基于熱力學(xué)的PCD刀具加工ZL109鋁合金的擴(kuò)散磨損

邵 芳，劉戰(zhàn)強(qiáng)，萬 熠，張寶國(guó)

(1. 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2. 濱州職業(yè)學(xué)院，濱州 256600；3. 山東濱州渤?；钊煞萦邢薰?，濱州 256602)

金剛石是碳的同素異構(gòu)體，它是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的自然界里最硬的一種材料，其顯微硬度達(dá)到 HV10000．人造聚晶金剛石(polycrystalline diamond，PCD)是20世紀(jì) 60年代發(fā)展起來的一種超硬刀具材料，它是以石墨為原料，加入催化劑，經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成．隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，金剛石刀具因其極高的硬度和耐磨性、很高的導(dǎo)熱性能和較低的熱膨脹系數(shù)而得到廣泛應(yīng)用[1]．尤其在加工高硅鋁合金材料時(shí)，金剛石刀具壽命可達(dá)硬質(zhì)合金刀具的50～200倍，是切削鋁合金的理想的刀具材料[2]．

刀具磨損是受多種非線性、強(qiáng)耦合因素作用的過程，熱力學(xué)提供了對(duì)多因素非線性相互作用的系統(tǒng)分析方法，因此用熱力學(xué)的理論和方法來研究摩擦磨損過程是合理可行的[3]．但從熱力學(xué)角度對(duì)刀具磨損機(jī)理的研究還很少有文獻(xiàn)報(bào)道．

筆者從熱力學(xué)的角度研究了金剛石刀具高速切削 ZL109鋁合金時(shí)的擴(kuò)散磨損，旨在通過對(duì)切削過程中熱力學(xué)參數(shù)的計(jì)算來分析金剛石刀具的擴(kuò)散磨損規(guī)律，以此來指導(dǎo)刀具的切削過程，對(duì)刀具材料的研究和設(shè)計(jì)提供參考．

1 熱力學(xué)理論模型

1.1 擴(kuò)散溶解熱力學(xué)理論模型

在相對(duì)較高的切削速度下，刀具的磨損機(jī)理是溶解擴(kuò)散磨損，假設(shè)刀具材料是A B Ca b c，則刀具材料的生成自由能[4]為

1.2 超額自由能的熱力學(xué)計(jì)算模型

理論研究表明，利用相圖可求活度，進(jìn)而求超額自由能．由熱力學(xué)知識(shí)可知，在兩相共存區(qū)，某組分在這兩個(gè)共存相中的化學(xué)勢(shì)應(yīng)相等[5]．

圖1 鉍銫二元相圖示意Fig.1 Schematic of bismus and cesium binary phase dia-Fig.1 gram

在此溫度下，純Bi熔化過程的吉布斯自由能為

對(duì)純Bi熔化過程的吉布斯自由能，?？杉俣ém和Δ Sm不受溫度變化的影響，而用純Bi在正常熔點(diǎn) T0時(shí)的熔化焓和熔化熵表示，即

查熱力學(xué)數(shù)據(jù)表求得吉布斯自由能，即可由式(4)求得活度，然后由式(6)求得一種元素在另一種元素中的超額自由能．

2 金剛石刀具中的碳元素在鋁中的擴(kuò)散溶解度

由式(3)得金剛石刀具加工鋁合金時(shí)的擴(kuò)散溶解度為

為求解式(21)，用Matlab對(duì)式(21)做如下編程：

Y＝solve(‘Dy＝11220*(y^2-y)/(20940-22440x)’)運(yùn)行后求得

圖2 刀具材料中的碳元素在工件材料鋁中的溶解度曲線Fig.2 Solubility curve of carbon in workpiece material element aluminum

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，金剛石刀具中的碳元素在工件材料鋁合金中的溶解度很小，最大溶解度僅為0.005,004,21，幾乎可以忽略不計(jì)；溶解度隨著溫度的變化也很小，在 298,K時(shí)的溶解度最大，僅為0.500,421%，在 1,000,K 時(shí)的溶解度最小，為0.500,125%，最大溶解度和最小溶解度僅相差0.006%，所以金剛石刀具在切削鋁合金時(shí)表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗擴(kuò)散磨損的能力，非常適合加工鋁合金，是加工鋁合金的理想刀具材料．Masao[9]指出，金剛石刀具切削鋁時(shí)的磨損極低，原因是：金剛石刀具中的碳在鋁中的低的擴(kuò)散磨損率．

