高強(qiáng)度鋼加工硬質(zhì)合金刀片粘結(jié)破損與刀—屑元素?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究

劉利++程耀楠++韓禹++徐明++王彤++嚴(yán)復(fù)鋼

摘要：針對筒節(jié)重型切削加工過程硬質(zhì)合金刀片容易出現(xiàn)粘結(jié)破損問題，進(jìn)行硬質(zhì)合金刀片粘結(jié)破損機(jī)理分析，并進(jìn)行工件材料與刀片材料元素?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究.首先，分析刀一屑粘結(jié)形成實(shí)質(zhì)，并根據(jù)筒節(jié)重型切削加工條件和材料特性分析刀片粘結(jié)破損形成條件；然后，分析硬質(zhì)合金刀片粘結(jié)破損機(jī)理；進(jìn)而，設(shè)計(jì)元素?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行高溫條件下的元素?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)，對試塊擴(kuò)散剖面進(jìn)行擴(kuò)散元素分析；最后，分析擴(kuò)散元素的種類、擴(kuò)散距離和擴(kuò)散濃度，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以研究粘結(jié)層強(qiáng)度及其對刀片粘結(jié)破損的影響，研究結(jié)果將為深入研究刀片粘結(jié)破損及刀片新材質(zhì)開發(fā)提供一定的依據(jù)，

關(guān)鍵詞：粘結(jié)破損；元素?cái)U(kuò)散；高強(qiáng)度鋼；硬質(zhì)合金

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.009

中圖分類號：TG501

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）05-0046-05

0 引言

加氫反應(yīng)器是煉油、煤液化生產(chǎn)中的關(guān)鍵裝備，重量可達(dá)到數(shù)百噸甚至上千噸，是由數(shù)段經(jīng)過切削加工的筒節(jié)焊接而成的，加氫反應(yīng)器是高溫高壓裝置，筒節(jié)是加氫反應(yīng)器的關(guān)鍵零件，所以筒節(jié)材料采用抗拉強(qiáng)度特別高的耐熱特種鋼2.25Cr-lMo-0.25V鋼.并且其直徑最大可達(dá)6.4m，最大高度達(dá)5.8m，是通過重型車削鍛造毛坯的方式制造的，筒節(jié)毛坯最大重量可達(dá)數(shù)百噸，并且鍛件表面狀態(tài)非常惡劣，其表面有坑包型、溝槽型、褶皺型和夾砂等鍛造缺陷.筒節(jié)荒加工時，切削參數(shù)明顯區(qū)別于普通切削過程，其切削加具有切削深度大（最大可達(dá)30mm以上）、材料去除量大（最大可達(dá)50%）等特點(diǎn)，由于鍛造缺陷的作用，切削深度是不斷變化的，甚至使切削處于斷續(xù)切削的狀態(tài)（筒節(jié)加工過程如圖1所示）.相對于普通車削加工來講，在工藝方而有很大的不同.

2.25Cr-l Mo-0.25V鋼是低碳合金鋼，具有很高的紅硬性與熱韌性等特性，其高溫力學(xué)性能明顯高于普通碳素鋼，這就進(jìn)一步增加了鍛件加工的難度，并且，切削時不易斷屑，纏繞在刀片上的切屑容易破壞刀刃.在重型車削參數(shù)及工件材料的難加工性的共同作用下，筒節(jié)鍛件切削過程中切削力可達(dá)數(shù)噸，刀一屑接觸界面摩擦非常距離，切削溫度可達(dá)1000℃，導(dǎo)致切削過程中硬質(zhì)合金刀片失效非常嚴(yán)重，刀片的粘結(jié)破損是筒節(jié)荒加工刀片的主要失效形式之一（如圖l所示），這嚴(yán)重影響了刀片壽命和生產(chǎn)效率.因此本文進(jìn)行筒節(jié)重型切削過程中硬質(zhì)合金刀片粘結(jié)破損機(jī)理分析和刀片材料與工件材料的元素?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究，為深入研究刀片的粘結(jié)失效提供依據(jù).

1 刀-屑粘結(jié)破損機(jī)理

粘結(jié)破損是刀片常見的磨損形式，在重型切削高強(qiáng)度鋼過程中，刀片粘結(jié)失效更是占有很大比例.研究刀片粘結(jié)現(xiàn)象本質(zhì)以及粘結(jié)機(jī)理，有利減少刀片破損出現(xiàn)的頻率并進(jìn)行工藝參數(shù)和刀片的優(yōu)化，從而為重型切削刀片開發(fā)設(shè)計(jì)、提高其壽命及加工效率打下基礎(chǔ).

