高速車削鐵基高溫合金Al2O3-SiCw陶瓷刀具磨損機(jī)理*

駱傳躍，鄭光明，楊先海，張國棟，顏 培，于 洲

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東耀華特耐科技有限公司，山東 濱州 256619；3.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

0 引言

鐵基高溫合金GH2132屬于一種時效強(qiáng)化型高溫合金，具有高屈服強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在650℃高溫下仍可以正常工作[1-2]。其廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)渦輪盤、葉片等高溫部件，但在加工過程中導(dǎo)熱率低，切削溫度高易使刀具磨損和破損，影響刀具壽命和工件加工質(zhì)量[3-4]。揭示高速切削鐵基高溫合金刀具磨損機(jī)理是選擇性能優(yōu)良刀具和實(shí)現(xiàn)高速切削加工的前提[5]。

目前高速切削鐵基高溫合金最常用的刀具有涂層硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具。涂層刀具在加工過程中涂層容易脫落，加劇刀具磨損、破損[6]。通過TiAlN涂層和TiAlN+TiN涂層刀具高速干銑削鐵基高溫合金試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)涂層剝落后基體中粘結(jié)劑軟化導(dǎo)致基體劇烈磨損造成失效[7]。新型納米級TiAlN和AlCrN的PVD涂層刀具高速車削鐵基高溫合金試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)刀具主要失效機(jī)理為粘結(jié)磨損、氧化磨損、磨粒磨損、剝落以及崩刃[8]。Al2O3+Ti(NC)陶瓷刀具干切削鐵基高溫合金試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)陶瓷刀具以破損為主，并未出現(xiàn)均勻的月牙洼磨損[9]。Si3N4/(W,Ti)C梯度陶瓷刀具干切削鐵基高溫合金試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)刀具呈現(xiàn)梯狀斷裂，同時伴有崩刃和剝落的發(fā)生，主要磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損、磨粒磨損、氧化磨損[10]。

晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具(Al2O3-SiCw)與其它刀具相比具有良好的耐高溫、耐磨性以及斷裂韌性，因此常用于高速切削鎳基高溫合金[11-13]。本文探究采用Al2O3-SiCw陶瓷刀具對鐵基高溫合金GH2132進(jìn)行高速干車削試驗(yàn)，為以后高效加工鐵基高溫合金提供理論性指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

工件：鐵基高溫合金GH2132選用長度為250 mm，直徑為110 mm的棒料，洛氏硬度為39±1HRC。GH2132主要化學(xué)成分和物理力學(xué)性能分別見表1、表2[8]。

表2 GH2132高溫合金的物理力學(xué)性能

刀具及切削參數(shù)：選用瑞典SANDVIK碳化硅晶須增韌氧化鋁基陶瓷刀具，牌號為CC670，型號為SNGN120408T01020，維氏硬度為19.51 GPa。刀具幾何參數(shù)：主后角0°，刀尖圓弧半徑為0.794 mm。采用上海逸臨工具廠型號CSSNR2020K1204-FZ車刀桿。采用單因素進(jìn)行切削試驗(yàn)，切削速度v=100 m/min、150 m/min、200 m/min、250 m/min、300 m/min，進(jìn)給量f=0.2 mm/r，切削深度ap=0.1 mm。

試驗(yàn)設(shè)備及檢測方法：在某廠生產(chǎn)的CKD6136i數(shù)控機(jī)床(最大主軸轉(zhuǎn)速3000 r/min)上進(jìn)行干車削試驗(yàn)，車削現(xiàn)場照片如圖1所示。車削試驗(yàn)中，采用USB200數(shù)碼工具顯微鏡觀察刀具后刀面磨損情況。使用KISTLER公司9257B型三向測力儀測量切削力，使用FLIR A615型紅外熱像儀測量切削溫度。試驗(yàn)結(jié)束后，用無水乙醇對刀具進(jìn)行超聲波清洗，最后采用QUANTA FEG 250型電子掃描顯微鏡(SEM)和能譜分析(EDS)對刀具磨損和元素?cái)U(kuò)散進(jìn)行分析。

