熔覆材料對(duì)高速鋼刀具激光熔覆斷屑臺(tái)裂紋及硬度的影響

吳毛朝 于愛(ài)兵 魏金龍 陳秋潔 孫 磊 袁建東

寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，寧波，315211

0 引言

在機(jī)加工過(guò)程中，如果切屑無(wú)法折斷，則連續(xù)不斷的切屑會(huì)纏繞在工件或刀具表面上，增大工件的已加工表面粗糙度、縮短刀具使用壽命以及危害工作人員的安全，如果切屑的纏繞情況嚴(yán)重，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)床停機(jī)，影響自動(dòng)化進(jìn)程和生產(chǎn)效率。目前斷屑已成為影響自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一[1-3]，通過(guò)采用有效的斷屑技術(shù)，將切屑折斷成適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，能夠在保證工件加工質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)自動(dòng)化生產(chǎn)的進(jìn)程。硬質(zhì)合金材料可轉(zhuǎn)位刀片的斷屑方法目前已得到廣泛研究且發(fā)展較為成熟，斷屑槽成為硬質(zhì)合金刀具的常用斷屑方式。何耿煌等[4]研究了硬質(zhì)合金刀片的斷屑槽槽形的幾何參數(shù)與切削進(jìn)給量對(duì)折斷切屑的作用機(jī)制；LOTFI等[5]通過(guò)有限元分析和實(shí)驗(yàn)的方法，研究了硬質(zhì)合金刀片斷屑槽槽形對(duì)切屑形狀的影響規(guī)律； LIAO等[6]對(duì)硬質(zhì)合金刀片的斷屑槽的槽形進(jìn)行了有限元仿真優(yōu)化。

目前，對(duì)于高速鋼刀具，主要通過(guò)在刀具的前刀面上加工出斷屑槽或斷屑臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效斷屑。SAHU等[7]在高速鋼材料的麻花鉆上設(shè)計(jì)并磨制斷屑槽，研究表明在鉆削加工過(guò)程中，斷屑槽能夠非常有效地進(jìn)行斷屑以及防止切屑堵塞。但是，加工斷屑槽需要采用砂輪磨削加工的方法，不僅加工效率較低而且在磨削加工斷屑槽時(shí)不可避免地要去除刀具前刀面的材料。需要指出的是，高速鋼刀具一般需要?dú)v經(jīng)多次重磨過(guò)程，當(dāng)?shù)毒咦冣g需要重磨切削刃時(shí)，主切削刃與斷屑槽之間的相對(duì)位置就會(huì)發(fā)生改變，使斷屑槽不能充分發(fā)揮其斷屑性能。如果刀具上原有斷屑槽因?yàn)槲恢貌缓侠硎チ藬嘈夹Ч敲淳托枰诘毒咧啬r(shí)將原有的斷屑槽磨去，再重新刃磨出切削刃，并再次磨削出新的斷屑槽，因此刀具的重磨過(guò)程會(huì)導(dǎo)致更多的高速鋼刀具材料被磨除而引起更大的浪費(fèi)。

如果在高速鋼車(chē)刀的前刀面上應(yīng)用激光粉末熔覆技術(shù)制作出斷屑臺(tái)，那么當(dāng)?shù)毒咦冣g重磨后，這種激光熔覆斷屑臺(tái)便可以通過(guò)磨削方式去除。激光熔覆斷屑臺(tái)很容易再次制造，可以避免刀具重磨對(duì)斷屑效果的影響和刀具材料的浪費(fèi)。但是，如果激光熔覆材料選擇不合理，容易產(chǎn)生激光熔覆裂紋，導(dǎo)致激光熔覆層的硬度下降，使激光熔覆斷屑臺(tái)以及刀具的使用性能受到影響。本文以W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具為例，通過(guò)分析激光熔覆斷屑臺(tái)的熔覆組織和硬度，確定出合適的激光熔覆粉末材料，在滿足刀具斷屑性能的前提下，在刀具前刀面上制備斷屑臺(tái)，避免激光熔覆斷屑臺(tái)的裂紋缺陷，并且提高激光熔覆層的硬度。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