1.1 粘結(jié)形成實(shí)質(zhì)

將圖2（a）所示的刀片上粘結(jié)的切屑掰下，切屑并不是從刀一屑粘結(jié)界面分離，而是帶走了部分刀片材料，使刀片切削區(qū)域形成凹坑，如圖2（b）所示.原因是刀一屑之間形成了牢固的粘結(jié)，粘結(jié)部分強(qiáng)度已經(jīng)超過切削區(qū)域硬質(zhì)合金刀片內(nèi)部材料的結(jié)合強(qiáng)度，這種粘結(jié)現(xiàn)象與壓力焊相似，即在一定的壓力下，使切削區(qū)域的刀片材料與工件材料緊密接觸，在較高的溫度和一定的時間條件下，雙方材料元素發(fā)生擴(kuò)散，形成粘結(jié).

1.2 粘結(jié)破損機(jī)理分析

采用Deform-3D有限元仿真軟件進(jìn)行重型硬質(zhì)合金刀片切削筒節(jié)材料仿真，切削參數(shù)為v_c=60m/min，a_p=20mm，f=1.6mm/r.通過圖3的仿真結(jié)果可知，仿真過程中切削區(qū)域最高切削溫度可達(dá)1000℃以上，切削力最大可達(dá)3.56t.這就為刀一屑的粘結(jié)提供了物理?xiàng)l件，

在切削力的作用下，切屑在前刀面不斷的流動和摩擦，破壞了刀片表面的涂層.而光滑的金屬表面在微觀范圍內(nèi)也是非常粗糙的，由于切削力的作用，切削區(qū)域工件與刀片接觸界面上的凸起發(fā)生相互接觸、摩擦和擠壓，局部的壓力引起材料塑性流動，使材料露出新鮮的表面，則刀片與工件材料以化學(xué)純凈的表面直接接觸，就為材料間的元素?cái)U(kuò)散提供了條件，很高的切削溫度會加速元素的擴(kuò)散，最終使切屑與刀片在切削區(qū)域形成了冷焊層，從而使切屑與硬質(zhì)合金刀片粘結(jié).

圖3重型切削簡節(jié)材料過程仿真

切削筒節(jié)用的是YT15硬質(zhì)合金刀片，YT15硬質(zhì)合金主要是由硬質(zhì)相WC、TiC與粘結(jié)相Co組成的，粘結(jié)相Co的濃度決定著硬質(zhì)合金的強(qiáng)度，同時也決定了工件材料與刀片材料之間的親和力大小. Fe元素是工件材料中的主要元素，它與刀片材料的中的粘結(jié)相Co屬于同族的過渡元素，所以它們具有較大的親和性，容易形成固溶體，如圖4所示，通過對刀一屑粘結(jié)處進(jìn)行能譜分析，除了刀片材料的主要元素外，能譜分析圖中還存在大量的工件材料擴(kuò)散元素，如Fe、V、Mo、Cr等，其中也存在刀片材料中的Ti元素（工件材料化學(xué)成分如表1所示）.

刀片材料與工件材料之間的元素?cái)U(kuò)散是刀片粘結(jié)破損的主要原因之一.有必要對元素?cái)U(kuò)散進(jìn)行定量分析，從而為深入研究刀一屑粘結(jié)層形成機(jī)理及強(qiáng)度提供基礎(chǔ).因此，進(jìn)行刀片與工件材料的元素?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)，對粘結(jié)過程中的元素進(jìn)行定量分析.

2 刀-屑元素?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)

2.1 工件材料與刀片材料的元素?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行2.25Cr-lMo-0.25V鋼材料與硬質(zhì)合金刀片材料的元素?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)，所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表2所示.切削過程中前刀面受到的壓力和實(shí)驗(yàn)過程中試塊受到的壓力對元素?cái)U(kuò)散會有一些影響，但是影響不大，尤其是固體之間的元素?cái)U(kuò)散，所以在實(shí)驗(yàn)過程中忽略了壓力的影響，沒有控制壓緊力.元素?cái)U(kuò)散過程中壓力的作用是使兩種材料在微觀條件下緊密接觸，為了達(dá)到這個目的，對試塊接觸表面進(jìn)行了金相拋光，在壓板的壓力下，兩種材料可以緊密接觸，首先，通過線切割機(jī)床等將硬質(zhì)合金棒和工件切割成較小試塊（硬質(zhì)合金棒：φ16xl0mm；工件材料：20×20×10mm），用磨床磨平，然后用金相砂紙拋光，并且用硝酸酒精清洗試塊，最后通過壓板與螺栓將工件材料和刀片材料試塊壓緊在一起，如圖5（a）所示，

