能譜法在涂層刀片磨損狀態(tài)分析中的應(yīng)用

王 培,王俊波,陳川蘭

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011)

能譜法在涂層刀片磨損狀態(tài)分析中的應(yīng)用

王 培,王俊波,陳川蘭

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011)

采用CVD涂層刀片對(duì)球墨鑄鐵QT700-2進(jìn)行切削試驗(yàn),用影像儀對(duì)刀片的磨損值進(jìn)行檢測(cè);用掃描電鏡結(jié)合能譜儀對(duì)刀片磨損部位進(jìn)行定性分析,能直觀地觀察到刀片不同磨損部位的磨損狀態(tài),有助于涂層刀片磨損失效的機(jī)理研究。

能譜法;涂層刀片;球墨鑄鐵;磨損

1　引言

硬質(zhì)合金刀片表面涂層技術(shù)有效地解決了刀片材料的硬度、耐磨性與強(qiáng)度、韌性之間的矛盾,提高了切削刀片的使用壽命和機(jī)械加工效率[1]。在高速切削條件下,不同刀片材料與工件材料匹配時(shí)的刀片磨損形態(tài)主要表現(xiàn)為前刀面磨損、后刀面磨損、微崩刃、剝落和破損等[2];不同的涂層種類在切削過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出不同的表面磨損狀態(tài)。氧化鋁涂層具有高的強(qiáng)度和硬度,以及優(yōu)良的耐磨性能和較低的摩擦系數(shù)[3]。在刀片涂層領(lǐng)域被廣范應(yīng)用。采用Ti(C,N)+Al2O3復(fù)合CVD涂層刀片對(duì)球墨鑄鐵QT700-2進(jìn)行切削試驗(yàn),用影像儀對(duì)刀片的后刀面磨損值進(jìn)行檢測(cè);用掃描電鏡結(jié)合能譜儀對(duì)刀片后刀面磨損部位進(jìn)行定性分析,著重觀察氧化鋁涂層在切削過(guò)程中的磨損狀態(tài)。

2　實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)刀片

實(shí)驗(yàn)選用自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司生產(chǎn)的數(shù)控車削刀片,型號(hào)選擇WNMA080408,涂層為Ti(C,N)+Al2O3復(fù)合CVD涂層。

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

日本日立電子S-3000N掃描電子顯微鏡

HORIBA有限公司EMAX-320X射線能譜儀

Easson 2D影像儀

實(shí)驗(yàn)機(jī)床:DL20M

2.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

用實(shí)驗(yàn)刀片在車床上對(duì)球墨鑄鐵QT700-2進(jìn)行外圓車削(切削參數(shù)見表1),切削后的刀片分四個(gè)步驟進(jìn)行觀測(cè):

(1)影像儀測(cè)量:在主切削刃正中的后刀面上測(cè)量磨損值。

(2)掃描電鏡測(cè)量:在刀片后刀面磨損區(qū)域不同形態(tài)上面取點(diǎn)進(jìn)行能譜分析,分析其主要成分。

(3)用鹽酸清洗刀片磨損面上粘附雜質(zhì)后,再用掃描電鏡測(cè)量:在刀片后刀面磨損區(qū)域不同形態(tài)上面取點(diǎn)進(jìn)行能譜分析,分析其主要成分。

(4)用鹽酸清洗刀片磨損面上粘附雜質(zhì)后,再用影像儀測(cè)量:在主切削刃正中的后刀面上測(cè)量磨損值。

表1　切削參數(shù)

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1影像儀測(cè)量

對(duì)實(shí)驗(yàn)刀片磨損部位用影像儀進(jìn)行觀察(見圖1)發(fā)現(xiàn),磨損部位有兩個(gè)區(qū)域,這兩個(gè)區(qū)域之間有不太清晰的分界線,刀片的真實(shí)磨損位置無(wú)法準(zhǔn)確分辨。

圖1　磨損部位光學(xué)投影照片

3.2掃描電鏡測(cè)量

對(duì)實(shí)驗(yàn)刀片磨損部位用掃描電鏡進(jìn)行觀察(見圖2),并選擇了4個(gè)區(qū)域進(jìn)行能譜測(cè)量(見表2)。譜圖1和譜圖2對(duì)應(yīng)圖1中的區(qū)域①,譜圖3和譜圖4對(duì)應(yīng)圖1中的區(qū)域②。

圖2　磨損部位掃描電鏡照片

表2　磨損部位能譜測(cè)量結(jié)果(%)

