高溫合金GH2132的耐用度和磨損規(guī)律

潘益寧

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高溫合金GH2132的耐用度和磨損規(guī)律

潘益寧

杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018

本文通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究了高溫合金GH2132在無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具、TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具和C7 PLUS涂層硬質(zhì)合金刀具切削下的耐用度和磨損規(guī)律。結(jié)果表明：C7 PLUS涂層硬質(zhì)合金刀具切削的耐用度最好；磨損規(guī)律分析表明硬質(zhì)合金刀具在切削GH2132合金時(shí)，低速時(shí)刀具主要發(fā)生粘結(jié)磨損和磨粒磨損，高速時(shí)主要發(fā)生擴(kuò)散磨損，同時(shí)也會(huì)發(fā)生磨粒磨損。

高溫合金GH2132; 耐用度; 磨損規(guī)律

高溫合金GH2132的切削加工性能較中碳鋼差很多[1]，切削過(guò)程中刀具磨損嚴(yán)重且加工效率低下，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的要求，如何提高和改進(jìn)GH2132的切削加工性能已成為必須解決的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析了適合切削GH2132的刀具材料，然后進(jìn)行了刀具磨損試驗(yàn)，分析了刀具磨損的機(jī)理和原因。

1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)研究的高溫合金GH2132屬于鐵基變形高溫合金，其高溫強(qiáng)度很高，切削時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，屬典型的難加工材料，所以本試驗(yàn)選取耐熱性好且硬度強(qiáng)度均較高的硬質(zhì)合金刀具[2-4]，涂層分別為未涂層、TiAlN涂層和納米組合涂層，各刀具品牌及型號(hào)如表1所示：

表 1 各刀具參數(shù)表

試驗(yàn)切削材料為高溫合金GH2132棒料Φ100×300 mm，試驗(yàn)車(chē)床為能夠進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速的CA6140普通車(chē)床，主軸最大轉(zhuǎn)速為1400 r/min，最大功率為7 kW；刀具磨損使用50倍光學(xué)顯微鏡進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合實(shí)際情況選擇的刀具的磨損標(biāo)準(zhǔn)如下：

①=0.3 mm ②max=0.4 mm ③=0.6 mm

在切削過(guò)程中，只要達(dá)到上述一個(gè)指標(biāo)就認(rèn)為刀具失效。通常情況下，刀具磨損主要與切削速度、進(jìn)給量和切削深度三個(gè)因素有關(guān)[5,6]，而切削速度對(duì)磨損的影響最大，由于刀具昂貴，此處僅研究切削速度對(duì)刀具磨損的影響，整個(gè)切削過(guò)程為干切削。

2 結(jié)果及分析

2.1 YS8硬質(zhì)合金刀具切削試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的進(jìn)給量為0.1 mm/r，切削深度為0.5 mm，根據(jù)該刀具的實(shí)際切削能力選擇35 m/min、50 m/min和65 m/min三種不同的切削速度。各切削速度下試驗(yàn)獲取的刀具磨損曲線如圖1所示。

圖 1 YS8刀具的VB隨時(shí)間的變化

將圖1中刀具磨損的數(shù)據(jù)整理后列表如表2所示，然后在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中繪制YS8刀具的耐用度曲線，具體如圖2所示。

表 2 YS8刀具的耐用度

圖 2 YS8刀具的耐用度曲線

對(duì)以上各組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)式m=0得到-方程，具體如式1所示：0.4420=175.88 (1)

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，YS8未涂層刀具的壽命隨著切削速度的提高而降低，當(dāng)切削速度達(dá)到65 m/min時(shí)，刀具壽命僅有9 min。

2.2 三菱TiAlN涂層刀具切削試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的進(jìn)給量為0.1 mm/r，切削深度為0.5 mm，根據(jù)該刀具的實(shí)際切削能力選擇35 m/min、50 m/min和65 m/min三種不同的切削速度。各切削速度下試驗(yàn)獲取的刀具磨損曲線如圖3所示。

圖 3 TiA1N涂層刀具的VB隨時(shí)間的變化

將圖3中刀具磨損的數(shù)據(jù)整理后列表如表3所示，然后在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中繪制TiA1N涂層刀的耐用度曲線，具體如圖4所示：