圖1 車削現(xiàn)場照片

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切屑變形

圖2所示為Al2O3-SiCw陶瓷刀具切削鐵基高溫合金時，在不同切削速度下的切屑宏觀形態(tài)。

(a) v=150 m/min (b) v=250 m/min

從圖中看出，切削速度150 m/min時，切屑呈銀灰色帶狀，帶狀切屑連續(xù)平穩(wěn)且不易斷屑，容易刮傷刀具前刀面，導(dǎo)致前刀面月牙洼的產(chǎn)生。切削速度250 m/min時，切屑呈金黃色弧形狀，能夠減小與前刀面的接觸，減小刀具前刀面磨損。

圖3所示為不同切削速度下切屑的微觀形態(tài)。

(a) v=150 m/min (b) v=250 m/min

可以看出，切削速度150 m/min時，鋸齒狀切屑不明顯；當(dāng)切削速度250 m/min時可以明顯觀察到鋸齒狀。隨著切削速度增加，塑性剪切滑移較快，剪切區(qū)溫度高，熱軟化作用使剪切面上剪切抗力急劇下降，產(chǎn)生剪切失穩(wěn)，從而在剪切帶上形成鋸齒狀切屑[14-15]。鋸齒狀切屑對切削刃處具有劇烈的刮擦作用，容易導(dǎo)致切削刃處產(chǎn)生剝落和凹坑。

2.2 切削力與切削溫度

圖4所示為切削力與切削溫度隨切削速度的變化趨勢，圖中分析可得，隨著切削速度的增大，切削力呈先增大后減小再增大趨勢。切削力下降的主要原因是隨著切削速度的增大，切削溫度逐漸升高，使工件材料的硬度和剪切強(qiáng)度降低。當(dāng)切削速度進(jìn)一步增大時，刀具粘結(jié)磨損加劇，切削力繼續(xù)增大?？梢悦黠@看出，隨著切削速度的增大，切削溫度逐漸增大。高速切削條件下，刀具與工件的摩擦熱不斷累積，熱量不能及時消散出去，導(dǎo)致切削溫度的升高。

圖4 不同切削速度下的切削力與切削溫度

2.3 刀具后刀面磨損量

選擇刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VB=0.3 mm，圖5所示為在f=0.2 mm/r，ap=0.1 mm時，切削長度100 m時，不同切削速度下的刀具后刀面磨損量。由圖5可以看出，在其它切削條件不變的情況下，隨著切削速度的增大，刀具后刀面磨損量呈先增大后減小再增大的趨勢。在100 m/min～150 m/min時，切削溫度低，工件材料的強(qiáng)度和硬度高，因此后刀面磨損量增大。在v=150 m/min～250 m/min時，切削溫度高，導(dǎo)致工件發(fā)生熱軟化效應(yīng)，強(qiáng)度降低，后刀面磨損量減小。

圖5 不同切削速度下刀具后刀面磨損量

2.4 刀具磨損機(jī)理分析

根據(jù)刀具后刀面磨損量選擇切削速度v=150 m/min、250 m/min進(jìn)行刀具磨損機(jī)理分析。圖6所示為Al2O3-SiCw陶瓷刀具在v=150 m/min切削鐵基高溫合金時的前后刀面磨損形貌及EDS能譜分析。從圖6a可見，刀具前刀面出現(xiàn)月牙洼磨損、粘結(jié)、剝落和微崩刃。高溫下帶狀切屑對前刀面的刮擦導(dǎo)致月牙洼的產(chǎn)生，并粘結(jié)了一層工件材料。工件材料組織中存在著一些氮化物、碳化物等硬質(zhì)顆粒，這些硬質(zhì)顆粒撞擊到切削刃處造成刀具微崩刃。對前刀面a區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析(圖6c)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域含有大量的O、Cr、Fe、Ni、Ti元素，說明a區(qū)域粘結(jié)層中可能有生成的TiO2、Al2O3等氧化膜。前刀面主要的磨損形式為月牙洼磨損、剝落以及微崩刃，磨損機(jī)理為氧化磨損、粘結(jié)磨損。