將壓緊的試件放入坩堝電阻爐（額定溫度1000℃）加熱，坩堝爐有溫度控制儀，將溫度設(shè)定為800℃并且保持這個溫度持續(xù)加熱1h，實(shí)驗(yàn)如圖5（b）所示.

2.2 擴(kuò)散元素濃度測量

用線切割機(jī)床將加熱擴(kuò)散后的硬質(zhì)合金棒沿軸線縱剖，然后對硬質(zhì)合金棒剖面進(jìn)行磨平、金相拋光和超聲波清洗，通過SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電子顯微鏡進(jìn)行硬質(zhì)合金棒剖面的能譜分析，分析T件材料向刀片材料擴(kuò)散元素的種類、質(zhì)量分?jǐn)?shù)及擴(kuò)散的距離等，實(shí)驗(yàn)如圖6所示.圖6（b）為硬質(zhì)合金棒剖面放大4000倍后的測量點(diǎn)布置圖，能譜測量點(diǎn)相隔約1μm左右，先分別對各個測量點(diǎn)進(jìn)行了能譜分析，然后對圖中所示距離進(jìn)行了線掃描，從而獲得在此距離內(nèi)元素含量的連續(xù)變化趨勢，如圖6（c）所示.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過能譜分析得到元素百分含量表，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散元素有V、Cr、Fe等元素，根據(jù)5個測量點(diǎn)和線掃描的能譜分析數(shù)據(jù)，可知元素?cái)U(kuò)散距離與擴(kuò)散距離內(nèi)的元素含量變化規(guī)律，如圖7（a）是3種T件材料元素在刀片材料中的擴(kuò)散距離.v元素的擴(kuò)散距離為3μm，F(xiàn)e元素的擴(kuò)散距離為15μm左右，Cr元素的擴(kuò)散距離為7μm. Fe元素的初始濃度較高，擴(kuò)散距離最長，圖7（b）是Fe在硬質(zhì)合金中質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨擴(kuò)散距離的變化規(guī)律，隨著擴(kuò)散深度的增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯下降，

通過對擴(kuò)散元素的定量分析，可以得到刀一屑粘結(jié)層元素種類、濃度和擴(kuò)散梯度，研究粘結(jié)層強(qiáng)度及其對刀片材料的剪切作用，為刀片新材質(zhì)開發(fā)提供一定的基礎(chǔ).

4 結(jié)語

進(jìn)行了重型切削筒節(jié)材料硬質(zhì)合金刀片粘結(jié)破損機(jī)理分析，并對刀片材料和工件材料元素?cái)U(kuò)散進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到的結(jié)論如下：

1）刀一屑粘結(jié)是因?yàn)榈镀c工件材料在切削區(qū)域形成冷焊層，其形成實(shí)質(zhì)類似于金屬材料之間的壓力焊.

2）進(jìn)行了筒節(jié)材料的重型切削仿真分析，仿真過程中切削區(qū)域最高切削溫度可達(dá)1000℃以上，切削力最大可達(dá)3.5t，使刀片與工件切削區(qū)域材料在筒節(jié)重型切削過程中發(fā)生塑性流動，并以新鮮化學(xué)表面接觸，在元素?cái)U(kuò)散的作用下，在切削區(qū)域形成冷焊層，最終導(dǎo)致刀一屑粘結(jié).

3）設(shè)計(jì)并進(jìn)行了刀片與工件材料的元素?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)，通過對硬質(zhì)合金試塊剖面進(jìn)行的擴(kuò)散元素能譜分析，發(fā)現(xiàn)工件材料向刀片材料擴(kuò)散元素有V、Cr、Fe等元素，它們的擴(kuò)散距離分別為3μm，15μm和7μm左右，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為深入研究刀一屑粘結(jié)層強(qiáng)度和刀片新材質(zhì)開發(fā)提供了一定的依據(jù).