車(chē)刀材料為W6Mo5Cr4V2高速鋼，工件選擇牌號(hào)為2A12的鋁合金，工件的直徑為50 mm，長(zhǎng)度為300 mm。激光熔覆粉末材料分別為：KF-300A型的鎳基碳化鎢自熔性合金粉末(簡(jiǎn)記“Ni-WC”)、KF-60型的鈷碳化鎢復(fù)合粉(簡(jiǎn)記“WC-12Co”)和高速鋼粉末(簡(jiǎn)記“M2”)，其中Ni-WC和WC-12Co粉末的粒徑范圍均為45～109 μm；高速鋼粉末的粒徑范圍為53～150 μm。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的WC-12Co和M2粉末混合(簡(jiǎn)記“M2/WC-12Co”)，并加入無(wú)水酒精，采用 4∶1的球料比，在DECO-PBM-V-O-4L型行星球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，使兩種粉末均勻混合，球磨的轉(zhuǎn)速為400 r/min，球磨2 h。經(jīng)過(guò)烘干和過(guò)篩獲得混合粉末。本文實(shí)驗(yàn)所用的3種激光熔覆粉末見(jiàn)圖1。

(a)Ni-WC

(b)M2

(c)M2/WC-12Co 圖1 熔覆粉末的顯微圖 Fig.1 The micrographs of cladding powder

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)工具磨床刃磨得到車(chē)刀的幾何角度：刀具前角γ0=25°,刀具后角α0=10°,主偏角κr=75°,副偏角κ＇r=10°和刃傾角λs=5°。黏結(jié)劑選用松香酒精溶液，在高速鋼車(chē)刀的前刀面上分別預(yù)置厚度為1 mm的Ni-WC、M2、M2/WC-12Co粉末涂層，然后將上述車(chē)刀在鼓風(fēng)干燥箱中烘干，設(shè)置加熱溫度為200 ℃，時(shí)間為30 min。在具有氬氣保護(hù)的實(shí)驗(yàn)條件下，在高速鋼車(chē)刀的前刀面上通過(guò)YAG-W200B型激光焊接機(jī)熔覆出斷屑臺(tái)，具有激光粉末熔覆斷屑臺(tái)的高速鋼車(chē)刀見(jiàn)圖2。通過(guò)激光粉末熔覆的預(yù)備實(shí)驗(yàn)得到每種激光熔覆粉末的工藝參數(shù)，如表1所示。

將鋁合金棒料裝夾在CAK3665型數(shù)控車(chē)床上，進(jìn)行干切削實(shí)驗(yàn)，切削轉(zhuǎn)速為100 m/min，切削深度為1 mm，進(jìn)給量為0.1 mm/r。在XQ-2B型鑲嵌機(jī)上制作激光熔覆斷屑臺(tái)的金相試樣，用體積比為3∶1的硝酸和鹽酸腐蝕Ni-WC粉末熔覆試樣；用100 ml蒸餾水+2 g苦味酸+25 g氫氧化鈉的混合液體煮沸分別腐蝕M2和M2/WC-12Co粉末熔覆試樣。選擇dilas半導(dǎo)體激光器制備測(cè)試熱膨脹系數(shù)的試樣，激光熔覆采用同步送粉方式重復(fù)熔覆三次制成一個(gè)熔覆試件，功率為2.5 kW， 掃描速度為4 mm/s，送粉量為25 g/min，光斑尺寸為5 mm。采用線切割法將熔覆層從基體上切下，切成24 mm×5 mm×4 mm的長(zhǎng)方體試樣。在DIL402C型熱膨脹儀上測(cè)量激光熔覆粉末試樣的熱膨脹系數(shù)，在D8 ADVANCE DAVINCI型X射線衍射儀上測(cè)試激光熔覆層中的物相，用KH-8700型三維體視顯微鏡觀察熔覆層的金相組織，用HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度計(jì)測(cè)試硬度，載荷為50 N，加載時(shí)間為15 s。

