《Journal of Materials Research and Technology》：Comparative effects of alloy composition on tool wear behavior and surface damage during milling of nickel and manganese aluminum bronzes
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铝青铜因其高强度、耐腐蚀性和耐磨性而广泛应用于船舶推进部件。然而，其高韧性、加工硬化倾向和多相微观结构使得加工困难。尽管先前的研究已探讨了镍铝青铜的可加工性和刀具磨损，但铝青铜合金中微观结构差异在控制切削摩擦学（cutting tribology）和表面损伤演
铝青铜因其高强度、耐腐蚀性和耐磨性而广泛应用于船舶推进部件。然而，其高韧性、加工硬化倾向和多相微观结构使得加工困难。尽管先前的研究已探讨了镍铝青铜的可加工性和刀具磨损，但铝青铜合金中微观结构差异在控制切削摩擦学（cutting tribology）和表面损伤演变（surface damage evolution）中的作用仍不充分了解。在本研究中，研究人员使用四刃CrN涂层硬质合金立铣刀（CrN-coated cemented carbide end mill），在不同加工参数下对锰铝青铜（C95700）和镍铝青铜（C95800）进行了干式侧铣（dry side milling）实验。系统比较了合金成分和微观结构对刀具磨损和加工表面形貌的影响。结果表明，C95700由于高锰含量和粗大硬质相（coarse hard phases）引起的强烈固溶强化（solid-solution strengthening）和加剧的界面摩擦（interfacial friction），表现出更高且更显著的摩擦力和切削力波动，从而加速刀具磨损。相比之下，具有更细小κ相（κ phases）和更均匀微观结构的C95800表现出较低的摩擦阻力和更稳定的切削行为，尽管在严重热机械载荷下可能发生局部边缘撕裂。EDS分析揭示了Cu和Mn从工件转移到刀具表面，而W和Co信号则表明WC/Co基体（WC/Co substrate）的暴露或局部去除。同时，受损区域富集氧，表明刀具退化过程中存在耦合氧化（oxidation）和扩散（diffusion）。表面损伤主要表现为犁耕（ploughing）、颗粒拔出（particle pull-out）和塑性流动（plastic flow）。这些效应增加了C95700的表面粗糙度，而C95800则保持了更稳定的表面形貌。
铝青铜以其高强度、耐腐蚀性和耐磨性，在船舶推进部件（如大型螺旋桨和阀门）中广泛应用。然而，其高韧性、显著的加工硬化倾向以及多相微观结构（α相基体与弥散硬质κ相）导致加工困难。尽管已有研究探讨了镍铝青铜（NAB）的可加工性和刀具磨损，但不同铝青铜合金间的微观结构差异（如锰铝青铜MAB中粗大κ相与镍铝青铜NAB中细小κ相）如何影响切削摩擦学行为及表面损伤演变，仍缺乏系统理解。为此，研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了本项研究，旨在通过对比分析两种典型铝青铜——锰铝青铜ZCuAl8Mn13Fe3Ni2（C95700）和镍铝青铜ZCuAl9Fe4Ni4Mn2（C95800）——的干式铣削行为，揭示合金成分与微观结构对刀具磨损机制和加工表面损伤的耦合作用，为优化加工参数提供理论指导。
研究人员开展了以下关键研究：通过干式球-平面往复摩擦实验（ball-on-flat reciprocating test）对比两种合金与硬质合金（WC/Co）的摩擦系数；在立式加工中心上进行干式侧铣实验，采用CrN涂层硬质合金立铣刀，系统改变轴向切深、每齿进给量和切削速度；使用扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）和电子背散射衍射（EBSD）表征微观结构、刀具磨损形貌及加工表面损伤；利用Kistler测力仪记录切削力，共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）测量表面粗糙度。所有工件均来自铸态经相同固溶时效处理后的试样，尺寸为10 mm × 20 mm × 30 mm，无特定队列来源。