另外，刀具材料元素在工件材料中的擴(kuò)散以指數(shù)函數(shù)的形式發(fā)生，隨著切削溫度的升高略有降低，變化較平穩(wěn)，刀具磨損機(jī)理較為復(fù)雜，估計(jì)與金剛石在高溫下的相變有關(guān)．金剛石石墨化相變后，層狀結(jié)構(gòu)的石墨可能不利于元素?cái)U(kuò)散，對(duì)刀具的擴(kuò)散磨損會(huì)有改善．同時(shí)金剛石刀具高的導(dǎo)熱系數(shù)和高的熱擴(kuò)散率使刀具極易把在切削中產(chǎn)生的切削熱散失掉，切削區(qū)溫度較低，低的熱膨脹系數(shù)也使刀具在切削過程中不易產(chǎn)生大的變形，高溫對(duì)刀具切削性能的影響不會(huì)太大，這進(jìn)一步表明金剛石刀具更適合于高速加工．

3 實(shí)驗(yàn)分析

以 PCD切槽刀精車直徑為φ,110,mm的 ZL109鋁合金環(huán)槽．切削條件：加工機(jī)床為 J1MKJ,460仿行車床，刀具幾何參數(shù)：主偏角 K＝45°，刃傾角 K′＝45°，前角 γ0＝0°，刀尖圓角半徑 r＝0.5,mm；工件轉(zhuǎn)速 n＝1 000,r/min，切削線速度 v＝345,m/min，進(jìn)給f＝0.2,mm/r，切深 ap＝0.15,mm，切削液牌號(hào) CCP-21，水基乳化液濃度3%，pH＝8．

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

鋁合金工件材料的化學(xué)成分見表 1．鋁合金工件材料的物理特性見表2．金剛石刀具簡(jiǎn)圖見圖3．

表1 鋁合金工件材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical components of workpiece material aluminum alloy

表2 鋁合金工件材料的物理性能參數(shù)Tab.2 Physical function parameters of workpiece material aluminum alloy

圖3 金剛石刀具簡(jiǎn)圖Fig.3 Sketch of diamond tool

3.2 結(jié)果與分析

(1)PCD前刀面磨損形貌如圖 4所示，刀具前刀面的磨損輕微，在放大 100倍的 SEM 電子掃描鏡上幾乎看不到磨損，磨損面積很?。@是因?yàn)?PCD刀具刃口非常鋒利，一般刃口鋸齒峰值小于 5,μm，刃口鈍圓半徑小于 4,μm．在絕大多數(shù)場(chǎng)合，PCD 刀具前刀面為鏡面，表面粗糙度可達(dá)0.01,μm，這樣可以使切屑沿前刀面容易流出，減小積屑瘤的產(chǎn)生．磨損的原因有微裂解、崩刃、粘結(jié)磨損、氧化和化學(xué)磨損等；由于工件材料中存在的硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)刀具產(chǎn)生微沖擊、間斷加工過程中產(chǎn)生瞬間熱應(yīng)力，以及機(jī)床主軸的跳動(dòng)、切削用量 ap與 f較小、刀屑接觸長(zhǎng)度很短、切削力集中在切削刃附近等因素，很容易造成刀具中金剛石顆粒剝落或崩刃．由圖 4可看出，刀尖處有輕微的材料脫落現(xiàn)象．

(2)為分析刀具的擴(kuò)散磨損現(xiàn)象，做PCD前刀面線掃描，如圖 5所示，線掃描可以減少刀具表面污染因素的影響，掃描線上各主要元素的分布如圖 6～圖12所示．其中氧元素來自于空氣，鋁、硅元素來自于工件，碳、鎢、鈷元素來自于刀具，鈣來自于切削液，表明刀具材料與工件材料發(fā)生了一定的擴(kuò)散現(xiàn)象，加劇了刀具磨損．由圖 8可以發(fā)現(xiàn)，碳元素的含量幾乎沒有變化，表明在金剛石刀具加工鋁合金的過程中碳元素的擴(kuò)散量很小，與本人在刀具的擴(kuò)散磨損的熱力學(xué)計(jì)算中的結(jié)論是一致的. 鋁元素的含量更加平穩(wěn)(見圖 9)，接近刀尖處的元素量增加可能是鋁合金的切屑粘附所致．硅元素在接近刀尖處的元素量突增(見圖 7)，初步估計(jì)是鋁合金中的硅元素與空氣中的氧元素發(fā)生了氧化反應(yīng)．由圖6氧元素的線掃描分布圖可知，刀尖附近氧元素的含量增加，也初步驗(yàn)證了該結(jié)論．為了深入分析硅元素含量突增的現(xiàn)象，對(duì)切屑進(jìn)行了 XPS分析，切屑的 C1s和 Si2p能譜分布見圖13和圖 14，在圖 14 Si2p能譜圖中，結(jié)合能尖峰在103.8,eV出現(xiàn)，表明切屑表面出現(xiàn)了氧化硅，在圖13,C1s能譜圖中，結(jié)合能尖峰在 283.5 eV 出現(xiàn)，表明切屑中出現(xiàn)了碳化硅，碳化硅是一種耐高溫的超硬材料，會(huì)對(duì)刀具的磨損產(chǎn)生影響. 鈷鎢元素作為刀具中的粘結(jié)相元素含量也沒有明顯的變化(見圖 10和圖11)，表明金剛石刀具在加工高硬度的鋁合金時(shí)具有很高的抗磨損能力，即使 ZL109中的高硬度硬質(zhì)點(diǎn)硅也未能使之大量脫落，是一種理想的加工鋁合金的刀具材料．由于切削液的使用，鈣元素含量稍有增加(見圖 12)．

