硬質(zhì)合金刀具擴(kuò)散磨損機(jī)理研究

1 前言

　　采用硬質(zhì)合金工模具(包括塑性成形模具和切削加工的刀具)加工金屬制品是提高模具使用壽命的主要途徑。目前，硬質(zhì)合金模具和刀具已在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，并取得明顯的效果，例如用于純鋁和紫銅冷擠壓的硬質(zhì)合金模具壽命已達(dá)到200萬次，用于鋼零件擠壓的硬質(zhì)合金模具壽命也達(dá)到10萬次以上。用于多工位級(jí)進(jìn)模的硬質(zhì)合金沖裁凸凹模壽命一般可達(dá)1億次，最高可達(dá)3億次。用于鋁合金切削加工的刀具耐用度可達(dá)180～200分鐘(以已加工表面粗糙度達(dá)到Ra0.63&mirco;m作為刀具失效標(biāo)準(zhǔn))。為了深入了解硬質(zhì)合金的磨損特性及其與加工對(duì)象和加工條件的關(guān)系，充分發(fā)揮硬質(zhì)合金工模具的抗磨損性能，本文針對(duì)硬質(zhì)合金刀具的擴(kuò)散磨損機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。 2 硬質(zhì)合金工模具的擴(kuò)散磨損機(jī)理硬質(zhì)合金工模具加工金屬制品時(shí)，會(huì)發(fā)生摩擦磨損、粘結(jié)磨損、邊界磨損、相變磨損、擴(kuò)散磨損等各種磨損。擴(kuò)散磨損就是工件在加工過程中，工模具與工件表面在高溫或高壓下，相互緊密貼合，并發(fā)生相互吸引和粘著，致使工模具與工件表面的材料發(fā)生相互擴(kuò)散，造成表面合金元素的貧化或富化，導(dǎo)致工模具表面與基體的成分發(fā)生差異，弱化了工模具表面的抗磨損性能，加快了磨損速度，從而降低了工模具壽命。具體對(duì)硬質(zhì)合金而言，則是硬質(zhì)合金中的粘結(jié)相原子向工件材料擴(kuò)散，硬質(zhì)碳化物部分分解并擴(kuò)散到工件表面，使硬質(zhì)合金材料表層產(chǎn)生更多微孔，粘結(jié)強(qiáng)度降低。同時(shí)，工件材料中的原子(例如鋁質(zhì)工件中的鋁原子)擴(kuò)散到工模具表層，改變了工模具表面層的物理機(jī)械性能，從而導(dǎo)致工模具表層材料的剝落，加速工模具的磨損。 3 試驗(yàn)條件為了研究硬質(zhì)合金刀具的擴(kuò)散磨損機(jī)理，進(jìn)行了硬質(zhì)合金刀具切削鋁質(zhì)工件的實(shí)驗(yàn)。選用湖南省株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的4種牌號(hào)硬質(zhì)合金刀片。1號(hào)刀片YD05和2號(hào)刀片YM051是以鈷為粘結(jié)相并添加一些其他硬質(zhì)碳化物或氧化物的WC—C0系列超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金；3號(hào)刀片YN05和4號(hào)刀片YN10則是以鎳為粘結(jié)相并添加部分碳化鎢和稀土元素碳化物(TaC，NbC等)的碳化鈦(TiC)基硬質(zhì)合金(各刀片的幾何角度見表1)。在HY—025型高精度專用車床上進(jìn)行高速薄切削鋁合金(LY12R)試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用干切削，取進(jìn)給量f =0.1mm/s，切削厚度aP=0.1mm，1～3號(hào)刀片的切削速度為300m/min，4號(hào)刀片的切削速度為200m/min，并以已加工表面粗糙度Ra=0.63µm作為刀具失效的標(biāo)準(zhǔn)，測定了各刀片的耐用度(即從開始削到刀具失效的時(shí)間)，詳見表1。