圖2 具有激光粉末熔覆斷屑臺(tái)的高速鋼車(chē)刀Fig.2 HSS turning tool with laser cladding chip breaker

表1 激光熔覆工藝參數(shù)Tab.1 Parameters of laser cladding processes

2 結(jié)果與討論

2.1 斷屑效果

高速鋼車(chē)刀切削鋁合金的切屑形狀見(jiàn)圖3。圖3a中，無(wú)斷屑臺(tái)高速鋼車(chē)刀產(chǎn)生的切屑為帶狀屑，呈纏繞狀，在切削過(guò)程中連續(xù)不斷的切屑在車(chē)刀前刀面上產(chǎn)生，且切屑堵塞在刀架和工件之間。帶有激光熔覆斷屑臺(tái)的高速鋼車(chē)刀所產(chǎn)生的切屑主要為發(fā)條狀屑和6字形屑，并伴有部分的短螺卷屑以及C形屑，如圖3b所示。與普通高速鋼車(chē)刀相比，具有激光熔覆斷屑臺(tái)的高速鋼車(chē)刀能夠?qū)崿F(xiàn)有效斷屑。

由于鋁合金材料具有較好的韌性，故在無(wú)任何斷屑措施的切削過(guò)程中，切屑的自然卷曲不足以使其折斷。如果采用措施使切屑產(chǎn)生進(jìn)一步卷曲，減小切屑的卷曲半徑，就可以實(shí)現(xiàn)斷屑。如圖4所示，在切削過(guò)程中，當(dāng)流出的切屑碰到高速鋼車(chē)刀前刀面上的斷屑臺(tái)時(shí)，使切屑產(chǎn)生進(jìn)一步的彎曲變形，導(dǎo)致切屑的卷曲半徑Rc減小，根據(jù)切屑折斷公式[8]：

(a)無(wú)斷屑臺(tái)車(chē)刀

(b)激光熔覆斷屑臺(tái)車(chē)刀圖3 高速鋼車(chē)刀切削鋁合金的切屑形狀Fig.3 Chip shapes of high aluminum alloy cut by HSS tools

(1)

式中，ε為切屑應(yīng)變；εB為切屑斷裂應(yīng)變；hch為切屑厚度；RL為切屑折斷半徑。

圖4 切屑折斷過(guò)程示意圖Fig.4 Schematics of chip breaking process

當(dāng)切屑彎曲半徑變小時(shí)，切屑的應(yīng)變隨之增大，如果滿足ε≥εB，切屑折斷。通過(guò)上述分析可知，高速鋼刀具前刀面上的激光熔覆斷屑臺(tái)使切屑產(chǎn)生了進(jìn)一步彎曲，增大了切屑內(nèi)部的應(yīng)變?chǔ)?，從而折斷切屑?/p>

2.2 熔覆層裂紋

圖5所示為激光粉末熔覆斷屑臺(tái)的橫截面，3種熔覆斷屑臺(tái)均能夠較好地與高速鋼基體冶金結(jié)合。然而，在Ni-WC熔覆層可以觀察到裂紋和氣孔缺陷，而且裂紋擴(kuò)展至高速鋼基體(圖5a)，顯然上述缺陷會(huì)降低斷屑臺(tái)的強(qiáng)度，影響高速鋼刀具的使用。

熔覆裂紋的產(chǎn)生主要受到激光熔覆層中殘余應(yīng)力的影響，殘余應(yīng)力來(lái)源于熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和拘束應(yīng)力三方面[9]。由于激光熔覆過(guò)程中存在快速加熱和快速冷卻的現(xiàn)象，因而熱應(yīng)力是產(chǎn)生激光熔覆裂紋的主要因素，熔覆熱應(yīng)力σth的公式[10]為

