将TiBCN导电陶瓷粉末压制为块体材料，对其物理、力学性能及结构进行了检测分析^[1]。分析结果表明TiBCN具有硬度高、耐磨、耐蚀，密度低、热传导率低等特点，这些特性是任何合金材料所无法兼备的，尤其是其具有优良的导电性能^{[2, 3]}，电导率远超过100～300Ω·cm，使其非常适合于电火花线切割加工(Wire-cut Electrical Discharge Machining,Wire-cut EDM)^{[4, 5, 6]}，同已商业应用的其他陶瓷材料相比，在电切削加工性能上具有明显优势。

导电陶瓷材料在化学成分、组织结构及力学、物理性质等多方面，与钢铁材料及非导电陶瓷材料存在差异，故其Wire-cut EDM加工工艺及蚀除机理也同钢铁材料有明显的不同之处。目前，国内外研究人员及机构从三方面对陶瓷材料EDM加工进行了实验研究^{[7, 8, 9]}。其一，研究较多的是电加工工艺参数优化^{[10, 11, 12, 13, 14]}，如：加工工艺参数与加工速率、表面粗糙度等工艺指标的关系；用实验设计方法分析工艺参数的作用，进行变量分析以优化工艺等研究。其二，掺入导电陶瓷颗粒，提高非导电陶瓷的导电性能，提高切削加工性能^{[15, 16, 17]}。应用较多的导电陶瓷颗粒主要有TiB₂，TiN和TiC等，Matsuo等^[18]为提高ZrO₂和Al₂O₃陶瓷去除率并获得满意的表面粗糙度，提出了包括TiC，NbC和Cr₃C₂最佳的碳化物含量配比。其三，EDM加工蚀除机制研究，Clijsters等^[19]研究了EDM加工SiC材料,认为同加工钢材是一样的，材料去除机理主要是熔化和蒸发，没有机械磨蚀；Lauwer等^[20]认为材料蚀除机制主要有三种类型：熔化/蒸发、剥离，氧化和分解。

本研究对TiBCN陶瓷进行Wire-cut EDM加工，分析了EDM加工表面的显微组织形貌、电加工工艺性能及EDM加工的蚀除机理。目的是掌握TiBCN陶瓷材料EDM加工工艺特性，为其作为一种新型材料的选用、加工提供理论依据，拓宽TiBCN陶瓷材料的应用研究领域。

TiBCN粉末由长春东基材料科技有限公司提供，其形貌如图1所示，粒度分布如表1所示。将TiBCN粉末压入石墨模具中，氩气气氛保护下，1900℃，30MPa压力下烧结1h，加热和冷却速率均为20℃/min。烧结TiBCN块材尺寸为：直径90mm，厚度7.3mm，密度约为5.0g/cm³。

	图1 TiBCN粉末SEM图像 Fig.1 SEM image of TiBCN powder
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线切割加工TiBCN块体材料，测量加工表面粗糙度R_a，并进行组织形貌观察与分析。电火花线切割设备型号为ACTSPARK FW1，由于脉冲电源是Wire-cut EDM加工的主要影响因素，因此本研究采用单因素实验法，依次改变电源参数，即峰值电流I_p、脉冲宽度t_e、脉冲间隔t_i，而保持其他工艺参数不变；其中峰值电流用加工时开通的功率管数量I_p表示，开通功率管数量越多，峰值电流越大。电极丝使用φ0.2mm钼丝，冷却液为水，EDM加工工艺参数均为设备出厂优化设置参数。表面粗糙度仪型号为Links 2206B，试样在扫描电镜 (JSM-5310)观察前均经超声清洗，并热鼓风干燥。

图2为Wire-cut EDM加工TiBCN块材，典型的加工表面SEM图像，采用不同工艺参数加工的其他试样表面微观形貌与图2相似。由图2可以看出加工表面存在一些沟槽，但数量不多，深度较浅，分布不集中。

	图2 TiBCN块材EDM加工表面SEM图像 (Ip=5，ti=60μs，te=23μs) Fig.2 SEM image of machined surface of TiBCN bulk cut by EDM (Ip=5，ti=60μs，te=23μs)
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图3(a)，(b)，(c)分别显示了加工表面粗糙度R_a与峰值电流I_p、脉宽t_e和脉间t_i的关系。由图3可以看出峰值电流保持在很宽的范围内(I_p=2～6)，脉宽t_e=20～22μs，或脉间t_i=65～75μs时，表面粗糙度R_a可低于2μm，最小表面粗糙度为0.4μm。表明Wire-cut EDM加工TiBCN块体材料，加工表面质量的重要影响因素是峰值电流和脉间。脉宽取值不可过大，脉间要设置为上限。但窄脉宽长脉间势必会影响加工效率，因此加工时在保证加工表面质量的前提下，还要尽量采用较大的峰值电流和脉宽；同时应严格控制脉间的设置不可过小，在保证加工表面质量的前提下取下限，以利于减少加工表面沟槽及微裂纹，降低表面粗糙度，提高加工表面质量及加工效率。

