干切削奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9切削刀具磨損分析

黃華棟，徐云飛

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院 精密制造工程系，江蘇 蘇州 215104)

隨著不銹鋼應用范圍的逐漸擴大，國內外許多學者對不銹鋼的切削加工進行了大量的研究工作.龍震海[1]等對高速銑削馬氏體不銹鋼時切削力的非線性特征進行了研究，指出高速切削馬氏體不銹鋼時切削深度和進給量之間的交互作用對切削力有顯著影響，并且切削力與切削用量間確實存在非線性特征規(guī)律，切削用量對切削力的影響效應隨切削用量的變化而變化.Ibrahim[2]使用CVD復合涂層硬質合金刀具分別對奧氏體不銹鋼在不同的切削速度下進行車削加工，分別研究了切削速度、刀具材料及工件材料對切削力和工件表面質量的影響.刀具磨損主要決定于刀具材料、工件材料的物理機械性能和切削條件，直接影響加工效率、質量和成本[3].高效切削的關鍵技術是先進的刀具、良好的機床性能以及合理的工藝參數(shù)[4].

由于奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9切削時導熱系數(shù)小、粘性大，使得其切削加工性能很低，即使在較低的切削速度、進給量下也容易產生很高的切削溫度，并且刀具易磨損、粘刀[5-6].研究奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9在不同切削時間下的刀具磨損情況，結合切削力實驗中的經(jīng)驗，對改進加工工藝，提高刀具的使用性能以減少刀具消耗，提高加工功效具有重要的意義.

1 材料和方法

在磨損實驗中，選取了外圓直徑Φ40 mm的0Cr18Ni9不銹鋼工件作為試樣進行干切削，同時選取2個YBC151硬質合金涂層刀片上的4個刀刃分別進行了試車，時間計量精確到1 s.對于車削的刀片，使用KYKY北京中科科儀技術發(fā)展有限責任公司生產的KYKY-EM3200掃描電子顯微鏡，對切削刀具各磨損區(qū)域形態(tài)進行放大拍照取樣，并使用SEM Image圖像處理軟件對其磨損區(qū)域的大小進行標尺測量.

研究硬質合金刀具在同一切削參數(shù)和不同的切削時間下，刀具前刀面的磨損及后刀面的擦蝕變化情況.基于切削力測量試驗中的經(jīng)驗，選擇切削用量的參數(shù)為切削速度99 m/min、切削深度0.8 mm、進給量0.16 mm/r.刀具磨損試驗切削時間見表1.

表1 刀具磨損試驗切削時間

2 結果及分析

2.1 前刀面磨損比較

前刀面磨損的微觀形態(tài)，分別取放大倍數(shù)為50、150、500等倍掃描電鏡的SEM圖進行比較和分析.通過SEMImage圖像處理軟件對4個刀刃的前刀面的磨損情況進行測量.

1)1號刀刃前刀面磨損見圖1.切削時間為240 s，從前刀面的磨損情況可以看出，磨損剛剛開始，月牙洼有初步的形貌，但是寬度較小，還沒有完全的形成，離主切削刃還有一小段距離.從刀尖及主切削刃看，這些部位出現(xiàn)了小塊貝殼狀的剝落現(xiàn)象，這主要是因為硬質合金的表面涂層(TiCN、TiC)等脆性很大的材料在切屑的擠壓作用下，形成的積屑瘤在脫離前刀面的同時引發(fā)切削刃附近的拉、壓應力的交替變化，從而導致在切削刃附近產生微裂紋，隨著切削的繼續(xù)，裂紋將不斷擴展，最終引起剝落.同時可以注意到在主切削刃上已經(jīng)出現(xiàn)了不銹鋼材料的粘結，由于切屑連續(xù)通過前刀面，在其上面也出現(xiàn)了不銹鋼材料的粘結.同時，由于刀具在車削不銹鋼0Cr18Ni9材料時，切屑中的Ti顆粒在刀具表面產生耕犁作用，在前刀面可以看到明顯的磨料磨損造成的劃痕現(xiàn)象.