表 3 TiA1N涂層刀具的耐用度

圖 4 TiA1N涂層刀具的耐用度曲線

對(duì)以上各組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)式m=0得到-方程，具體如式2所示：0.2014=88.7 (2)

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，刀具壽命隨著切削速度的增加逐漸降低。當(dāng)切削速度為65 m/min時(shí)，刀具磨損快速增加，所以使用TiAlN涂層刀具切削GH2132時(shí)，應(yīng)將切削速度控制在50 m/min左右，如果切削速度過(guò)高會(huì)造成刀具的性能下降，磨損增加，減少刀具的使用壽命；切削速度太低會(huì)導(dǎo)致材料去除率太小，且容易產(chǎn)生積屑瘤。

2.3 丹麥尤尼莫克C7 PLUS涂層刀具切削試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的進(jìn)給量為0.1 mm/r，切削深度為0.5 mm，但C7 PLUS涂層刀具的切削性能比上述兩種刀具切削性能要好，所以選擇50 m/min、65 m/min和80 m/min三種不同的切削速度。各切削速度下試驗(yàn)獲取的刀具磨損曲線如圖5所示。

圖 5 C7 PLUS涂層刀具的VB隨時(shí)間的變化

將圖5中刀具磨損的數(shù)據(jù)整理后列表如表4所示，然后在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中繪制C7 PLUS涂層刀具的耐用度曲線，具體如圖6所示。

表 4 C7 PLUS涂層刀具的耐用度

圖 6 C7 PLUS涂層刀具的耐用度曲線

對(duì)以上各組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)式m=0得到-方程，具體如式3所示：0.3906=234.72 (3)

從以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)切削速度為50 m/min時(shí)，C7 PLUS涂層刀具的壽命接近一個(gè)小時(shí)（53 min），相比未涂層刀具和TiAlN涂層刀具有著顯著的增加；當(dāng)切削速度達(dá)到80 m/min時(shí)，刀具的壽命也能達(dá)到19 min，說(shuō)明C7 PLUS涂層刀具的切削性能確實(shí)較未涂層刀具和Tia1N涂層刀具優(yōu)越。

2.4 各涂層刀具試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

在-方程中，的指數(shù)越大，表明切削速度對(duì)刀具壽命的影響越小, 也就表示該刀具適用于該種材料的切削[7,8]。分析不同涂層硬質(zhì)合金刀具的-方程可以看出，未涂層的硬質(zhì)合金刀具的指數(shù)是0.4420，表明刀具的壽命隨切削速度的變化并不明顯，雖然切削速度為35 m/min時(shí)刀具壽命不是很高，但當(dāng)切削速度達(dá)到65 m/min時(shí)刀具壽命仍有9 min；TiAlN涂層刀具的指數(shù)是0.2014，說(shuō)明在切削GH2132時(shí)，TiAlN涂層刀具的切削速度對(duì)壽命有較大影響，當(dāng)切削速度大于50 m/min時(shí)，刀具的壽命降低非常顯著，所以在切削GH2132時(shí)，TiAlN涂層刀具的切削速度應(yīng)控制在35~50 m/min區(qū)間內(nèi)，此時(shí)刀具的壽命較長(zhǎng)。

對(duì)比未涂層硬質(zhì)合金刀具和TiAlN涂層刀具，當(dāng)切削速度為50 m/min以下時(shí)，未涂層刀具的壽命較TiAlN涂層刀具短；但當(dāng)切削速度達(dá)到50 m/min以上時(shí)，未涂層刀具的壽命大于TiAlN涂層刀具。所以在使用普通涂層刀具切削GH2132合金時(shí)，應(yīng)將切削速度控制在50~60 m/min區(qū)間。

C7 PLUS涂層刀具的指數(shù)是0.3906，說(shuō)明切削速度對(duì)該涂層刀具壽命的影響較小，適用于切削高溫合金GH2132，而且C7 PLUS涂層的耐熱性能較好，最高能達(dá)到1100 ℃。在試驗(yàn)中，當(dāng)切削速度達(dá)到80 m/min時(shí)，刀具的最高溫度為900 ℃左右，在該溫度下刀具仍可以正常切削一段時(shí)間，所以在切削GH2132合金時(shí)，切削速度應(yīng)控制在60~80 m/min區(qū)間內(nèi)。

