硬質合金刀具擴散磨損機理研究
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1 前言
采用硬質合金工模具(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，硬質合金模具和刀具已在生產中廣泛應用，并取得明顯的效果，例如用于純鋁和紫銅冷擠壓的硬質合金模具壽命已達到200萬次，用于鋼零件擠壓的硬質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作為刀具失效標準)。為了深入了解硬質合金的磨損特性及其與加工對象和加工條件的關系，充分發揮硬質合金工模具的抗磨損性能，本文針對硬質合金刀具的擴散磨損機理，通過實驗進行研究。 2 硬質合金工模具的擴散磨損機理硬質合金工模具加工金屬制品時，會發生摩擦磨損、粘結磨損、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，并發生相互吸引和粘著，致使工模具與工件表面的材料發生相互擴散，造成表面合金元素的貧化或富化，導致工模具表面與基體的成分發生差異，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。具體對硬質合金而言，則是硬質合金中的粘結相原子向工件材料擴散，硬質碳化物部分分解并擴散到工件表面，使硬質合金材料表層產生更多微孔，粘結強度降低。同時，工件材料中的原子(例如鋁質工件中的鋁原子)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合金刀具的擴散磨損機理，進行了硬質合金刀具切削鋁質工件的實驗。選用湖南省株洲硬質合金廠生產的4種牌號硬質合金刀片。1號刀片YD05和2號刀片YM051是以鈷為粘結相并添加一些其他硬質碳化物或氧化物的WC—C0系列超細晶粒硬質合金；3號刀片YN05和4號刀片YN10則是以鎳為粘結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作為刀具失效的標準，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，其化學成份詳見表2。
表2 工件材料LY12R的化學成份(%)
元素 銅 鎂 錳 雜質 鋁
質量分數 3.8～4.9 1.2～1.3 0.3～0.9 <1.5 91.4～93.2
4 試驗結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成份，詳見表3。
表3 刀具切削前后主后刀面的化學成份
質量百分數w
與原子數百分數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
根據表3中刀片切削前后刀具主后刀面化學成份含量的變化，可按下式計算出各刀片在切削后刀具主后刀面各化學成份的原子擴散量，計算結果詳見表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百分數 x2——切削后刀具主后刀面的原子數百分數
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 結果的討論從表3可以看出，硬質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元素發生了相互擴散，因而造成刀具與切屑粘結層性能和刀具材料性能的改變，使刀具發生擴散磨損。 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。 超細粒硬質合金YD05、YM051是以鈷(Co)為粘結相并添加一些其他硬質碳化物或氧化物的WC—CO系列硬質合金；YN05、YN10則是以鎳(Ni)為粘結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)基硬質合金。從表4可以看出，刀具失效后，刀具材料中的粘結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%。由于硬質合金是一種通過粘結相粘結硬度高、強度高的碳化物(WC，TiC等)，采用粉未冶金方法制造而成的，其中粘結相對硬質合金刀具的硬度和強度有很大影響。 6 結論硬質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)，硬質合金材料中粘結相原子(Co或Ni)向工件材料擴散，硬質碳化物(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，由于粘結相 原子(Co 、Ni)向工件材料擴散，使硬質合金材料中出現更多的微孔，合金內部粘結強度降低，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象及規律，同樣也會在塑性成形的硬質合金模具表面發生。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。
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