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)合金模具壽命已達到200萬次，用于鋼零件擠壓的硬質(zhì)合金模具壽命也達到10萬次以上。用于多工位級進模的硬質(zhì)合金沖裁凸凹模壽命一般可達1億次，最高可達3億次。用于鋁合金切削加工的刀具耐用度可達180～200分鐘(以已加工表面粗糙度達到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，本文針對硬質(zhì)合金刀具的擴散磨損機理，通過實驗進行研究。 2 硬質(zhì)合金工模具的擴散磨損機理硬質(zhì)合金工模具加工金屬制品時，會發(fā)生摩擦磨損、粘結(jié)磨損、邊界磨損、相變磨損、擴散磨損等各種磨損。擴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散，硬質(zhì)碳化物部分分解并擴散到工件表面，使硬質(zhì)合金材料表層產(chǎn)生更多微孔，粘結(jié)強度降低。同時，工件材料中的原子(例如鋁質(zhì)工件中的鋁原子)擴散到工模具表層，改變了工模具表面層的物理機械性能，從而導(dǎo)致工模具表層材料的剝落，加速工模具的磨損。 3 試驗條件為了研究硬質(zhì)合金刀具的擴散磨損機理，進行了硬質(zhì)合金刀具切削鋁質(zhì)工件的實驗。選用湖南省株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的4種牌號硬質(zhì)合金刀片。1號刀片YD05和2號刀片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系列超細晶粒硬質(zhì)合金；3號刀片YN05和4號刀片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行高速薄切削鋁合金(LY12R)試驗。試驗中采用干切削，取進給量f =0.1mm/s，切削厚度aP=0.1mm，1～3號刀片的切削速度為300m/min，4號刀片的切削速度為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間)，詳見表1。
表1 不同切削條件的刀具耐用度 刀片號 前角(°) 主后角(°) 副后角(°) 主偏角(°) 副偏角(°) 刃傾角(°) 切削時間(min) 耐用度(min)
1 7 6 6 15 5 0 215 140
2 10 8 6 45 5 0 455 120
3 7 6 6 10 5 0 87 45
4 9 6 5 7 5 0 80 40
試驗所用工件材料為鋁合金LY12R，即鋁與銅、鎂、錳的合金，其化學(xué)成份詳見表2。
表2 工件材料LY12R的化學(xué)成份(%)
元素 銅 鎂 錳 雜質(zhì) 鋁
質(zhì)量分?jǐn)?shù) 3.8～4.9 1.2～1.3 0.3～0.9 <1.5 91.4～93.2
4 試驗結(jié)果在檢查已加工表面粗糙度，證實所用刀具失效后，仔細清洗了各刀面的污物或粘屑，利用掃描電子顯微鏡檢查了其主后刀面的化學(xué)成份，詳見表3。
表3 刀具切削前后主后刀面的化學(xué)成份 質(zhì)量百分?jǐn)?shù)w
與原子數(shù)百分?jǐn)?shù)x 刀片號
1 2 3 4
切削前 切削后 切削前 切削后 切削前 切削后 切削前 切削后
w(Al) 0 3.02 0 12.30 0 6.09 0 13.51
x(Al) 0 16.41 0 45.25 0 20.51 0 26.40
w(Mg) 0 0 0 0 0 0 0 0.92
x(Mg) 0 0 0 0 0 0 0 1.99
w(Cu) 0 0 0 0.85 0 0 0 0
x(Cu) 0 0 0 1.33 0 0 0 0
w(Co) 3.46 2.64 2.62 3.76 0.84 2.07 0.17 0.10
x(Co) 12.94 6.56 7.4 6.34 1.07 3.10 0.21 0.09
w(Ni) 0.55 0.36 0.17 0 8.37 1.78 13.36 8.33
x(Ni) 1.53 0.89 0.46 0 8.42 2.75 14.14 7.48
w(Ta) 0 0 0 0.37 1.05 1.48 0.10 7.73
x(Ta) 0 0 0 0.20 1.51 0.74 0.25 2.25
w(W) 95.26 92.27 94.94 81.28 18.30 66.95 27.80 17.93
x(W) 84.10 73.45 84.97 43.89 5.64 33.11 9.40 5.14
w(Nb) 0.63 1.71 0.15 0 1.14 1.50 0 0
x(Nb) 1.10 2.69 0.27 0 0.69 1.46 0 0
w(Ti) 0.10 0 2.12 1.44 69.94 20.14 58.57 51.48
x(Ti) 0.33 0 6.88 2.99 82.66 38.23 76.00 56.65 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)成份的原子擴散量，計算結(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 刀具擴散磨損中擴散元素的原子擴散量(%) 刀片號 擴散元素
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到3%以上，鋁原子數(shù)量百分比達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)原子向刀具擴散較嚴(yán)重，鎂(Mg)原子向刀具擴散較少。而刀具材料向工件擴散的化學(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，四種刀具材料在擴散磨損過程中刀具中各種原子擴散量也各不相同。 超細粒硬質(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散量較大，YD05刀片的鈷(Co)原子擴散量為49.30%，鎢(W)原子擴散量為12.66%；YM051刀片的鈷(Co)原子擴散量為14.44%，鎢(W)原子擴散量為48.35%；YN05刀片的鎳(Ni)原子擴散量為67.34%，鈦(Ti)原子擴散量為53.75%；YN10刀片的鎳(Ni)原子擴散量為47.10%，鈦(Ti)原子擴散量為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)相對硬質(zhì)合金刀具的硬度和強度有很大影響。 6 結(jié)論硬質(zhì)合金刀具薄切削鋁合金時，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運動速度高(因為切削速度高)，硬質(zhì)合金材料中粘結(jié)相原子(Co或Ni)向工件材料擴散，硬質(zhì)碳化物(WC，TiC等)部分分解并向工件材料擴散，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)強度降低，因而極易造成整個碳化物(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驗證實的擴散磨損現(xiàn)象及規(guī)律，同樣也會在塑性成形的硬質(zhì)合金模具表面發(fā)生。本文的實驗分析與論證同樣適用于沖壓、鐓鍛和擠壓模具壽命的探討。 |