2)2號刀刃前刀面磨損見圖2.切削時間為480 s， 從2號刀刃的磨損情況可以看出，隨著切削時間的增加，月牙洼長度、寬度逐漸增大，在副切削刃靠近刀尖圓弧處已形成月牙洼磨損.而隨著切屑、工件材料和刀具間的不斷相對運動，刀具材料中的粘結相Co元素就會被粘結到切屑和工件材料中，被切屑和工件材料帶走，從而也就會在刀具的前刀面引起粘結磨損，經(jīng)放大磨損處發(fā)現(xiàn)，與邊界磨損面相連處的表層組織容易被剝落或有輕微崩刃現(xiàn)象.并且隨著切削的進行，前刀面的積屑瘤逐漸消失，而殘留的積屑瘤碎片等硬質點，也會對前刀面造成不同程度的劃傷.

3)3號刀刃前刀面磨損見圖3.切削時間為720 s，從3號刀刃的磨損情況看，前刀面的月牙洼磨損寬度增加并不明顯，但是長度進一步增加，深度上也有所增加.隨著切削時間的增加、溫度的上升，粘結磨損進一步增大，硬質合金中的Co迅速地擴散到切屑、工件中去，WC分解為W和C后擴散到不銹鋼中，因切屑、工件都在高速運動，刀具表面和它們的表面在接觸區(qū)保持著擴散元素的濃度梯度，從而有擴散磨損，并使得刀具磨損加劇.

4)4號刀刃前刀面磨損見圖4.切削時間為960 s，前刀面月牙洼磨損長度繼續(xù)增大，工件邊緣處的月牙洼磨損寬度最大，已與切削刃相連.在刀尖圓弧處可以明顯發(fā)現(xiàn)表層組織大片剝落并發(fā)生磨損.在主切削刃處，由于受到反復的熱應力、摩擦應力和接觸應力作用，并伴隨著強烈的機械和熱沖擊，再加上硬質合金硬度高、脆性大，又是粉末燒結材料，組織可能不均勻.加上由于0Cr18Ni9材料中存在較多促使刀具磨損的因素，具有熱傳導率較低的特點，切削時產生的熱量很難擴散，致使刀具溫度很高，切削刃受熱影響很明顯，從而加速刀具的擴散磨損；另外，不銹鋼材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高溫條件下會產生反應，出現(xiàn)成分析出、脫落，或生成其他化合物，都增加磨損現(xiàn)象的產生；這些因素積累到一定時間，使主切削刃出現(xiàn)明顯的崩刃現(xiàn)象.

通過SEMImage圖像處理軟件對4個刀刃的前刀面的磨損情況進行了測量，得到結果：1號到4號刀具的月牙洼磨損長度分別為1.555，1.726，1.898，1.968 mm；磨損平均寬度分別為0.209，0.223，0.232，0.247 mm；磨損最大寬度分別為0.372，0.484，0.492，0.517 mm.各刀刃前刀面磨損比較見圖5.

從圖5可以看出，隨著切削時間的增加，前刀面月牙洼磨損長度增大，當增大到一定長度后，增加趨緩；月牙洼磨損平均寬度基本上均勻增大，由于月牙洼的寬度取決于切屑的寬度，所以數(shù)值變化很??；月牙洼磨損最大寬度同樣呈均勻增大的趨勢，最大寬度集中在刀尖圓弧附近及主切削刃靠近工件外表面處.

2.2 后刀面磨損比較

后刀面磨損是由于加工表面和刀具后刀面存在著強烈的摩擦而產生的，在后刀面上毗鄰切削刃的地方被磨出的后角為零的小棱面.在切削速度較低、切削厚度較小的情況下，切削塑性材料及加工脆性材料時，主要發(fā)生后刀面磨損.

分別對4個刀刃后刀面靠近切削刃處進行放大取樣，并作比較分析.

1)1號刀刃后刀面磨損見圖6.后刀面在磨損過程中產生一條磨損帶，磨損比較輕微，在靠近主切削刃的后刀面處，出現(xiàn)小面積的表面擦蝕，遠離切削刃，變?yōu)辄c擦蝕，刀具的表面涂層已經(jīng)受到磨損而露出基體.在主切削刃上，局部出現(xiàn)微小崩刃，但刃口依然鋒利，同時部分刃口上已經(jīng)開始出現(xiàn)了不銹鋼材料的粘結現(xiàn)象.

2)2號刀刃后刀面磨損見圖7.在靠近主切削刃的后刀面處，同樣出現(xiàn)小面積的表面擦蝕，遠離切削刃，變?yōu)辄c擦蝕，但與1號刀刃相比，磨損帶明顯變寬，整個面蝕的面積也在變大.同時在后刀面上出現(xiàn)了少許切屑，說明在切削加工時，后刀面不光是和已加工表面有摩擦，和部分切屑也形成了摩擦.在切削刃上也已經(jīng)出現(xiàn)明顯的后刀面磨損，同時在硬質合金刀具沿刀尖的周圍均出現(xiàn)了較嚴重的粘結現(xiàn)象.