(a)Ni-WC

(b)M2

(c)M2/WC-12Co 圖5 斷屑臺(tái)橫截面形貌圖 Fig.5 Cross-sectional topography of chip breakers

σth=EΔαΔT/(1-μ)

(2)

式中，E為熔覆層的彈性模量；μ為熔覆層的泊松比；ΔT為熔覆溫度與室溫之差；Δα為熔覆層材料與基體材料線脹系數(shù)之差。

根據(jù)式(2)可知，熱應(yīng)力與Δα成正比關(guān)系。如果激光熔覆層材料的熱膨脹系數(shù)與高速鋼刀具的熱膨脹系數(shù)相近，便可以減小熱應(yīng)力，從而避免熔覆裂紋的產(chǎn)生[11]。如圖5b所示，選擇與高速鋼刀具基體相同的M2高速鋼粉末進(jìn)行激光熔覆，便可以獲得無(wú)裂紋缺陷的熔覆層。為了進(jìn)一步提高M(jìn)2高速鋼粉末的熔覆層硬度，向M2粉末中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的WC-12Co，在熔覆層中沒(méi)有觀察到熔覆裂紋缺陷(圖5c)。

高速鋼基體材料和3種激光熔覆層材料的熱膨脹系數(shù)如表2所示，|Δα|為激光熔覆層材料與高速鋼基體材料的熱膨脹系數(shù)差值的絕對(duì)值。由式(2)可知，如果減小|Δα|，則熔覆層中的熱應(yīng)力也會(huì)隨之減小，從而降低熔覆層的開(kāi)裂傾向。如表2所示，在3種熔覆層材料中，Ni-WC熔覆層材料與高速鋼基體材料的熱膨脹系數(shù)相差最大，而M2/WC-12Co熔覆層材料和M2熔覆層材料與高速鋼基體材料的熱膨脹系數(shù)差異相對(duì)較小。

通過(guò)上述熱膨脹系數(shù)差值的對(duì)比可以說(shuō)明M2/WC-12Co與M2熔覆層沒(méi)有產(chǎn)生裂紋的原因。

表2 材料的熱膨脹系數(shù)Tab.2 Thermal expansion coefficients of materials 10-5K-1

圖6為3種粉末激光熔覆層表面的 XRD圖譜，Ni-WC激光粉末熔覆層主要包括Ni-Cr-Fe、Ni3B、CrB、Ni31Si12、WB、W2C等物相，在激光高能束輻照的條件下，WC顆粒發(fā)生分解產(chǎn)生W2C 硬質(zhì)相[12]，同時(shí)，Ni-WC粉末材料與高速鋼基體會(huì)產(chǎn)生冶金反應(yīng)，使B元素分別與Cr、Ni、W元素結(jié)合形成 Ni3B、CrB、WB強(qiáng)化硬質(zhì)相[13-14]。此外，Si元素與Ni元素也可以結(jié)合形成Ni31Si12硬質(zhì)相，Ni3B、CrB、Ni31Si12硬質(zhì)相提高了熔覆層的硬度，但也增加了熔覆層的脆性。如果熔覆的脆性較大，當(dāng)激光熔覆過(guò)程中所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出熔覆層的承受能力時(shí)，就會(huì)使熔覆層開(kāi)裂，形成熔覆裂紋[14-16]。M2激光粉末熔覆層的化學(xué)成分包括α-Fe、CFe15.1、Fe3W3C3等，熔覆層中α-Fe的韌性較好，能夠改善熔覆層的韌性，有助于提高M(jìn)2粉末熔覆層的抗開(kāi)裂能力時(shí)。M2/WC-12Co激光粉末熔覆層組織主要由α-Fe、CrFe7C0.45、Fe3W3C3和W2C組成，熔覆層中的α-Fe有助于增加熔覆層的韌性，另外在激光輻照的條件下，WC顆粒發(fā)生分解產(chǎn)生W2C，形成的W2C繼續(xù)與存在M2粉末中的Fe結(jié)合生成Fe3W3C3等[12]，F(xiàn)e3W3C3屬于硬質(zhì)相，可以提高熔覆層的硬度。W2C、Fe3W3C3物相成分的顯微組織細(xì)小，有助于提高熔覆層的強(qiáng)度和塑性[16]，因此M2/WC-12Co熔覆層不僅硬度高，而且抗開(kāi)裂能力強(qiáng)。

