切削高溫合金GH4169的硬質(zhì)合金刀具磨損機理*

陳躍威，鄒中妃

(貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025)

0 引言

高溫合金GH4169是適用于工作溫度高于1000°C以上的工程材料。因此，高溫合金被廣泛應用于航空航天、航空和各種熱處理設備[1-2]。材料中的高熔點金屬元素(如Fe、Ti、Cr、Ni、V和W)以及各種非金屬元素(如C、B和N)確保了高溫合金的高強度性能。然而，這也通常使得高溫合金的可加工性非常差。例如，高溫合金GH4169的可加工性僅為45鋼的5%～20% 。這種極差的加工性大大地增加了刀具磨損，降低了加工效率和經(jīng)濟效益。因此，許多學者開始研究切削高溫合金的刀具磨損機制，探索提高刀具壽命的途徑[3-6]。

Kadirgama等[7]研究了在高速切削Hastelloy C-22HS的條件下，分析TiAlN和TiN/TiCN/TiN涂層硬質(zhì)合金刀片的磨損行為，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)和氧化磨損是主要的磨損類型，并得出結(jié)論：小于100m/min的切削速度將較好地延長刀具壽命。Bhatt等[8]對三種不同硬質(zhì)合金刀片在不同切削參數(shù)下加工Inconel 718時的磨損行為進行了研究。結(jié)果表明，未涂層刀具A在中等進給和較低切削速度下具有比其它刀片更好的耐磨性。刀具 B(TiAlN)在中等切削速度下具有比其它刀片更好的耐磨性，而刀具C(TiCN/Al2O3/TiN)在較低進給速度和較高切削速度下比其他兩種刀具具有更高的抗磨性。Sugihara和Nishimoto[9]提出了在刀具的前刀面上加工具有不同尺寸和陣列結(jié)構(gòu)的凹坑狀紋理。實驗結(jié)果表明，刀具的耐磨性和摩擦學性能顯著提高，特別是在冷卻條件下。郝兆朋等[10]根據(jù)切削過程中刀具材料與工件材料之間具有最大強度比的特點，提出切削時存在最佳切削溫度使刀具的磨損率最低，并分析了不同切削參數(shù)下后刀面的磨損曲線。因此，研究切削高溫合金的刀具磨損機理對切削加工具有重要意義。

1 試驗方法

在如圖1所示的數(shù)控車床上進行切削試驗，所用刀片為硬質(zhì)合金刀片，其牌號為M30，且刀具表層覆有厚度約為5μm的TiAlN涂層。工件材料為高溫合金GH4169棒料，直徑為50 mm，其化學成分及性能參數(shù)如表1、表2所示。

圖1 切削試驗平臺

NiFeCrCoNbMoTiAlC5121.68170.85.230.80.50.02

表2 高溫合金GH4169力學性能參數(shù)

試驗切削參數(shù)為廠家推薦切削參數(shù)vc=30 m/min,f=0.1 r/min,ap=0.15 mm，切削過程中添加切削液，切削27min后，使用超聲波設備將刀片洗凈后觀測刀具后刀面的磨損量，此時刀具后刀面的磨損量為208.2μm，已經(jīng)超過了磨鈍標準200μm，然后在德國ZEISS電子掃描顯微鏡下對刀具進行SEM和EDS分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 磨粒磨損

從圖2a中可以看出，在切削27min后，在刀具前刀面接近切削深度的位置，出現(xiàn)了崩刃現(xiàn)象，同時還可以清晰的發(fā)現(xiàn)在前刀面刀-屑接觸區(qū)域內(nèi)有一排整齊的劃痕存在，如圖2b。將其放大后可以發(fā)現(xiàn)前刀面出現(xiàn)了大量的疏松孔，說明刀具的磨損嚴重，若繼續(xù)進行切削，刀具將很快發(fā)生破損。此外，如圖3b所示，刀具后刀面亦有很多的劃痕，這主要是由于高溫合金中的一些硬質(zhì)點，這些硬質(zhì)點導致在切削過程中出現(xiàn)如圖2和圖3所示的嚴重劃刻線條，最終使得在刀具的前、后刀面產(chǎn)生明顯的磨粒磨損。此外，從圖3c中可以看出該刀具的主切削刃出現(xiàn)了分層結(jié)構(gòu)。

