| 摘要：用新研制的Ni基、Ni-W基涂层刀片与未涂层刀片进行了高强度合金钢的对比车削试验和切削性能研究，结果表明，新型涂层刀片切削性能良好，磨损较小，耐用度提高。通过适当研磨Ni基涂层刀片的前刀面，可有效提高刀片涂层的抗剥落能力。 |
1 引言
着现代科技的不断发展，难加工材料在工程中的应用日益广泛，尤其在国防工业中，新型、特种难加工材料的使用占有相当大的比例。难加工材料的切削加工性能极差，一般只能采用低速加工。采用普通高速钢刀片加工难加工材料时效果很不理想，主要表现为刀具磨损快、刀尖钝化现象严重等。为提高刀具使用寿命及工件加工表面质量，本文提出采用自行研制的新型Ni基和Ni-W基涂层刀片车削高强度合金钢的加工方案，并通过对比切削试验比较了不同刀片的切削性能。 2 试验方案
- 试验条件
- 试验用机床为德国VDF 精密车床；试件材料为30CrMnSiA 高强度合金钢(硬度42～47HRC；屈服强度≥110GPa；延伸率ss≥10；冲击值ak=0.49kgfm/cm2)；观察显微镜为JGX-1 型万能工具显微镜和ISM-6400 SCANNING MICROSCOPE 扫描电镜(SEM)。切削条件为：进给量0.08mm/r，切削速度25m/min，切削深度0.5mm，刀具几何角度g0=4°，a0=8°，kr=45°；b=78°。刀片涂层材料的化学成分及热处理规范见表1。
表1 刀片涂层材料的化学成分及热处理规范涂层
类型 | 涂层
厚度 | 热处理温度 | HV
硬度 | 涂层化学成分 |
|---|
| Ni基 | 14µm | 200℃×1h+400℃×1h | 725 | 5.3%P，94.7%Ni |
| Ni基 | 14µm | 200℃×1h+400℃×1h | 730 | 6.9%P，93.1%Ni |
| Ni-W基 | 12µm | 200℃×1h+400℃×1h | 862 | 8.3%P，86.9%Ni，4.8%W |
| Ni-W基 | 11µm | 200℃×1h+400℃×1h | 925 | 4.4%P，83.5%Ni，12.1%W |
| Ni-W基 | 13µm | 200℃×1h+400℃×1h | 975 | 7.2%P，87.7%Ni，5.1%W |
| Ni-W基 | 15µm | 200℃×1h+400℃×1h | 1025 | 5.2%P，83.4%Ni，11.4%W |
- 试验内容与方法
- 试验内容：观测未涂层、Ni基和Ni-W基涂层刀片在车削加工中的磨损形态及磨损规律。
- 试验方法：采用纵切法车削试件外圆，保持背吃刀量ap=0.5mm，进给量f=0.5mm，分别换用不同刀具加工，用秒表记录切削时间，用显微镜观测刀片的后刀面磨损量VB。在磨损对比试验中，分别测量经过相同切削时间后的三种刀片后刀面B区的最大磨损量VBmax，比较其磨损速率。刀具磨损试验后，用扫描电镜分别对三种刀片的前、后刀面磨损形貌进行观测(重点观测对工件表面粗糙度和加工精度影响最大的刀尖部分的磨、破损形貌)，并以此确定刀片的抗破损特点。
3 试验结果与分析
图1所示为未涂层和Ni基、Ni-W基涂层刀片的对比磨损曲线。由图1可见，当刀片后刀面最大磨损量VBmax达到规定磨钝标准(VB=0.30mm)时，Ni基和Ni-W基涂层刀片所用时间比未涂层刀片增加60 秒以上，表明涂层刀片的切削性能比未涂层刀片有一定改善。在切削过程中，使用未涂层刀片时工件的切屑呈紫黑色，表明切削温度较高；而用Ni基和Ni-W基涂层刀片加工时切屑均呈棕色，表明切削温度低于未涂层刀片。分析Ni基和Ni-W基涂层刀片切削性能改善的机理，可认为涂层基体中大量Ni基合金固溶体的存在是使涂层复合材料强韧性大大提高的主要原因。在涂层复合材料熔烧过程中，大量合金元素(如Fe、Cr、W、Ti、Si等)相互扩散，大部分元素溶入Ni 中，形成Ni基合金固溶体，从而使Ni基刀片基体获得明显的固溶强化，强韧性显著提高；另一部分合金元素相互扩散结合，形成多种硬度极高的硬质相，加上WC硬质相的溶入，它们均匀分散在Ni基刀片基体中，使基体获得弥散强化和细晶强化，进一步提高了基体的强韧性。同时，由于涂层组织中形成的主要是W7Cx型硬质相组织(而非网状的W3Cx)，它具有韧性好、裂纹不易扩张的特点，可限制材料发生脆裂的趋势，从而进一步增强了涂层复合材料的韧性。在本试验中，所加硬质相粉末为Ni 包WC颗粒粉末，它克服了普通WC颗粒与Ni基刀片基体间浸润性差的缺点，使WC颗粒与基体材料间的结合能力增强，基体相对于硬质相的支承能力也相应提高，两者间因浸润性差而造成的缺陷明显减少。
图1 未涂层和Ni基、Ni-W基涂层刀片对比磨损曲线 |
