硬質(zhì)合金車削30Cr13不銹鋼磨損機理研究*

范彩霞，劉 超，劉朝中，張保豐

(黃河科技學院 機械工程學院，鄭州 450063)

0 引言

30Cr13廣泛應用于煤礦機械液壓電控閥體的制造，然而其相對切削性只有45鋼的0.53倍[1]，屬于較難切削材料；此外，加工完成的成品零件相對于毛坯的金屬材料去除率高達60%左右，材料去除量大；并且，工件材料加工前普遍已進行預硬化，因此首選刀具材料為硬質(zhì)合金[2]。

文獻[3]指出用硬質(zhì)合金刀具加工2.25Cr1Mo0.25V時，選用較大的切削速度、較小的進給量和適當?shù)那邢魃疃瓤梢詼p少刀具粘結(jié)破損；文獻[4]提出相對于未涂層刀具和TiN 涂層刀具，TiAlN 涂層刀具銑削鈦合金Ti-6Al-4V 時，隨著切削速度升高，其刀具后刀面耐磨性較前兩種顯著提高；文獻[5]提出濕式銑削316L不銹鋼時，采用TiAlN涂層的刀具壽命是采用 Al2O3 涂層刀具的2.1倍；文獻[6]采用硬質(zhì)合金刀片切削SF-2000預硬模具鋼，發(fā)現(xiàn)磨損曲線在高速區(qū)(100m/min～200m/min)，干式銑削和濕式銑削沒有明顯的差異；文獻[7]刀具采用一種基體為具有強抗變形能力的非合金碳化物及AlTiN涂層硬質(zhì)合金刀具，分別以100m/min、120m/min 以及140m/min 三組參數(shù)車削20Cr13，刀具的主要磨損機理為粘結(jié)磨損；文獻[8]從減小切削力的角度提出采用較小的軸向切深和進給量，較大的銑削速度和徑向切深可以提高30Cr13的加工特性；文獻[9]提出對刀具使用壽命影響最大的是工件的可切削性和刀具—工件材質(zhì)的匹配性。

通過以上分析可見，切削速度是影響刀具耐用度最為關(guān)鍵的要素，而針對硬質(zhì)合金刀具車削不銹鋼30Cr13的具體研究成果幾乎沒有；本論文借助光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡及能譜分析，對TiAlN基鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具車削30Cr13不銹鋼的磨損機理進行試驗研究，得出效率成本綜合最優(yōu)切削速度，可顯著降低刀具損耗成本。

1 刀具磨損研究所用設備與儀器

1.1 切削加工設備、刀片型號及幾何參數(shù)

數(shù)控車床以寶雞機床CX7520A，數(shù)控系統(tǒng)采用日本FANUC系統(tǒng)。

實驗選用株洲鉆石生產(chǎn)的PVD涂層硬質(zhì)合金YBG205，其基體化學成分如表1所示；表面添加耐磨和耐高溫元素的超細TiAlN基納米涂層；刀片型號為WNMG080408-EM，刀桿型號為MWLNR/L2525M08。

表1 刀具基體化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖1 實驗用刀片

1.2 工件材料的選擇

實驗用工件材料為30Cr13，直徑60mm，其調(diào)質(zhì)硬度為263-282HBW10/3000，其熔煉化學元素成份如表2所示。

表2 工件化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

實驗件所需要達到的尺寸及表面粗糙度要求如圖2所示，粗實線所示表面為切削表面，實驗時刀具耐用度標準以加工圖示合格工件的數(shù)量及其對應的切削時間為依據(jù)。

圖2 切削實驗件裝夾及幾何特征

1.3 測試儀器

掃描電鏡及能譜分析:FEI Quanta 250 FEG

光學顯微鏡：金相顯微鏡OLYMPUS-BX51M。

精密粗糙度測試儀：JB-4。

2 刀具磨損實驗及切削速度選擇

保持切削深度(1.5mm)和進給量(0.2mm/r)不變，車削工件外圓從直徑60車到直徑27，只改變切削速度作刀具切削磨損實驗，測量被加工工件尺寸及加工表面完整性，得出在各種速度下刀具磨損對應的刀具耐用度和加工零件個數(shù)如表3所示。

表3 刀具磨損實驗數(shù)據(jù)

從表3可以看出,切削速度與刀具耐用度的關(guān)系呈現(xiàn)“駝峰”性質(zhì)，υ=142 m/min時的切削性能及經(jīng)濟性綜合評價最好，υ=123m/min時的切削性能最差。

3 磨損機理分析

圖3示出了υ=123 m/min切削速度下刀具切削部分前刀面和后刀面磨損形態(tài)的顯微照片。

(a) υ=123m/min前刀面 磨損微觀特征 (b) υ=123m/min后刀面 磨損微觀特征 圖3 υ=123m/min前、后刀面磨損形態(tài)

觀察圖3可見，在前刀面容屑區(qū)有明顯的大塊積屑瘤，局部有小的積屑瘤冷焊在切削刃部分，刀具磨損以粘附為主；針對圖3區(qū)域進行化學元素能譜分析，結(jié)果如圖4所示，未顯示化學元素Co(表1刀具基體材料)，說明刀具表面仍以涂層材料TiAlN為主，刀具基體材料基本沒有裸露。