圖2 刀具前刀面磨粒磨損SEM圖

圖3 刀具后刀面磨粒磨損SEM圖

圖4 前刀面粘結(jié)物及能譜圖

2.2 粘結(jié)磨損

由于高溫合金GH4169的塑性特性，使其很容易黏附在刀具的前刀面上，如圖4a所示。從圖中可以看到在主切削刃的邊緣有大量的材料附著，經(jīng)過對此處進行EDS分析，結(jié)合圖4b可以發(fā)現(xiàn)，Ni元素的含量最高，這表明工件材料粘附在刀具上。在粘結(jié)初期，雖然工件材料粘附在刀具上對刀具有一定的保護作用，但是隨著切削的繼續(xù)進行，當切屑向外流動而產(chǎn)生的剪切力大于刀具表層與工件底層的結(jié)合力時，前期粘結(jié)在刀具上的材料也會被切屑流帶走，同時也可能會帶走部分刀具的材料，導致刀具發(fā)生粘結(jié)磨損，進而使刀具的切削性能下降。

2.3 氧化磨損

圖5為刀具前刀面發(fā)生磨損的主要區(qū)域，對該區(qū)域進行線掃描，檢測點從右到左，即從刀具內(nèi)部向刀具主切削刃邊緣進行，監(jiān)測距離為545μm，從圖5中O元素的線掃描結(jié)果可知，曲線在未發(fā)生磨損的地方含量較低，當接近刀屑接觸的分離處時，曲線突然增高，這主要是由于在刀屑分離處，刀具和工件完全暴露在空氣中，再加上較高的切削溫度，促進了此處氧化反應的產(chǎn)生。生成一些新的氧化物，如Co3O4等，這些氧化物削弱與刀具中WC之間的粘結(jié)作用，使刀具磨損加劇，切削性能降低。

圖5 前刀面磨損情況及O元素線掃描曲線

2.4 擴散磨損

利用線切割設備沿著刀片主、副后刀面磨損較嚴重區(qū)域的中心線將刀具切割下來，如圖6所示。將切割下來的刀尖部分鑲嵌在導電樹脂中進行制樣，經(jīng)過研磨拋光后在顯微鏡下進行SEM和EDS分析。

從圖7中的結(jié)果可以看到，經(jīng)過27min的切削后，刀具達到磨鈍標準，切削刃發(fā)生了崩刃現(xiàn)象，刀尖已經(jīng)不完整。由圖8中刀具截面的EDS分析可知，從刀具截面左邊緣開始，沿著刀具基體內(nèi)部水平方向掃描19.5μm，即從A點到B點，發(fā)現(xiàn)大約在0～0.7μm的檢測范圍內(nèi)，來自于工件材料的主要元素Ni、Cr和Fe沿著刀具內(nèi)部方向，其元素含量均呈現(xiàn)快速下降的趨勢。隨著掃描距離向內(nèi)進行，Ni、Cr和Fe的含量趨于平穩(wěn)甚至接近零。結(jié)果表明，在切削的過程中，由于前刀面產(chǎn)生的切削溫度較高，促進了工件材料的主要元素向刀具內(nèi)部的擴散作用。從三種元素的含量和下降趨勢可知，元素Ni和Cr的擴散能力接近且大于Fe元素的擴散能力。Ni、Cr和Fe等元素擴散到刀具中會產(chǎn)生一些新的硬度較低且脆性較高的復合碳化物。這樣的擴散行為將影響刀具基體材料的結(jié)合強度，從而加速刀具的磨損[11]。此外，由于刀具磨損的產(chǎn)生，繼續(xù)進行切削將使得切削溫度升高，升高到一定程度就會導致粘結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。因此，刀具的擴散磨損和粘結(jié)磨損通常同時發(fā)生，使刀具磨損更快。

圖6 刀具線切割取樣

圖7 刀具截面SEM圖

圖8 元素Ni、Cr和Fe線掃描曲線

3 結(jié)論

將硬質(zhì)合金刀具連續(xù)切削一段時間后，對其磨損面進行SEM和EDS分析。結(jié)果表明，刀具的前、后刀面均發(fā)生了嚴重的磨粒磨損，且粘結(jié)和氧化磨損主要發(fā)生在前刀面刀-屑接觸區(qū)，同時在一定程度上也伴隨著擴散磨損的發(fā)生，元素Ni和Cr的擴散能力接近且大于Fe元素的擴散能力。