從圖6b可以看出，刀具后刀面在切削過程中產(chǎn)生了溝槽、粘結(jié)、劃痕等現(xiàn)象。切削速度150 m/min時，切削溫度低，工件材料的硬度和強(qiáng)度高，刀具切削力大，導(dǎo)致刀具后刀面嚴(yán)重的溝槽磨損。劃痕主要是工件材料里硬質(zhì)點(diǎn)脫落造成的，說明存在磨粒磨損。對圖6b中b區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析(圖6d)，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域主要的化學(xué)元素是O、Al、Ti、Cr、Fe、Ni等元素。Ti、Cr、Fe、Ni等元素主要來源于工件材料，說明b區(qū)域存在工件材料的元素?cái)U(kuò)散，O元素與其它元素可能發(fā)生氧化反應(yīng)導(dǎo)致粘結(jié)層中存在TiO2、Al2O3等氧化物。Ni、Cr元素粘結(jié)在刀具表面，能夠降低刀具表面的硬度和切削性能，加速刀具與工件的粘結(jié)。后刀面主要的磨損形式為溝槽磨損，主要磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損、磨粒磨損、氧化磨損。

(a) 前刀面磨損形貌 (b) 后刀面磨損形貌

圖7所示為Al2O3-SiCw陶瓷刀具在v=250 m/min時切削鐵基高溫合金前后刀面磨損形貌及EDS能譜分析。

(a) 前刀面磨損形貌 (b) 后刀面磨損形貌

從圖7a可以看出，刀具前刀面出現(xiàn)了粘結(jié)層，并在切削刃處有凹坑、微崩刃、積屑瘤。切削速度250 m/min時，切削溫度繼續(xù)升高，切屑脆性大，切屑呈弧形狀與切削刃處刮擦大，切削刃處產(chǎn)生了凹坑。通過EDS能譜分析(圖7c)發(fā)現(xiàn)，a區(qū)域存在大量的Ti、Cr、Fe以及Ni元素，而刀具本身缺少以上元素，說明a區(qū)域有工件材料的粘結(jié)。O元素的含量大幅度提高，說明a區(qū)域在高溫環(huán)境下，刀具表面發(fā)生了氧化還原反應(yīng)。刀具前刀面主要磨損形式為崩刃，主要磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損、氧化磨損。圖7b能夠看出，在切削過程中刀具后刀面主要產(chǎn)生了溝槽、粘結(jié)層、劃痕以及積屑瘤。切削速度250 m/min時，切削溫度高，工件材料發(fā)生了熱軟化現(xiàn)象，切削力小，刀具后刀面粘結(jié)了一層工件材料和產(chǎn)生了溝槽磨損。劃痕的產(chǎn)生說明存在磨粒磨損，產(chǎn)生大量積屑瘤的原因是切削溫度高，大量的崩碎狀切屑在切削刃處累積。通過對后刀面b區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析(圖7d)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的主要化學(xué)元素是O、Al、Ti、Cr、Fe以及Ni等元素。Ti、Cr、Fe、Ni元素均來自于工件材料，說明b區(qū)域有工件材料元素的擴(kuò)散。刀具后刀面主要磨損形式為溝槽磨損，主要磨損機(jī)理為氧化磨損、粘結(jié)磨損、磨粒磨損。

3 結(jié)論

本文采用Al2O3-SiCw陶瓷刀具對鐵基高溫合金GH2132進(jìn)行了高速干車削試驗(yàn)，研究分析了不同切削速度下的切屑變形、切削力、切削溫度、刀具后刀面磨損量以及刀具磨損機(jī)理，結(jié)果表明：

(1)隨著切削速度的增大，切屑由帶狀向弧形狀轉(zhuǎn)變，帶狀切屑容易刮傷前刀面導(dǎo)致月牙洼磨損；弧形鋸齒狀切屑容易刮傷切削刃造成切削刃處剝落和凹坑。

(2)隨著切削速度的提高，切削溫度逐漸升高，切削力先增大后減小再增大，在較高的切削溫度和較低的切削力條件下，刀具后刀面磨損量較小。

(3)刀具的主要磨損形式為正常前后刀面磨損以及非正常的崩刃，切削速度150 m/min時，刀具后刀面主要磨損機(jī)理為磨粒磨損、粘結(jié)磨損；切削速度250 m/min時，刀具后刀面還伴有氧化磨損。