	图3 TiBCN块材EDM加工表面粗糙度Ra与峰值电流Ip(a)、脉宽te(b)和脉间ti(c)的关系 Fig.3 Relationship between surface roughness Ra and discharge current Ip(a),duration te(b),interval ti(c)
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TiBCN块材EDM加工时，若设置脉冲电流高，加工表面会出现微裂纹，如图4所示，相似情况也可在其他加工表面观察到。对于陶瓷材料，微裂纹的存在是典型的无抗拉伸应力的表现。这主要是由于TiBCN陶瓷材料导热系数小，膨胀系数大，因此，在整个脉冲放电加工区的温度梯度较大，热应力也较大，势必形成热应力裂纹。由于晶界熔点低，缺陷多，为薄弱受力区，因此热应力随同脉冲作用不断重复叠加，促使裂纹扩展。脉冲能量对微裂纹的影响是非常明显的，能量越大，微裂纹越宽越深。因此，为避免在EDM加工过程中产生微裂纹，脉冲能量不可过大，即脉冲电流避免过大，脉冲宽度不可过长，还要有足够长的脉冲间隙。

	图4 TiBCN块材EDM加工表面微裂纹 (Ip=7，te=30μs，ti=110μs) Fig.4 SEM image of micro cracks on machined surface of TiBCN bulk cut by EDM (Ip=7，te=30μs，ti=110μs)
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图5为TiBCN块材EDM加工表面SEM图像,从图5(a)中可以看到加工表面凹凸有致，颗粒边缘棱角分明、不连续，表明EDM加工TiBCN块体材料，当脉冲能量输入较低时，其材料的蚀除主要以完整颗粒，即体积材料去除的方式从基体中分离，剥离蚀除现象非常明显。

	图5 TiBCN块材EDM加工表面形貌(a)Ip=2，te=30μs，ti=110μs；(b),(c)Ip=5，te=19μs，ti=30μs Fig.5 Machined surface morphology of TiBCN sintered bulk cut by EDM (a)Ip=2，te=30μs，ti=110μs；(b),(c) Ip=5，te=19μs，ti=30μs
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有文献研究认为，因热应力产生的热剥离蚀除机制为陶瓷材料EDM加工的一种主要蚀除机制^[20]。热应力的产生主要应归因于工程陶瓷材料的热导率低，材料表面和内部，加工区域和非加工区域，都存在明显的温度梯度，进而导致膨胀(或收缩)的不同步。由于陶瓷材料抗张极限强度远远小于抗压极限强度，因此，由热应力导致产生大量微裂纹，裂纹集中(垂直或平行于上表面)，使体积分离特别容易发生。热应力剥蚀作用有助于提高材料去除率，但大量裂纹的产生要求高的能量输入，势必影响加工表面质量，因此，此种机制越多参与材料去除，工艺参数的设置要求越严格。热剥离蚀除对加工表面质量的影响，主要取决于合成陶瓷粉末粒度的大小，粉末粒度大，蚀除材料的颗粒大，颗粒就不容易及时地被流动液体带走，降低加工效率和表面质量。

从图5(b)可以观察到加工表面黏附着球状、棱状、片状颗粒，说明EDM加工过程中存在着熔融、再凝固现象，证明EDM加工时若脉冲能量输入较高，材料的蚀除机制存在熔融/再凝固机制。

熔融/再凝固机制蚀除存在两方面的原因：(1)EDM放电加工过程中，两极间隙中可瞬间形成温度高达40000K的瞬时高温热源，将被加工材料熔融，过热熔融液体颗粒以爆裂的形式被蚀除。但脉冲放电后期，被熔融蚀除的液体颗粒很快进入脉间冷却期，微小液体颗粒会再凝固，并随冷却液被排除。当爆炸冲击力较小时，就会有部分颗粒附着在基体上，重新与基体结合，SEM图像显示为球粒状组织形态；(2)无论是晶界熔化导致的整体颗粒剥离蚀除，还是热应力导致的片状颗粒剥离蚀除，当爆炸冲击力较小时，也会产生再凝固黏附现象。无论上述哪方面导致的熔融/再凝固，不但增加表面粗糙度，还需要电火花放电进行二次分离，明显降低加工效率。

EDM加工时，单脉冲能量较高(峰值电流高或脉宽长)，导致EDM加工表面明显出现多处蚀除坑，如图5(c)所示。这是由于火花爆裂形成的高达40000K的瞬时热源，温度远远高于陶瓷材料的熔点，足以使其被熔化并气化蒸发。单脉冲能量越高，气化蒸发蚀除效应越强，爆炸现象剧烈而强大，凹坑深径比增加，表明EDM加工过程中材料的蚀除机制存在气化蒸发机制。若气化蒸发蚀除机制为主导机制，则导致表面粗糙度增高，表面加工质量降低，由于存在类似深孔的凹坑，同时严重降低加工件的力学性能及使用寿命。

(1)TiBCN陶瓷材料适合Wire-cut EDM加工，使用普通电火花线切割机床，采用传统加工工艺参数，就能获得较好的加工表面质量。加工表面质量的重要影响因素是脉间。加工时可选用出厂设置的峰值电流和较长脉宽，需要严格控制脉间，以保证加工表面质量。

(2)Wire-cut EDM加工TiBCN陶瓷，加工表面存在显微裂纹。脉冲能量对显微裂纹的影响非常明显，能量越大，显微裂纹越宽越深。

(3)Wire-cut EDM加工TiBCN陶瓷材料，存在三种蚀除机理：剥离蚀除机制、熔融/再凝固蚀除机制、气化蒸发蚀除机制；脉冲能量输入较低时，以剥离蚀除机制为主；脉冲能量输入较高时，三种蚀除机制共同作用于整个EDM加工过程中，但在脉冲放电加工的不同阶段，主导蚀除机制不同。