3)3號刀刃后刀面磨損見圖8.隨著切削時間的增加，后刀面的磨損進一步增加，在后刀面靠近切削刃處，已磨損嚴重，后刀面的基體已有部分剝落.

4)4號刀刃后刀面磨損見圖9.與之前的后刀面磨損情況相比，4號刀刃被擦蝕的面積明顯增大，磨損變深.在主切削刃部位出現(xiàn)了明顯的崩刃現(xiàn)象.

通過SEMImage圖像處理軟件對4個刀刃的后刀面的磨損量進行了測量，結果分別為0.102，0.127，0.174，0.223 mm.各刀刃后刀面磨損比較見圖10.

由于不銹鋼的熱導率低、塑性變形大，使得粘結磨損主要集中在刀具的刀尖部位，切屑的不斷流走使得刀具材料連續(xù)不斷地被帶走，因此在刀尖部位形成了較深的凹陷，在刀尖的下方區(qū)域由于粘附層的不斷加厚，粘附點斷裂轉移到切屑一側，切屑在此區(qū)域形成堆積.同時隨著時間的增加，后刀面的磨損趨勢越來越快.總的來說，后刀面與前刀面相比磨損不大.

3 刀具磨損機理分析

3.1 刀具EDAX圖譜分析

為了進一步分析刀具磨損的原因，本實驗對之前刀具磨損實驗中使用的各個刀刃的磨損處進行了能譜分析，并對其EDAX圖譜進行了分析研究.在進行能譜分析時，為對比研究，除了之前的4個刀刃，另增加了1個沒有進行切削的5號新刀刃進行分析.在每個刀刃上的取樣范圍基本上確定為各刀刃后刀面的同一位置，并進行能譜分析，以便了解不同切削時間下磨損部位的各成分情況.

5號刀刃后刀面的EDAX圖譜如圖11所示，Ti、N、O原子呈現(xiàn)較高的衍射峰，符合刀具材料涂層的特點，但在未進行切削的5號刀刃的EDAX圖譜中出現(xiàn)了少量的Fe和Cr原子，可能是在進行EDAX圖譜檢測前，該刀片被其他進行過切削的刀片污染，而沾染到的切屑.

1號刀刃后刀面的EDAX圖譜如圖12所示.和圖11相比，刀具涂層的重要成分N原子已經(jīng)不再出現(xiàn)，Ti原子的含量也從60.29%下降到1.79%，而W、C原子此時呈現(xiàn)高的衍射峰，分別達到了38.16%和31.20%，同時Co原子的含量也達到了2.34%，這充分說明在經(jīng)過一段時間的切削，刀具表面和工件表面相互摩擦產生的機械應力會使得刀具表面的涂層產生裂紋，最終喪失涂層與基體材料之間的粘合力，產生涂層的剝離，露出了刀具的基體材料(WC和Co).除此之外，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ni等這些不銹鋼0Cr18Ni9材料所含的成分在圖譜中也出現(xiàn)了衍射峰，說明在切削工件時，材料與工件的相互摩擦，已經(jīng)產生了粘結磨損，使得少量的不銹鋼材料被粘在刀具的表面.值得注意的是圖12中O原子的含量比圖11中有所上升，說明在切削過程中，由于切削產生的高溫，使得Fe原子和空氣中的氧氣發(fā)生了化學反應，生成了氧化鐵產物，同樣粘結在刀具的表面.

2號刀刃后刀面的EDAX圖譜如圖13所示.Fe、Cr、Ni、Mn等原子的含量與圖12各原子的含量相比已大幅上升，C、W等刀具基體原子的含量已有明顯下降，而Co原子的含量則略有下降，說明隨著切削時間的增加，刀具與工件之間的原子粘結和擴散由表及里，逐步擴散.粘結磨損中粘結現(xiàn)象的出現(xiàn)，其內在原因主要是由于刀具材料中的Co元素和工件材料中的Fe、Ni元素同屬于鐵族元素，彼此間的化學親和性很強，而隨著工件材料和刀具間的不斷相對運動，刀具材料中的粘結劑Co元素就會被粘結到工件材料中，被工件材料帶走，從而也就會在刀具的后刀面引起粘結磨損，而Co元素的減少會加劇刀具的磨損.