　　根據(jù)表3中刀片切削前后刀具主后刀面化學(xué)成份含量的變化，可按下式計(jì)算出各刀片在切削后刀具主后刀面各化學(xué)成份的原子擴(kuò)散量，計(jì)算結(jié)果詳見表4。
a1=  x1-x2  ×100% 
 
x1
式中：a1——切削后刀具主后刀面的原子擴(kuò)散量(%) x1——切削后刀具主后刀面的原子數(shù)百分?jǐn)?shù) x2——切削后刀具主后刀面的原子數(shù)百分?jǐn)?shù)
　　表4 刀具擴(kuò)散磨損中擴(kuò)散元素的原子擴(kuò)散量(%)  刀片號(hào)  擴(kuò)散元素 
鈷  鎳  鈦  鉭  鎢  鈮 
1  49.30  41.83  100.00  0  12.66  0 
2  14.44  100.00  56.54  0  48.35  100.00 
3  0  67.34  53.75  50.99  0  0
　　5 結(jié)果的討論從表3可以看出，硬質(zhì)合金刀具切削鋁合金后，各刀片主后刀面的鋁含量重量百分比達(dá)到3%以上，鋁原子數(shù)量百分比達(dá)16%以上，而刀具材料中的鈷(Co)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、鈮(Nb)等含量都有所降低，因此，完全可以肯定刀具材料與工件的化學(xué)元素發(fā)生了相互擴(kuò)散，因而造成刀具與切屑粘結(jié)層性能和刀具材料性能的改變，使刀具發(fā)生擴(kuò)散磨損。 從表3還可以看出，鋁(Al)原子與鎂(Mg)原子相比，工件材料中鋁(Al)原子向刀具擴(kuò)散較嚴(yán)重，鎂(Mg)原子向刀具擴(kuò)散較少。而刀具材料向工件擴(kuò)散的化學(xué)元素則隨刀具材料的不同而稍有不同，YD05刀具向工件擴(kuò)散的是鈷(Co)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)等四種原子，YM051刀具是鈷(Co)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)、鈮(Nb)等五種原子，YN05刀具是鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉭(Ta)等三種原子，YN10刀具是鈷(Co)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)等四種原子。從表4可以看出，四種刀具材料在擴(kuò)散磨損過程中刀具中各種原子擴(kuò)散量也各不相同。 超細(xì)粒硬質(zhì)合金YD05、YM051是以鈷(Co)為粘結(jié)相并添加一些其他硬質(zhì)碳化物或氧化物的WC—CO系列硬質(zhì)合金；YN05、YN10則是以鎳(Ni)為粘結(jié)相并添加部分碳化鎢(WC)和稀土元素碳化物(TaC、NbC等)的碳化鈦(TiC)基硬質(zhì)合金。從表4可以看出，刀具失效后，刀具材料中的粘結(jié)相及主要成份元素的原子擴(kuò)散量較大，YD05刀片的鈷(Co)原子擴(kuò)散量為49.30%，鎢(W)原子擴(kuò)散量為12.66%；YM051刀片的鈷(Co)原子擴(kuò)散量為14.44%，鎢(W)原子擴(kuò)散量為48.35%；YN05刀片的鎳(Ni)原子擴(kuò)散量為67.34%，鈦(Ti)原子擴(kuò)散量為53.75%；YN10刀片的鎳(Ni)原子擴(kuò)散量為47.10%，鈦(Ti)原子擴(kuò)散量為25.46%。由于硬質(zhì)合金是一種通過粘結(jié)相粘結(jié)硬度高、強(qiáng)度高的碳化物(WC，TiC等)，采用粉未冶金方法制造而成的，其中粘結(jié)相對(duì)硬質(zhì)合金刀具的硬度和強(qiáng)度有很大影響。 6 結(jié)論硬質(zhì)合金刀具薄切削鋁合金時(shí)，由于刀具后刀面同已加工表面磨擦和擠壓而產(chǎn)生高溫，刀具與工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度高(因?yàn)榍邢魉俣雀?，硬質(zhì)合金材料中粘結(jié)相原子(Co或Ni)向工件材料擴(kuò)散，硬質(zhì)碳化物(WC，TiC等)部分分解并向工件材料擴(kuò)散，從而加速了刀具的磨損，使刀具后刀面磨損加劇；另一方面，由于粘結(jié)相　　原子(Co 、Ni)向工件材料擴(kuò)散，使硬質(zhì)合金材料中出現(xiàn)更多的微孔，合金內(nèi)部粘結(jié)強(qiáng)度降低，因而極易造成整個(gè)碳化物(TiC，WC)顆粒的脫落，也就加速了刀具后刀面的磨損。 以上通過切削加工實(shí)驗(yàn)證實(shí)的擴(kuò)散磨損現(xiàn)象及規(guī)律，同樣也會(huì)在塑性成形的硬質(zhì)合金模具表面發(fā)生。本文的實(shí)驗(yàn)分析與論證同樣適用于沖壓、鐓鍛和擠壓模具壽命的探討。