦系数比硬质合金刀具低。其三点弯曲强度比MC 硬质合金低，冲击韧性则明显比硬质合金低。纳米陶瓷刀具的密度则近于硬质合金刀具的一半。添加一定量的纳米TiN改善了TiC基金属陶瓷的物理与力学性能。
2 纳米陶瓷刀具干切削45号钢时的切削性能
切削实验装置 加工条件:CA6140车床：无切削液：工件材料:45号钢：
采用机夹可转位上压式刀具结构，刀片尺寸为16×16×5。 刀具几何参数:κr=45° κr'=45° γ0=-7°α0=7° λs=0° 单因素切削实验 在切削条件三要素中固定其中两个要素，改变另外一个量进行切削实验称之为单因素切削实验。图4、图5为纳米金属陶瓷刀具保持切削速度、切削深度不变，当改变进给量时，纳米金属陶瓷刀具后刀面的平均磨损量(VB)与切削时间(T)关系图，即(VB-T图)图4图5
图4切削用量:切削速度Vc=200m/min，进给量f=0.1mm/r ，切削深度ap=0.5mm 图5切削用量:切削速度Vc=200m/min，进给量f=0.5mm/r，切削深度ap=0.5mm 由图4可见，纳米金属陶瓷刀具在干切削状态下后刀面平均磨损量(VB)在相同的切削时间内比YT15、YG8明显要低，即表明纳米金属陶瓷刀具在高温下的抗磨损能力明显高于普通硬质合金刀具。在干切削且切削速度Vc=200m/min 的条件下，切削温度均在1000℃以上。YG8刀具在刚开始时即处于剧烈磨损状态，表明该刀具不适合高速条件下的干切削。YT15刀具在切削10min 后即开始剧烈磨损。而纳米陶瓷刀具在切削时间达到6h后才剧烈磨损，最后以磨损形式失效，显示出纳米金属陶瓷刀具优良的红硬性和高温稳定性。由图5可知:在增大进给量的条件下，YG8、YT15刀具仍以正常磨损形式在短时间内失效，而纳米金属陶瓷刀具在未达到正常磨损失效之前发生了崩刃。表明纳米陶瓷刀具之冲击韧性虽有提高，却还未及普通硬质合金。 纳米金属陶瓷刀具失效机理初探 在干摩擦的条件下，TiC基金属陶瓷的磨损的原因是粘结磨损和硬质相的剥落。纳米金属陶瓷刀具中硬质相TiC的硬度比普通硬质合金中的硬质相WC高，且加入纳米TiN细化了晶粒，由此提高了金属陶瓷材料的硬度与强度。同时TiC基体使金属陶瓷具有良好的热稳定性、红硬性及耐磨性，因此纳米金属陶瓷抗磨粒磨损的性能高。纳米金属陶瓷导热系数高、摩擦系数低，切削过程中能使刀具保持相对较低的切削温度，因此纳米金属陶瓷具有较高的抗扩散磨损能力。此外由于TiO2膜的形成和材料的细晶粒结构增强了纳米金属陶瓷的抗粘结磨损能力，所以在较小进给量的条件下纳米金属陶瓷刀具大都以磨损形式失效，但由于金属陶瓷中Ni对TiC的湿润性不如硬质合金中Co对WC的湿润性，所以金属陶瓷的弯曲强度与冲击韧性不如硬质合金优良，因此较大进给量易引起纳米金属陶瓷刀具的崩刃。但相对非纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷，纳米金属陶瓷的抗冲击性则有明显改观。纳米陶瓷刀具在干切削条件下以200～350m/min的速度切削45号钢仍然具有良好的切削性能，表明纳米金属陶瓷刀具具有优良的综合切削性能。后续的正交切削实验进一步证实了这一点。

3 结论
加入纳米TiN细化了TiC基金属陶瓷的晶粒。
经过纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具提高了强度与韧性。
经过纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具保持了金属陶瓷刀具高的红硬性、高温稳定性以及与45号钢的较低的摩擦系数，是一种非常适合干切削加工的刀具。
由于采用冷压成型，使纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具制造成本相对较低，且具有较低的密度，能使该刀具在制造实践中被普遍使用。