硬質(zhì)合金加工20CrMnTi 滲碳淬硬鋼刀具磨損機(jī)理研究

文 武， 王西彬， 夏 青， 朱宇宏， 王 營

（1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044； 2. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院， 北京 100081）

0 引言

淬硬鋼[1-2]（硬度HRC55～65）是典型的耐磨結(jié)構(gòu)材料[3-4]（包括淬火鋼、模具鋼、軸承鋼等），廣泛用于制造各種對硬度和耐磨性要求較高的基礎(chǔ)零部件。 這類工件材料經(jīng)淬火后具有較高硬度，強(qiáng)度高，脆性大，導(dǎo)熱性差，切削加工性極差，屬于難加工材料，通常采用磨削工藝[5]進(jìn)行半精加工和精加工，而磨削工序加工效率低，成本高，砂輪及磨削液消耗量大，粉塵和廢液污染程度嚴(yán)重。

本文以某設(shè)備關(guān)鍵零件所用的20CrMnTi[6-7]滲碳淬硬鋼為加工對象，針對現(xiàn)行加工效率低、產(chǎn)品質(zhì)量難以保證的切削與磨削工序，通過高效低成本的干切削，優(yōu)化加工工藝，試圖研究出無污染（或污染輕）、高效率的切削加工工藝技術(shù)[8]，以提高現(xiàn)行加工效率、加工質(zhì)量，減少加工污染。

1 試驗(yàn)條件

1.1 硬質(zhì)合金刀具的選擇

硬質(zhì)合金是目前車削加工主要的刀具材料， 硬質(zhì)合金含有大量的碳化物，這些碳化物具有熔點(diǎn)高、硬度高、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)， 又具有高的抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性，因此適合于硬切削時作刀具材料。 根據(jù)各種硬質(zhì)合金刀具的性能和20CrMnTi 滲碳淬硬鋼的加工特點(diǎn)，選擇的硬質(zhì)合金刀具其主要性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 所選硬質(zhì)合金刀具牌號及性能

1.2 刀具角度的選擇

前角γ0及倒棱的選擇：淬硬鋼的硬度和強(qiáng)度都很高，為加強(qiáng)刀刃強(qiáng)度，使刀具有較高的耐用度，必須選擇零度前角，甚至負(fù)前角，本次取刀具的前角為γ0=0°，倒棱寬為bγ1=0.2mm，倒棱前角γ01=-10°。

后角α0的選擇：為了提高刀具耐用度，選用較大后角，以減小刀具的磨損，本次選擇刀具后角α0=10°。

主偏角κr的選擇： 考慮到加工淬硬鋼時徑向分力Fy大，為減小Fy宜選用較大的主偏角，試驗(yàn)中取刀具的主偏角κr=75°。

刃傾角λs的選擇： 加工淬硬鋼應(yīng)采用負(fù)的刃傾角，以使刀刃強(qiáng)度和實(shí)際前角增加，并保護(hù)刀尖不受沖擊，試驗(yàn)中取刀具的刃傾角λs=-6°。

1.3 其它加工條件

機(jī)床：C6130 臥式車床（無級調(diào)速）；

20CrMnTi 試件尺寸：Φ90mm×400mm；

試件硬度：HRC58-62；

潤滑狀態(tài)：干式切削。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 是硬質(zhì)合金刀具YT726 的磨損曲線， 取磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為vB=0.3mm，當(dāng)切削速度V=25m/min 時，刀具的耐用度為16 min；當(dāng)切削速度提高到30m/min 時，刀具的耐用度為10 min；當(dāng)切削速度達(dá)到35m/min 時，刀具的耐用度為7 min，可見切削速度對刀具耐用度的影響較大，且切削速度提高YT726 刀具的耐用度下降較快。