(a)Ni-WC

(b)M2

(c)M2/WC-12Co 圖6 激光熔覆層表面的XRD圖譜 Fig.6 XRD pattern of laser cladding layer

2.3 熔覆層硬度

激光粉末熔覆層的硬度見(jiàn)圖7，Ni-WC、M2激光熔覆層的平均顯微硬度分別為1127HV和727HV；M2/WC-12Co熔覆層的顯微硬度為907.2HV，比M2熔覆層硬度高一些。高速鋼基體的平均顯微硬度為921HV。當(dāng)熔覆層與高速鋼刀具的硬度相差較小時(shí)，激光熔覆層對(duì)高速鋼刀具的后續(xù)重磨影響相對(duì)較小。如果熔覆層的硬度過(guò)低，當(dāng)高速鋼刀具重磨時(shí)，一旦切削刃刃磨到熔覆斷屑臺(tái)位置附近，便會(huì)影響刀具的切削性能。通過(guò)上述分析可知，以M2/WC-12Co粉末制作的激光熔覆斷屑臺(tái)，熔覆層硬度接近高速鋼基體的硬度，無(wú)熔覆裂紋缺陷，對(duì)高速鋼刀具的切削性能的影響相對(duì)較小，故M2/WC-12Co粉末適于作為高速鋼刀具激光熔覆斷屑臺(tái)的熔覆材料。以Ni-WC粉末制作的斷屑臺(tái)硬度高，但有裂紋，不適用。M2粉末制作的斷屑臺(tái)熔覆層無(wú)裂紋，但硬度低于高速鋼的基體硬度，會(huì)影響刀具的切削性能。

圖7 激光熔覆層的顯微硬度Fig.7 The microhardness of laser cladding layers

圖8是M2和M2/WC-12Co粉末的熔覆層金相組織圖，在 M2粉末熔覆層中可以觀察到樹(shù)枝狀晶體，如圖8a箭頭A所示；在M2/WC-12Co的激光粉末熔覆層中可以觀察到細(xì)小的等軸狀晶體，如圖8b箭頭B所示，與M2激光粉末熔覆層相比，M2/WC-12Co激光粉末熔覆層的晶粒更細(xì)、分布更均勻。晶粒細(xì)化有助于提高材料的塑性和韌性[17]，因此M2/WC-12Co激光粉末熔覆層不容易產(chǎn)生裂紋[18]。圖8b箭頭C為散布于熔覆層中的碳化鎢顆粒，對(duì)碳化鎢顆粒進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖9，這些碳化鎢顆?？梢云鸬降诙鄰浬?qiáng)化的作用，從而進(jìn)一步提高了熔覆層的硬度[19]。

(a)M2

(b)M2/WC-12Co圖8 熔覆層的金相圖Fig.8 The metallographic images of cladding layers

圖9 碳化鎢顆粒區(qū)域的能譜分析Fig.9 Spectrum analysis of WC particle region

3 結(jié)語(yǔ)

利用激光熔覆技術(shù)在高速鋼車(chē)刀的前刀面上制備出激光熔覆斷屑臺(tái)，在切削過(guò)程中激光熔覆斷屑臺(tái)能夠減小切屑的卷曲半徑，實(shí)現(xiàn)有效斷屑。用M2/WC-12Co粉末制作的激光熔覆斷屑臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)與高速鋼刀具基體的良好冶金結(jié)合，熔覆層中無(wú)裂紋缺陷，硬度與高速鋼基體相近，M2/WC-12Co激光熔覆粉末適于制作高速鋼刀具的激光熔覆斷屑臺(tái)。