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裆蒸。目前熔萧，硬質(zhì)合金模具和刀具已在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，并取得明顯的效果僚祷，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(wàn)次佛致，用于鋼零件擠壓的硬質(zhì)合金模具壽命也達(dá)到10萬(wàn)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)1億次辙谜，最高可達(dá)3億次俺榆。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)系筷弦，充分發(fā)揮硬質(zhì)合金工模具的抗磨損性能肋演，本文針對(duì)硬質(zhì)合金刀具的擴(kuò)散磨損機(jī)理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究友移。
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)生摩擦磨損玷仗、粘結(jié)磨損洽灿、邊界磨損、相變磨損仅犬、擴(kuò)散磨損等各種磨損盆述。擴(kuò)散磨損就是工件在加工過(guò)程中，工模具與工件表面在高溫或高壓下案哄，相互緊密貼合霜铸，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)散沐亏，造成表面合金元素的貧化或富化灌大，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耸挟，加快了磨損速度死唇，從而降低了工模具壽命。具體對(duì)硬質(zhì)合金而言卿捎，則是硬質(zhì)合金中的粘結(jié)相原子向工件材料擴(kuò)散配紫，硬質(zhì)碳化物部分分解并擴(kuò)散到工件表面径密，使硬質(zhì)合金材料表層產(chǎn)生更多微孔，粘結(jié)強(qiáng)度降低躺孝。同時(shí)享扔，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)械性能植袍，從而導(dǎo)致工模具表層材料的剝落惧眠，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)理奋单，進(jìn)行了硬質(zhì)合金刀具切削鋁質(zhì)工件的實(shí)驗(yàn)锉试。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)合金览濒；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呆盖，NbC等)的碳化鈦(TiC)基硬質(zhì)合金(各刀片的幾何角度見(jiàn)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)贷笛。試驗(yàn)中采用干切削应又，取進(jìn)給量f =0.1mm/s，切削厚度aP=0.1mm石被，1～3號(hào)刀片的切削速度為300m/min鲜映，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)低吠，測(cè)定了各刀片的耐用度(即從開(kāi)始削到刀具失效的時(shí)間)袭仲，詳見(jiàn)表1。
表1 不同切削條件的刀具耐用度
| 刀片號(hào)
| 前角(°)
| 主后角(°)
| 副后角(°)
| 主偏角(°)
| 副偏角(°)
| 刃傾角(°)
| 切削時(shí)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(yàn)所用工件材料為鋁合金LY12R非淹，即鋁與銅箭基、鎂、錳的合金周讯，其化學(xué)成份詳見(jiàn)表2芭甚。
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(yàn)結(jié)果
在檢查已加工表面粗糙度，證實(shí)所用刀具失效后奔沐，仔細(xì)清洗了各刀面的污物或粘屑少煮，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(jiàn)表3碘展。
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(hào)
|
| 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)成份含量的變化竿丙，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(jiàn)表4叹放。
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可以看出饰恕，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%以上井仰，鋁原子數(shù)量百分比達(dá)16%以上埋嵌，而刀具材料中的鈷(Co)破加、鎳(Ni)、鈦(Ti)雹嗦、鉭(Ta)范舀、鎢(W)、鈮(Nb)等含量都有所降低了罪，因此锭环，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泊藕，使刀具發(fā)生擴(kuò)散磨損辅辩。
從表3還可以看出，鋁(Al)原子與鎂(Mg)原子相比娃圆，工件材料中鋁(Al)原子向刀具擴(kuò)散較嚴(yán)重墩倔，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固脸，YD05刀具向工件擴(kuò)散的是鈷(Co)摇皿、鎳(Ni)、鈦(Ti)典患、鎢(W)等四種原子泳嵌，YM051刀具是鈷(Co)、鎳(Ni)猾灰、鈦(Ti)膊抄、鎢(W)、鈮(Nb)等五種原子萌小，YN05刀具是鎳(Ni)欺枚、鈦(Ti)、鉭(Ta)等三種原子厂均，YN10刀具是鈷(Co)、鎳(Ni)帆摊、鈦(Ti)碱茁、鎢(W)等四種原子。從表4可以看出仿贬，四種刀具材料在擴(kuò)散磨損過(guò)程中刀具中各種原子擴(kuò)散量也各不相同纽竣。
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)合金茧泪；YN05蜓氨、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)合金队伟。從表4可以看出穴吹，刀具失效后幽勒，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%港令，鎢(W)原子擴(kuò)散量為12.66%啥容；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%顷霹；YN05刀片的鎳(Ni)原子擴(kuò)散量為67.34%咪惠，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%淋淀，鈦(Ti)原子擴(kuò)散量為25.46%馁胁。由于硬質(zhì)合金是一種通過(guò)粘結(jié)相粘結(jié)硬度高、強(qiáng)度高的碳化物(WC萍卑，TiC等)六主，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)度有很大影響辩钢。
6 結(jié)論
硬質(zhì)合金刀具薄切削鋁合金時(shí)辉召，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?沛三，硬質(zhì)合金材料中粘結(jié)相原子(Co或Ni)向工件材料擴(kuò)散影虫，硬質(zhì)碳化物(WC，TiC等)部分分解并向工件材料擴(kuò)散墩衍，從而加速了刀具的磨損跛农，使刀具后刀面磨損加劇谢市；另一方面沼币，由于粘結(jié)相原子(Co 、Ni)向工件材料擴(kuò)散寞奸，使硬質(zhì)合金材料中出現(xiàn)更多的微孔呛谜，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枪萄，WC)顆粒的脫落隐岛，也就加速了刀具后刀面的磨損。
以上通過(guò)切削加工實(shí)驗(yàn)證實(shí)的擴(kuò)散磨損現(xiàn)象及規(guī)律瓷翻，同樣也會(huì)在塑性成形的硬質(zhì)合金模具表面發(fā)生聚凹。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齐帚。
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