3 切削加工GH2132的刀具磨損機(jī)理分析

3.1 刀具宏觀磨損形貌分析

在切削GH2132合金時(shí)，刀具切削溫度很高且磨損較為復(fù)雜，在各切削速度下未涂層刀具磨損的顯微照片如圖7所示：

圖 7 YS8刀具的磨損形貌

從圖7中可以看出，切削速度為35 m/min時(shí)刀尖有小范圍的崩刃，可能是由于切削時(shí)受到了外界沖擊導(dǎo)致實(shí)際切削位置變化；切削速度為50 m/min時(shí)整個(gè)刀具均勻磨損，刀刃上產(chǎn)生微小的溝槽磨損；而當(dāng)切削速度達(dá)到65 m/min時(shí)，刀具的磨損非常嚴(yán)重，刀刃處產(chǎn)生較深較寬的溝槽磨損。

TiAlN涂層刀具的磨損形貌如圖8所示。

圖 8 TiAlN涂層刀具的磨損形貌

從圖8中可以看出，切削速度為35 m/min時(shí)，刀具均勻磨損，刀尖處附著有工件材料且有積屑瘤；切削速度為50 m/min時(shí)，刀具出現(xiàn)不均勻的磨損帶，在切削深度較大處刀具的磨損深度較大，同時(shí)刀尖出現(xiàn)了材料剝落和崩刃；切削速度達(dá)到65 m/min時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重，且磨損帶顯著增大，切削深度較大處刀具的磨損寬度和深度也較大，且前刀面出現(xiàn)大面積的脫落。

C7 PLUS涂層刀具的磨損形貌如圖9所示。

圖 9 C7 PLUS涂層刀具的磨損形貌

從圖9中可以看出，切削速度為50 m/min時(shí)，刀具均勻磨損，涂層基本被磨掉，同時(shí)刀刃上產(chǎn)生小范圍的溝槽磨損；切削速度為65 m/min時(shí)，磨損帶也比較均勻，但刀刃上的磨損溝槽顯著增大；切削速度達(dá)到80 m/min時(shí)，刀具的磨損非常嚴(yán)重，磨損帶寬度顯著增大，說(shuō)明刀具在切削高溫下產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損。

綜合上述各種刀具的磨損形貌分析可以得出：切削速度較低時(shí)，工件與刀具在接觸區(qū)域?yàn)樗苄越佑|，此時(shí)由于粘結(jié)作用導(dǎo)致后刀面磨損帶上附著了一層工件材料；隨著切削速度的增加但小于某一速度0時(shí)，接觸區(qū)粘附層出現(xiàn)周期性的局部破壞，使后刀面表層材料產(chǎn)生疲勞損壞造成局部剝落，剝落的刀具材料隨切削屑帶走導(dǎo)致刀具表面出現(xiàn)了部分微坑，但又被工件材料迅速填充。此時(shí)刀具的最大剝落區(qū)處于后刀面上距離刀刃較近的地方，所以在低速切削時(shí)，刀具主要發(fā)生粘結(jié)和磨粒磨損；在高速切削時(shí)，切削溫度較高，工件材料與刀具接觸的地方會(huì)發(fā)生材料擴(kuò)散現(xiàn)象，主要發(fā)生擴(kuò)散磨損，同時(shí)也有磨粒磨損。

3.2 刀具磨損機(jī)理分析

對(duì)C7 PLUS涂層刀具進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析來(lái)確定刀具與切屑間的材料擴(kuò)散情況，首先在切削速度為65 m/min時(shí)對(duì)刀具的后刀面進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析，然后在相同速度下進(jìn)行前刀面的掃描電鏡和能譜分析。切削速度為65 m/min時(shí)C7 PLUS涂層刀具后刀面的能譜分析位置如圖10所示。

