硬质合金刀具扩散磨损机理研究

1 前言

采用硬质合金工模具(包括塑性成形模具和切削加工的刀具)加工金属制品是提高模具使用寿命的主要途径。目前，硬质合金模具和刀具已在生产中广泛应用，并取得明显的效果，例如用于纯铝和紫铜冷挤压的硬质合金模具寿命已达到200万次，用于钢零件挤压的硬质合金模具寿命也达到10万次以上。用于多工位级进模的硬质合金冲裁凸凹模寿命一般可达1亿次，最高可达3亿次。用于铝合金切削加工的刀具耐用度可达180～200分钟(以已加工表面粗糙度达到Ra0.63&mirco;m作为刀具失效标准)。为了深入了解硬质合金的磨损特性及其与加工对象和加工条件的关系，充分发挥硬质合金工模具的抗磨损性能，本文针对硬质合金刀具的扩散磨损机理，通过实验进行研究。

2 硬质合金工模具的扩散磨损机理

硬质合金工模具加工金属制品时，会发生摩擦磨损、粘结磨损、边界磨损、相变磨损、扩散磨损等各种磨损。扩散磨损就是工件在加工过程中，工模具与工件表面在高温或高压下，相互紧密贴合，并发生相互吸引和粘着，致使工模具与工件表面的材料发生相互扩散，造成表面合金元素的贫化或富化，导致工模具表面与基体的成分发生差异，弱化了工模具表面的抗磨损性能，加快了磨损速度，从而降低了工模具寿命。具体对硬质合金而言，则是硬质合金中的粘结相原子向工件材料扩散，硬质碳化物部分分解并扩散到工件表面，使硬质合金材料表层产生更多微孔，粘结强度降低。同时，工件材料中的原子(例如铝质工件中的铝原子)扩散到工模具表层，改变了工模具表面层的物理机械性能，从而导致工模具表层材料的剥落，加速工模具的磨损。

3 试验条件

为了研究硬质合金刀具的扩散磨损机理，进行了硬质合金刀具切削铝质工件的实验。选用湖南省株洲硬质合金厂生产的4种牌号硬质合金刀片。1号刀片YD05和2号刀片YM051是以钴为粘结相并添加一些其他硬质碳化物或氧化物的WC—C0系列超细晶粒硬质合金；3号刀片YN05和4号刀片YN10则是以镍为粘结相并添加部分碳化钨和稀土元素碳化物(TaC，NbC等)的碳化钛(TiC)基硬质合金(各刀片的几何角度见表1)。在HY—025型高精度专用车床上进行高速薄切削铝合金(LY12R)试验。试验中采用干切削，取进给量f =0.1mm/s，切削厚度aP=0.1mm，1～3号刀片的切削速度为300m/min，4号刀片的切削速度为200m/min，并以已加工表面粗糙度Ra=0.63µm作为刀具失效的标准，测定了各刀片的耐用度(即从开始削到刀具失效的时间)，详见表1。

表1 不同切削条件的刀具耐用度
刀片号 前角(°) 主后角(°) 副后角(°) 主偏角(°) 副偏角(°) 刃倾角(°) 切削时间(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

试验所用工件材料为铝合金LY12R，即铝与铜、镁、锰的合金，其化学成份详见表2。

表2 工件材料LY12R的化学成份(%)
元素 铜 镁 锰 杂质 铝 质量分数 3.8～4.9 1.2～1.3 0.3～0.9 <1.5 91.4～93.2

4 试验结果

在检查已加工表面粗糙度，证实所用刀具失效后，仔细清洗了各刀面的污物或粘屑，利用扫描电子显微镜检查了其主后刀面的化学成份，详见表3。

表3 刀具切削前后主后刀面的化学成份
质量百分数w
与原子数百分数x 刀片号 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

根据表3中刀片切削前后刀具主后刀面化学成份含量的变化，可按下式计算出各刀片在切削后刀具主后刀面各化学成份的原子扩散量，计算结果详见表4。

式中：a1——切削后刀具主后刀面的原子扩散量(%)
x1——切削后刀具主后刀面的原子数百分数
x2——切削后刀具主后刀面的原子数百分数

表4 刀具扩散磨损中扩散元素的原子扩散量(%)
刀片号 扩散元素 钴 镍 钛 钽 钨 铌 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 结果的讨论

从表3可以看出，硬质合金刀具切削铝合金后，各刀片主后刀面的铝含量重量百分比达到3%以上，铝原子数量百分比达16%以上，而刀具材料中的钴(Co)、镍(Ni)、钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、铌(Nb)等含量都有所降低，因此，完全可以肯定刀具材料与工件的化学元素发生了相互扩散，因而造成刀具与切屑粘结层性能和刀具材料性能的改变，使刀具发生扩散磨损。

从表3还可以看出，铝(Al)原子与镁(Mg)原子相比，工件材料中铝(Al)原子向刀具扩散较严重，镁(Mg)原子向刀具扩散较少。而刀具材料向工件扩散的化学元素则随刀具材料的不同而稍有不同，YD05刀具向工件扩散的是钴(Co)、镍(Ni)、钛(Ti)、钨(W)等四种原子，YM051刀具是钴(Co)、镍(Ni)、钛(Ti)、钨(W)、铌(Nb)等五种原子，YN05刀具是镍(Ni)、钛(Ti)、钽(Ta)等三种原子，YN10刀具是钴(Co)、镍(Ni)、钛(Ti)、钨(W)等四种原子。从表4可以看出，四种刀具材料在扩散磨损过程中刀具中各种原子扩散量也各不相同。

超细粒硬质合金YD05、YM051是以钴(Co)为粘结相并添加一些其他硬质碳化物或氧化物的WC—CO系列硬质合金；YN05、YN10则是以镍(Ni)为粘结相并添加部分碳化钨(WC)和稀土元素碳化物(TaC、NbC等)的碳化钛(TiC)基硬质合金。从表4可以看出，刀具失效后，刀具材料中的粘结相及主要成份元素的原子扩散量较大，YD05刀片的钴(Co)原子扩散量为49.30%，钨(W)原子扩散量为12.66%；YM051刀片的钴(Co)原子扩散量为14.44%，钨(W)原子扩散量为48.35%；YN05刀片的镍(Ni)原子扩散量为67.34%，钛(Ti)原子扩散量为53.75%；YN10刀片的镍(Ni)原子扩散量为47.10%，钛(Ti)原子扩散量为25.46%。由于硬质合金是一种通过粘结相粘结硬度高、强度高的碳化物(WC，TiC等)，采用粉未冶金方法制造而成的，其中粘结相对硬质合金刀具的硬度和强度有很大影响。
6 结论
硬质合金刀具薄切削铝合金时，由于刀具后刀面同已加工表面磨擦和挤压而产生高温，刀具与工件之间相对运动速度高(因为切削速度高)，硬质合金材料中粘结相原子(Co或Ni)向工件材料扩散，硬质碳化物(WC，TiC等)部分分解并向工件材料扩散，从而加速了刀具的磨损，使刀具后刀面磨损加剧；另一方面，由于粘结相原子(Co 、Ni)向工件材料扩散，使硬质合金材料中出现更多的微孔，合金内部粘结强度降低，因而极易造成整个碳化物(TiC，WC)颗粒的脱落，也就加速了刀具后刀面的磨损。

以上通过切削加工实验证实的扩散磨损现象及规律，同样也会在塑性成形的硬质合金模具表面发生。本文的实验分析与论证同样适用于冲压、镦锻和挤压模具寿命的探讨。