圖4 υ=123m/min前刀面磨損的能譜分析

將圖4與工件材料(表2)和刀具材料(表1)對比，并考慮刀具表面的TiAlN涂層可知，刀具前刀面磨損區(qū)化學元素O的質(zhì)量分數(shù)有所增加，說明刀-屑摩擦中有少量元素氧化；Fe、Mn和Cr元素質(zhì)量分數(shù)增加尤其明顯，印證了圖3前刀面粘附的由工件材料構(gòu)成的積屑瘤；積屑瘤的生長、脫落過程，帶走刀具材料中的元素，使刀具的前刀面產(chǎn)生磨損；同時積屑瘤也會在已加工表面上留下一些殘存的碎片，這些碎片成鑲嵌狀態(tài)隨機性散落這就影響了工件已加工表面的粗糙度。與此同時，這種不穩(wěn)定的切削狀態(tài)，還會在已加工表面上形成犁溝，在犁溝中還會產(chǎn)生鱗刺現(xiàn)象，更進一步惡化了工件表面質(zhì)量。

基于實驗結(jié)果比對，認為被實驗刀具材料在滿足給定加工精度前提下，當切削速度低于123 m/min，容易產(chǎn)生積屑瘤，前、后刀面的磨損形式以粘附磨損為主。

當切削速度取υ=132m/min、υ=142m/min、υ=152m/min和υ=163m/min時，刀具前刀面的磨損形態(tài)如圖5～圖8所示，其前刀面磨損形態(tài)的共同點是：切屑以較高速度流過前刀面時，在切屑與前刀面緊密接觸地方逐步形成“月牙洼”磨損，并隨著切削速度的增加向切削刃方向擴展，其后刀面磨損的共同特點是崩刃和粘附。

圖5為切削速度υ=132m/min時刀具前、后刀面磨損形態(tài)，其切削刃上靠近刀尖圓弧部位粘附有小的積屑瘤，對應后刀面處顯示為V形崩刃，月牙洼的區(qū)域較小。

(a)υ=132m/min前刀面 磨損微觀特征 (b)υ=132m/min后刀面 磨損微觀特征 圖5 υ=132m/min刀具前、后刀面磨損形態(tài)

圖6為切削速度υ=142m/min時刀具前、后刀面磨損形態(tài)，與切削速度132m/min相比，前刀面積屑瘤的體積有所減小，月牙洼的區(qū)域有所擴大，后刀面崩刃所形成的缺口內(nèi)有積屑瘤粘附。

(a)υ=142m/min前刀面 磨損微觀特征 (b)υ=142m/min后刀面 磨損微觀特征 圖6 υ=142m/min刀具前、后刀面磨損形態(tài)

圖7為切削速度υ=152m/min時刀具前、后刀面磨損形態(tài)，隨著切削速度的增加，主切削刃急劇磨損，為進一步觀察υ=152m/min時主切削刃磨損的微觀特征，將主切削刃磨損區(qū)域進一步放大，如圖8所示，邊緣較為清晰的區(qū)域與邊緣較為模糊的刀具基體之間存在明顯的分區(qū)，充分說明顯微鏡光照聚焦區(qū)域為崩刃區(qū)域，該區(qū)域整體磨損低于前刀面，并且崩刃區(qū)域局部還粘附有小的積屑瘤。

(a)υ=152m/min前刀面 磨損微觀特征 (b)υ=152m/min后刀面 磨損微觀特征 圖7 υ=152m/min刀具前、后刀面磨損形態(tài)

圖8 υ=152m/min時的主切削刃崩刃粘附磨損形態(tài)

當υ=163m/min時，磨損形態(tài)如圖9所示，月牙洼磨損的區(qū)域較之前達到最大，在主切削刃上存在兩處較大的因切削速度過高導致切削刃崩落，在崩落塌陷部位粘接小的積屑瘤，副切削刃接近月牙洼尾部也粘接有積屑瘤，因切削速度過高引起刀具后刀面摩擦加劇，切削溫度升高，刀具材料局部軟化，切削在刀具后刀面刮出較大的犁溝。

(a)υ=163m/min前刀面 磨損微觀特征 (b)υ=163m/min后刀面 磨損微觀特征 圖9 υ=163m/min刀具前、后刀面磨損形態(tài)

圖10為當υ=163m/min時前刀面能譜分析結(jié)果，從圖中可見既有Ti、Al、Co、W等刀具中的元素，也有Cr、Fe、Mn等工件中的元素，這說明隨著切削速度的提高，切削溫度也逐漸升高，工件材料與刀具材料相互擴散。

圖10 υ=163m/min前刀面磨損的能譜分析

4 結(jié)論

本文主要對TiAlN基納米涂層鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具車削30Cr13不銹鋼時在不同切削速度下的干式切削磨損機理進行了實驗研究，其主要磨損機理為：較低速切削如取υ=123 m/min時，則前刀面較大塊積屑瘤粘附磨損嚴重；當切削速度位于142m/min左右時，切屑與前刀面緊密接觸地方在磨料磨損、粘附磨損、擴散磨損、氧化磨損的共同作用逐步形成“月牙洼”磨損，并隨著切削速度的增加向切削刃方向擴展；較高速度切削如υ=163m/min時，則切削區(qū)溫度升高，后刀面出現(xiàn)犁溝，切削刃局部崩落情況較為嚴重。

以年生產(chǎn)實驗件數(shù)量10萬件計算，每片刀片20元，每個刀片包含6個切削刃，依次采用υ=123 m/min、υ=142 m/min和υ=163 m/min，所支出的刀具費用依次為 6.7萬元、2.6萬元和4.2萬元，因此υ=142 m/min是取得刀具切削性能及經(jīng)濟性綜合評定最佳的切削速度，建議在生產(chǎn)實踐中參考本實驗成果優(yōu)化工藝，提高產(chǎn)品經(jīng)濟及社會效益。

DOI:10.1016/j.wear.2018.11.019.