研究结果分为以下部分：
**3.1 摩擦力与摩擦系数**：通过干式摩擦实验，在15 N法向载荷下，C95700的平均摩擦力（5.47 N）比C95800（4.31 N）高21.21%，且波动更剧烈；C95700的摩擦系数平均比C95800高18.57%。两种合金的摩擦系数均随法向载荷增加而降低，归因于塑性变形、真实接触面积增大及第三体层的形成。
**3.2 切削参数对切削力的影响**：随轴向切深和每齿进给量增加，两种合金的合成切削力近似线性上升；C95700的切削力水平始终高于C95800，且波动更大。随切削速度增加，切削力先升后降，约250 m/min时达到峰值。C95700的高切削力与波动归因于其粗大κ相和高Mn含量引起的固溶强化作用，导致刀具与硬质相间歇性接触。
**3.3 刀具磨损形貌**：C95700加工时刀具后刀面形成厚而连续的粘附层，伴随涂层剥落和边缘崩刃；C95800的粘附层较薄，但磨粒划痕和凹坑缺陷更明显，且切削刃区域形成牢固粘结的积屑瘤（BUE）。后刀面磨损宽度（VB）测量显示，在中等至高速切削（200-300 m/min）下，C95700的VB显著大于C95800，例如250 m/min时C95700的VB为10.525 μm，比C95800高58.34%。EDS分析表明，刀具表面存在Cu、Mn转移，受损区域富集氧，且W、Co信号指示基体暴露。刀具磨损演化分为六个特征区域：BUE区、磨损带区、近刃粘附区、粘附-剥离区、粘附层区和完整涂层区，表明粘着磨损为主，氧化磨损和扩散磨损加速退化。
**3.4 加工表面质量**：包括表面粗糙度和表面形貌分析。C95700的表面粗糙度Ra随轴向切深和每齿进给量增加而显著上升（从0.70 μm增至1.34 μm和从0.75 μm增至2.14 μm），而C95800的Ra波动较小（0.75-0.94 μm）。切削速度影响非单调，在250 m/min时粗糙度均升高，但350 m/min时因热软化而降低。表面形貌显示，C95700在切深或进给量增大时出现严重塑性流动、撕裂、凹坑和颗粒拔出，C95800则主要表现为小尺度粘附颗粒和轻微划痕。EDS分析在C95700缺陷区域发现C、O、Fe富集，指示局部氧化和热效应，可能形成硬质碳化物（硬度1000-1500 HV），加剧摩擦和表面损伤。
总结讨论部分：研究结论指出，C95700的粗大κ相和高Mn含量导致更高的固溶强化和界面摩擦，加剧切削力波动和刀具磨损，表面损伤以犁耕、颗粒拔出和塑性流动为主，粗糙度波动大；而C95800因更细小均匀的κ相，获得更稳定的切削行为和更优的表面质量，但局部边缘撕裂可能发生。刀具磨损机制以粘着磨损为主，氧化磨损、磨粒磨损和元素扩散磨损为辅助。研究结论原文翻译如下：
(1) EBSD表征证实，C95700比C95800具有更粗大且更不均匀的微观结构。由于其高Mn含量引起的基体强化效应以及粗大硬质相的存在，C95700表现出更高的强度、更高的变形抗力和更强的界面摩擦。这些材料特性导致加工过程中切削力更高、刀具载荷更大，且刀具磨损和材料表面损伤更易发生。相比之下，C95800得益于更细小且更均匀分布的κ相，表现出较低的粘附倾向和更稳定的刀具-工件摩擦状态。
(2) 铝青铜干式铣削过程中的刀具磨损以粘着磨损为主，氧化磨损、磨粒磨损和元素扩散磨损进一步加速刀具退化。粘附材料的反复形成和剥离促进涂层剥落并暴露WC/Co基体，从而削弱切削刃完整性。值得注意的是，尽管C95800的摩擦和整体粘附性低于C95700，但在切削刃附近可能形成牢固粘结的积屑瘤，其剥离可能诱发局部撕裂和边缘损伤。
(3) C95700中的粗大硬质相容易在加工过程中诱发间歇性刀具冲击和切削力波动。结合粘附材料形成和切削刃退化，这些效应导致加工表面出现犁耕、塑性堆积、颗粒拔出、粘附残留和撕裂缺陷，从而引起较大的粗糙度波动。相比之下，C95800中更细小且更均匀分布的κ相促进了切削过程中更稳定的刀具-工件接触状态。因此，C95800表现出更好的整体加工表面质量，且表面粗糙度对切削参数变化的敏感性较低。