图2、图3分别为未涂层刀片和Ni-W基涂层刀片刀尖磨损形貌的扫描电镜照片。由图3可见，Ni-W基涂层刀片在切削过程中未发生涂层剥落，且切削性能稳定。而由图4所示Ni基涂层刀片的扫描电镜照片可见，当VBmax=0.23mm 时，Ni基涂层刀片的前刀面发生了涂层剥落现象。分析其原因，主要是切削过程中产生的积屑瘤所致。由于未经研磨处理的Ni基涂层刀片表面较粗糙，切屑沿前刀面流出时摩擦阻力较大，刀面上凹凸不平容易产生较大的积屑瘤。在一定的切削速度下，积屑瘤的生成及频繁脱落对Ni基涂层产生周期性剥离作用，并使Ni基涂层与基体间的接触面及晶界之间产生裂缝，最终导致Ni基涂层剥落。此外，由于切削中使用了冷却液，每次切入切出时Ni基涂层均会承受较大的周期性热应力，这也是促使Ni基涂层剥落的原因之一。由图4可知，Ni基涂层的剥落主要发生在前刀面的积屑瘤粘接处以及与该部位相对应的后刀面。通过对前、后刀面以及刀尖、刃口区各特征点进行金属探针能谱分析(分析结果见表2)，证明对Ni基涂层刀片破损原因的上述分析是合理的。因此，对Ni基涂层刀片的前刀面进行适当研磨可有效提高刀片的抗破损能力。对经研磨前刀面后的刀片再进行切削试验，其刀尖磨损形貌的扫描电镜照片如图5所示，它与未经研磨处理的Ni基涂层刀片的对比磨损曲线见图6。试验结果证明，研磨前刀面可显著降低切屑对刀片的粘附程度，从而降低积屑瘤的发生程度和产生频率，使刀片切削性能获得较大提高，可在较高切削速度下保持较长时间的正常磨损。
图2 未涂层刀片的刀尖磨损形貌 |
图3 Ni-W基涂层刀片的刀尖磨损形貌 |
图4 未经研磨处理的Ni基涂层刀片脱落区形貌 |
图5 经研磨前刀面的Ni基涂层刀片刀尖磨损形貌 |
图6 研磨前刀面与未经处理的Ni基涂层刀片的对比磨损曲线 |
表2 金属探针能谱分析结果| 特征点 | Si(K) | Ti(K) | V(K) | Cr(K) | Fe(K) | Ni(K) | Mo(L) | W(M) |
|---|
| 未涂层刀片前刀面 | 1.02 | -0.03 | 0 | 2.67 | 88.96 | 2.94 | 1.52 | 2.84 |
| 未涂层刀片磨损区 | -0.1 | -0.02 | 0.67 | 3.08 | 81.47 | -0.11 | -0.1 | 14.77 |
| 未涂层刀片后刀面 | 0.72 | -0.02 | -0.01 | -0.01 | 0.07 | 97.93 | 1.26 | -0.35 |
| Ni基涂层刀片涂层区 | 1.12 | 0.23 | 0.99 | 4.47 | 70.01 | 11.95 | 0.05 | 11.17 |
| Ni基涂层刀片磨损区 | 0.23 | -0.04 | 0.78 | 4.19 | 86.13 | 0.53 | 0.05 | 8.17 |
| Ni基涂层刀片刀尖前刀面 | -0.1 | 0.05 | 0.39 | 4.08 | 74.11 | 7.68 | 1.32 | 12.37 |
| Ni基涂层刀片刀尖后刀面 | 1.19 | -0.06 | 0.66 | 3.59 | 82.21 | 1.46 | -0.05 | 10.89 |
| Ni基涂层刀片前刀面脱落磨损区 | 0.5 | -0.02 | 1.37 | 4.86 | 75.76 | -0.08 | 0.25 | 17.26 |
| W基涂层刀片刃口白区 | 0.2 | -0.03 | 0.03 | 5.02 | 92.05 | 0.37 | 0.57 | 1.76 |
| W基涂层刀片磨损区 | -0.04 | 0 | -0.01 | 3.52 | 86.63 | 0.05 | 0.34 | 9.47 |
| W基涂层刀片刃口黑区 | 0.89 | 0.36 | 0.95 | 2.97 | 85.43 | -0.24 | 0.51 | 8.89 |
| W基涂层刀片后刀面磨损区 | -0.01 | -0.01 | 1.49 | 2.24 | 86.66 | 1.28 | 0.39 | 7.93 |
| 平均值 | 0.47 | 0.03 | 0.61 | 3.39 | 75.79 | 10.31 | 0.51 | 8.77 |
| RMSD | 0.48 | 0.12 | 0.52 | 1.32 | 23.66 | 26.66 | 0.54 | 5 |
| 最小值 | -0.1 | -0.06 | -0.01 | -0.01 | 0.07 | -0.24 | -0.1 | -0.35 |
| 最大值 | 1.19 | 0.36 | 1.49 | 5.02 | 92.05 | 97.93 | 1.52 | 17.26 |
4 结论
- Ni基、Ni-W基涂层刀片在本试验条件下切削过程平稳、顺畅，摩擦系数较小，耐用度较未涂层刀片有较大幅度提高，切削性能较为理想。
- Ni基涂层刀片在涂覆处理前、后通过适当研磨其前刀面，可有效提高刀片涂层的抗剥落能力。
- 涂层材料采用Ni 包WC颗粒粉末作为硬质相时，可增强WC颗粒与基体材料间的结合能力，提高基体相对于硬质相的支承能力，可明显减少两者间因浸润性差而造成的缺陷。