圖 10 C7 PLUS涂層刀具的后刀面形貌

從圖10中可以看出，切削速度為65 m/min時(shí)磨損帶出現(xiàn)了不均勻分層現(xiàn)象。對(duì)位置1進(jìn)行能譜分析，Cr、Fe和Ni元素的含量比較高，說(shuō)明該處材料的擴(kuò)散較劇烈；位置2處能譜分析結(jié)果表明W元素含量比較高，其它元素含量較少，說(shuō)明該處的涂層已經(jīng)完全磨損，裸露出了刀具的基體材料；位置3處的能譜分析結(jié)果表明該處的Cr、Fe、Ni元素的含量較位置1處高，說(shuō)明位置3的材料擴(kuò)散更嚴(yán)重，而且位置3處溫度較高導(dǎo)致刀具材料發(fā)生切屑磨損剝落，出現(xiàn)比較大的溝槽。以上說(shuō)明GH2132合金材料中的硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)刀具產(chǎn)生了磨粒磨損作用。

切削速度為65 m/min時(shí)C7 PLUS涂層刀具前刀面的能譜分析位置如圖11所示。

圖 11 C7 PLUS涂層刀具的前刀面形貌

Fig.11 Front surface morphology of cutter with C7 PLUS coat

從圖11中可以看出，切削速度為65 m/min時(shí)，C7 PLUS涂層刀具的前刀面出現(xiàn)一定的月牙洼磨損，從能譜分析結(jié)果可知部分涂層已經(jīng)剝落且位置2處的Cr、Fe、Ni元素的含量也比較高，表明該位置的工件材料元素已經(jīng)開(kāi)始向前刀面擴(kuò)散。經(jīng)分析可知，當(dāng)切削速度較大時(shí)，刀具前刀面的溫度也比較高，同時(shí)刀具受力也變大，在熱和力的一同作用下更加劇了刀具的擴(kuò)散磨損。

通過(guò)上述分析可知，在涂層硬質(zhì)合金刀具切削GH2132合金時(shí)，當(dāng)切削速度較高時(shí)，刀具材料元素和工件材料元素間的擴(kuò)散作用較為嚴(yán)重，刀具以擴(kuò)散磨損為主；當(dāng)切削速度較低時(shí)，刀具以粘結(jié)磨損和磨粒磨損為主。而不論切削速度高低，切削GH2132合金時(shí)都會(huì)發(fā)生磨粒磨損，這是因?yàn)镚H2132合金中含有大量的硬質(zhì)化合物（如WC、TiC、VC），而這些化合物的硬度基本不隨切削溫度和切削速度的變化，均在刀具的表面劃出溝槽，就使刀具發(fā)生了磨粒磨損。

4 結(jié)論

通過(guò)使用不同涂層刀具切削GH2132合金試驗(yàn)，研究了刀具的耐用度和磨損規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：①在刀具后刀面的磨損量VB=0.3 mm，切削速度=50 m/min時(shí)，未涂層刀具的壽命達(dá)到了19.5 min，TiAlN涂層刀具的壽命達(dá)到了31 min，而納米復(fù)合涂層刀具的壽命達(dá)到了53 min且切削速度=80 m/min時(shí)刀具的壽命也達(dá)到了16 min，說(shuō)明納米涂層刀具的切削性能十分優(yōu)越；②用硬質(zhì)合金刀具切削GH2132合金時(shí)，磨粒磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損都會(huì)出現(xiàn)，在高速時(shí)主要是擴(kuò)散磨損，同時(shí)也會(huì)發(fā)生磨粒磨損，在低速時(shí)主要是粘結(jié)磨損和磨粒磨損。

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The Durability and Wear Law of High Temperature Alloy GH2132

PAN Yi-ning

310018,

The durability and wear law of high temperature alloy GH2132 were studied to be cut by the hard alloy cutter without coat, hard alloy cutter with TiAIN coat and hard alloy cutter with C7 PLUS coat, respectively. The results showed that the durability of GH2132 cut by cutter with C7 PLUS was the best in three cutters. The wear law showed that low-speed cutters mainly occurred an adhesive wear and abrasive wear, high-speed cutters mainly took place a diffusion wear, meanwhile abrasive wear too.

High temperature alloy GH2132; durability; wear law

TG257

A

1000-2324(2018)03-0508-06

2017-03-02

2017-04-26

潘益寧(1980-),男,碩士,助理實(shí)驗(yàn)師.主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造. E-mail:anipan@126.com