3號刀刃后刀面的EDAX圖譜如圖14所示.隨著切削時間的增加，磨損進一步增加，3號刀刃上EDAX圖譜選取的檢測區(qū)域有部分已經(jīng)剝離，此時C、Fe、W等原子均呈現(xiàn)較高的衍射峰，但C、W原子含量與圖13相比有所上升，而Fe、Ni、Cr等原子含量則有所下降.說明隨著磨損的增加，刀具表面和材料表面會因粘結受拉和受剪而相互剝離，露出新的基體.

4號刀刃后刀面的EDAX圖譜如圖15所示.此時呈現(xiàn)較高的衍射峰的元素與圖14比較類似，只是各元素含量上略有變化，說明在這段切削時間內，由于不斷磨損露出的新的基體邊緣較為鋒利，事實上在該區(qū)域形成了微小的切削刃；同時在切削過程中形成了積屑瘤也粘結在這微小的切削刃上，造成不銹鋼材料的各元素比圖14略高.

3.2 刀具磨損機理分析

0Cr18Ni9不銹鋼的導熱性差及加工硬化嚴重，使切削區(qū)的溫度很高，在涂層刀具與工件之間容易產生粘結磨損.刀具材料與工件材料相互粘結時的溫度對粘結劇烈程度影響很大.

由于工件材料和工件表面持續(xù)接觸摩擦，在刀具表面上施加持續(xù)的機械應力，這種應力會在涂層上逐漸形成微小的裂紋.微小裂紋的擴展會逐漸導致更大裂紋的形成，以及隨之而來的涂層與基體材料粘合力的喪失，最終造成涂層的剝落，使刀尖嚴重磨損.

在實際刀具切削0Cr18Ni9不銹鋼材料時，由于刀具材料中的Co元素和工件材料中的Fe、Ni元素同屬于鐵族元素，故彼此間的化學親和性很強，容易相互粘結；同時在車削過程中刀具切入工件時產生的切削熱及溫度梯度引起的壓應力，使刀具和工件材料在高溫高壓下也容易發(fā)生粘結，造成了粘結磨損.

而隨著工件材料和刀具間的不斷相對運動，刀具和工件摩擦面的化學元素會互相擴散到對方中去，使兩者的化學成分發(fā)生變化，從而削弱刀具的材料性能，加速刀具的磨損，產生擴散磨損.如刀具材料中的粘結劑Co元素就會被粘結到切屑和工件材料中，被切屑和工件材料帶走，從而使刀具基體的性能下降.同時在切削時，在一定的溫度下，刀具材料中的一些元素與周圍某些介質起化學反應，生成不同的氧化膜和粘附膜，有的起一定的保護作用，可防止進一步氧化，有的形成較軟的化合物，使刀具材料中的硬質相顆粒容易被粘走，降低了刀具的材料性能，使得刀具磨損增大.

所以，實驗所用的YBC151硬質合金涂層刀具切削0Cr18Ni9不銹鋼材料時，刀具磨損的主要原因是機械應力和沖擊、粘結磨損、擴散磨損及一定的氧化磨損.

4 結論

通過YBC151硬質合金涂層刀具對0Cr18Ni9不銹鋼進行干切削試驗，研究了不同時間下刀具前后刀面的磨損情況，并對后刀面進行能譜分析，得出以下結論：

1)涂層硬質合金刀具的磨損形態(tài)主要表現(xiàn)為前刀面磨損、后刀面磨損、微崩刃和涂層剝落等現(xiàn)象.

2)0Cr18Ni9不銹鋼的切削過程中，涂層硬質合金刀具的后刀面的磨損比較輕微；而在涂層硬質合金刀具的沿刀尖周圍均出現(xiàn)了較嚴重的粘結現(xiàn)象，在硬質合金刀具前刀面的刀—屑接觸區(qū)域也都出現(xiàn)了較明顯的劃痕現(xiàn)象；此外，當車削速度較低時，受積屑瘤的影響，在刀具的前刀面還出現(xiàn)了貝殼狀的剝落現(xiàn)象.

3)在切削0Cr18Ni9不銹鋼材料時，刀具磨損的主要原因是機械應力和沖擊、粘結磨損、擴散磨損及一定的氧化磨損，而積屑瘤的生長和脫落也給刀具的磨損造成了一定的影響.

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