從能譜測(cè)量結(jié)果可以看出,磨損部位有大量的鐵元素粘附,甚至把刀片的涂層和基體完全遮蓋。與圖1中區(qū)域②對(duì)應(yīng)的位置測(cè)量到有鋁元素存在,此區(qū)域可能涂層并未完全磨損,因此區(qū)域②是否應(yīng)定為磨損區(qū)域,還需進(jìn)一步確定。

3.3鹽酸清洗后,掃描電鏡測(cè)量

為了清除實(shí)驗(yàn)刀片表面粘附的鐵元素,用稀鹽酸對(duì)實(shí)驗(yàn)刀片進(jìn)行浸泡清洗,然后再對(duì)磨損部位進(jìn)行掃描電鏡觀察,并進(jìn)行能譜測(cè)量(見圖3、表3)。

圖3　鹽酸清洗后的磨損部位掃描電鏡照片

表3　鹽酸清洗后的磨損部位能譜測(cè)量結(jié)果(%)

能譜測(cè)量結(jié)果表明,與圖1中區(qū)域①對(duì)應(yīng)的譜圖1、2、4均有鎢元素被檢測(cè)到,說(shuō)明此區(qū)域的涂層已經(jīng)被磨掉,露出了涂層下面的硬質(zhì)合金基體。譜圖3對(duì)應(yīng)圖1中區(qū)域①和區(qū)域②的交界處,此處能譜測(cè)量結(jié)果中出現(xiàn)了鈦元素,說(shuō)明此處為Ti(C,N)。譜圖5與圖1中區(qū)域②對(duì)應(yīng),能譜測(cè)量結(jié)果表明此處Al2O3涂層尚未被磨掉。

3.4鹽酸清洗后,影像儀測(cè)量

用稀鹽酸浸泡清洗后的實(shí)驗(yàn)刀片在影像儀下再次進(jìn)行觀察(見圖4),可以清晰地看出,區(qū)域①是涂層被磨損后露出的硬質(zhì)合金基體;區(qū)域②是涂層的最外層Al2O3層,只是有明顯的摩擦痕跡;區(qū)域③是涂層的內(nèi)層Ti (C,N)層。

圖4　鹽酸清洗后的磨損部位光學(xué)投影照片

4　結(jié)論

(1)通過(guò)掃描電鏡觀測(cè),可以更直觀地分析刀片的磨損狀況。

(2)通過(guò)能譜儀對(duì)刀片磨損區(qū)域成分的定性分析,能正確確定磨損帶終止位置,從而準(zhǔn)確測(cè)量刀片的磨損值。

(3)通過(guò)電鏡觀測(cè),可以對(duì)切削機(jī)理以及切削過(guò)程做進(jìn)一步研究和判定。

通常認(rèn)為,涂層刀片磨損見到基體以后,刀片會(huì)十分迅速地破損失效。通過(guò)掃描電鏡和能譜儀檢測(cè),加工QT700-2材料,刀片后刀面在很寬的磨損帶上,涂層已經(jīng)全部剝落露出了硬質(zhì)合金基體。涂層刀片在切削過(guò)程中不可能在其失效的瞬間突然出現(xiàn)這樣大規(guī)模而且如此整齊的涂層全面剝落,因此在涂層刀片完全失效之前,就有部分區(qū)域的涂層剝落露出了硬質(zhì)合金基體,在磨損到了硬質(zhì)合金基體以后,刀片仍然堅(jiān)持切削了一段時(shí)間,而后隨著后刀面磨損的增加直至切削力、切削溫度超過(guò)了刀片的使用極限,刀片破損失效。

[1] 趙海波.國(guó)內(nèi)外切削刀片涂層技術(shù)發(fā)展綜述[J].工具技術(shù),2002,36(7):3-7.

[2] 劉戰(zhàn)強(qiáng),艾興.高速切削刀片磨損表面形態(tài)研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2002,22(6):468-471.

[3] 王廷軍.氧化鋁陶瓷涂層與球墨鑄鐵的摩擦磨損特性及機(jī)理的研究[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào),1997,17(4):1-4.

The Application of EDS in Coating Blade Wear Condition Analysis

WANG Pei,WANG Jun-bo,CHEN Chuan-lan
(Zigong Cemented Carbide Co.,Ltd.,Zigong 643011,Sichuan,China)

In this paper,the QT700-2 ductile iron is cut by CVD coating blade.The blade wear is tested by the video measurement system,and the blade wear parts was analyzed by scanning electron microscopy combined with EDS.Different blade wear of wear parts can be observed visually, and it is helpful to the study of mechanism of coated blade wear failure.

EDS;coating blade;ductile iron;wear

1001-5108(2016)02-0064-03

O657

B

王 培,男,高級(jí)工程師,主要從事分析檢測(cè)技術(shù)工作。