圖1 硬質(zhì)合金刀具YT726 磨損曲線（切削用量：ap=0.3mm、f=0.15mm/r）

圖2 是在掃描電子顯微鏡下拍攝到的硬質(zhì)合金刀具YT726 前刀面上的磨損形貌，磨損區(qū)表面很光滑，其它磨損區(qū)有加工紋理， 前刀面磨損寬度在0.3～0.40mm 之間，長度約為1mm，磨損深度較小，且整個磨損區(qū)磨損深度變化不大，月牙洼形態(tài)不明顯，有這種較特殊磨損形貌是因?yàn)椴牧嫌捕却?，切削溫度高，硬質(zhì)合金的耐熱性不夠，使得參與磨損的所有區(qū)域均勻磨損，切屑較長，使得磨損區(qū)域較大，圖中還可看到有粘結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 是硬質(zhì)合金刀具YT726 后刀面的磨損形貌，從圖中可以看到后刀面上存在著狹長的以機(jī)械磨損為主的磨損帶，磨損帶上各點(diǎn)的磨損比較均勻，此時刀具正處于正常磨損階段，磨損量vB 約為0.15mm。

圖3 YT726 后刀面的磨損形貌（SEM 200×）

從圖4 可以看出硬質(zhì)合金刀具YT726 的基體上主要含有Ti、Co、C、W 等元素和微量的Cr、Fe 等元素。 由圖5（a）和表2 可知：硬質(zhì)合金刀具YT726 前刀面磨損區(qū)與刀具基體比較，Cr、Ti 、Fe 等元素的含量都有了較大幅度的提高，分別達(dá)到了1.36%、2.28 %和58.65%，出現(xiàn)了0.63%的Mn 元素，而Co、W、C等元素的含量有了大幅度的下降，分別降到了0.95%、35.59%和0.33%。 由圖5（b） 和表2 可知：硬質(zhì)合金刀具YT798后刀面磨損區(qū)與刀具 基 體 比 較，Ti、Fe元素的含量有較大幅度的提高，分別達(dá)到了3.01%和40.57%，出現(xiàn)了0.81%的Mn 元素，而Co、W、C 等元素的含量有了大幅度的下降，分別降到了2.45%、41.88 %和1.35%。 從以上數(shù)據(jù)可知， 刀具的前、后刀面磨損區(qū)都發(fā)生了嚴(yán)重的擴(kuò)散磨損，硬質(zhì)合金中Co、W、C 等元素向切屑和工件中擴(kuò)散，工件中Cr、Ti 、Fe、Mn 等元素向硬質(zhì)合金中擴(kuò)散，形成了新的低硬度、高脆性的復(fù)合化合物，又由于Co 的擴(kuò)散，WC、TiC 等碳化物因粘結(jié)劑Co 的減少而降低其與基體的粘結(jié)強(qiáng)度，從而加速了刀具的磨損。

表2 硬質(zhì)合金刀具YT726 磨損區(qū)的化學(xué)成分（%）

圖4 硬質(zhì)合金刀具YT726 基體元素含量的能譜分析

圖5 硬質(zhì)合金刀具YT726 磨損區(qū)元素含量的能譜分析

用硬質(zhì)合金刀具干車削滲碳淬硬鋼20CrMnTi 時，刀具的磨損機(jī)理除磨料磨損以外， 主要是粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。

3 結(jié)論

使用硬質(zhì)合金刀具YT726 加工滲碳淬硬鋼20CrMn-Ti，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過對硬質(zhì)合金刀具YT726 的磨損形貌分析，結(jié)果表明：刀具的前刀面發(fā)生了形態(tài)不明顯的月牙洼磨損，后刀面存在著狹長的以機(jī)械磨損為主的帶狀磨損， 刀尖部位出現(xiàn)了破碎。

（2）對硬質(zhì)合金刀具YT726 的基體和前、后刀面磨損區(qū)進(jìn)行了元素含量的能譜分析，結(jié)果表明：刀具基體中的Co、W、C 等元素的含量有不同程度的下降，刀具前、后刀面磨損區(qū)含有來自于工件材料的Cr、Ti 、Fe、Mn 等元素，刀具的磨損機(jī)理除磨料磨損以外， 還發(fā)生了粘結(jié)磨損和擴(kuò)散遷移磨損。