圖4 PCD前刀面磨損形貌Fig.4 Wear morphology in rake face of PCD tool

圖5 PCD前刀面線掃描Fig.5 Line scanning in rake face of PCD tool

圖6 掃描線上的氧元素含量Fig.6 Components of oxygen element in line scanning

圖7 掃描線上的硅元素含量Fig.7 Components of silicon element in line scanning

圖8 掃描線上的碳元素含量Fig.8 Components of carbon element in line scanning

圖9 掃描線上的鋁元素含量Fig.9 Components of aluminum element in line scanning

圖10 掃描線上的鈷元素含量Fig.10 Components of cobalt element in line scanning

圖11 掃描線上的鎢元素含量Fig.11 Components of tungsten element in line scanning

圖12 掃描線上的鈣元素含量Fig.12 Components of calcium element in line scanning

圖13 C1s的XPS譜圖Fig.13 XPS spectrum of C1s

(3)為分析刀具元素碳在工件材料鋁合金中的擴(kuò)散情況，在鋁合金切屑上取區(qū)域 1，如圖 15所示，區(qū)域1中元素含量如表3所示．由表3可見，鋁合金切屑中出現(xiàn)了少量的碳元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.81，碳元素顯然是由刀具材料元素?cái)U(kuò)散而來，但擴(kuò)散量極小，表明刀具發(fā)生了輕微的擴(kuò)散磨損．

圖14 Si2p的XPS譜圖Fig.14 XPS spectrum of Si2p

圖15 鋁合金切屑Fig.15 Aluminum alloy chip

表3 鋁合金切屑中的元素含量Tab.3 Element components in aluminum alloy chip

(4)為進(jìn)一步分析擴(kuò)散現(xiàn)象，做刀具前刀面和后刀面上碳元素的線掃描，如圖16和圖17所示．由圖16和圖 17可知，在接近切削刃和遠(yuǎn)離切削刃處，碳元素的含量發(fā)生了細(xì)微的變化，接近切削刃處的碳元素含量低于遠(yuǎn)離切削刃處碳元素的含量，表明刀具材料中的碳元素流失了，由(3)分析可知碳元素是以擴(kuò)散的形式進(jìn)入到了鋁合金切屑中的．

圖16 掃描線上的碳元素分布(前刀面)Fig.16 Components of carbon element in line scanning Fig.16 (rake face)

圖17 掃描線上的碳元素分布(后刀面)Fig.17 Components of carbon element in line scanning(flank face)

由圖16和圖17還可以發(fā)現(xiàn)，前刀面上碳元素的流失數(shù)量級(jí)是 100，而后刀面上的數(shù)量級(jí)僅為 10，表明前刀面上的擴(kuò)散現(xiàn)象強(qiáng)于后刀面，這是由于前刀面上的切削溫度高于后刀面的緣故．

4 結(jié) 論

(1)從熱力學(xué)的角度研究了 PCD刀具的擴(kuò)散磨損規(guī)律，由于切削過程的復(fù)雜性，刀具的磨損原因不只一個(gè)，往往幾種磨損原因同時(shí)起作用，但在進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算時(shí)，只能從某一種磨損機(jī)理出發(fā)．

(2)利用熱力學(xué)理論求出了碳元素在鋁中的活度，推導(dǎo)出了金剛石刀具中碳元素在工件材料鋁中的溶解度模型，利用該熱力學(xué)模型用Matlab計(jì)算出不同溫度下PCD刀具加工鋁合金時(shí)刀具材料擴(kuò)散溶入工件材料中的濃度值，結(jié)果表明刀具材料元素在工件材料中的擴(kuò)散以指數(shù)函數(shù)的形式發(fā)生，隨著切削溫度的升高略有降低，變化平穩(wěn)，而且金剛石刀具中的碳元素在工件材料鋁合金中的溶解度很小，所以金剛石刀具在切削鋁合金時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的抗擴(kuò)散磨損的能力，非常適合加工鋁合金．XPS測(cè)試表明金剛石刀具中的碳元素與工件材料中的硅元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了硬度很高的碳化硅，可能會(huì)對(duì)刀具的磨損產(chǎn)生影響．

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