1 前言
e )N< r {pA&Q{ ^ 采用硬質(zhì)合金工模具(包括塑性成形模具和切削加工的刀具)加工金屬制品是提高模具使用壽命的主要途徑。目前，硬質(zhì)合金模具和刀具已在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，并取得明顯的效果，例如用于純鋁和紫銅冷擠壓的硬質(zhì)合金模具壽命已達到200萬次，用于鋼零件擠壓的硬質(zhì)合金模具壽命也達到10萬次以上。用于多工位級進模的硬質(zhì)合金沖裁凸凹模壽命一般可達1億次，最高可達3億次。用于鋁合金切削加工的刀具耐用度可達180～200分鐘(以已加工表面粗糙度達到Ra0.63&mirco;m作為刀具失效標準)。為了深入了解硬質(zhì)合金的磨損特性及其與加工對象和加工條件的關(guān)系，充分發(fā)揮硬質(zhì)合金工模具的抗磨損性能，本文針對硬質(zhì)合金刀具的擴散磨損機理，通過實驗進行研究。
)U7fPKQ #SG.`J<% 2 硬質(zhì)合金工模具的擴散磨損機理
Y`(~eNX^% "0,FB4L[U5 硬質(zhì)合金工模具加工金屬制品時，會發(fā)生摩擦磨損、粘結(jié)磨損、邊界磨損、相變磨損、擴散磨損等各種磨損。擴散磨損就是工件在加工過程中，工模具與工件表面在高溫或高壓下，相互緊密貼合，并發(fā)生相互吸引和粘著，致使工模具與工件表面的材料發(fā)生相互擴散，造成表面合金元素的貧化或富化，導致工模具表面與基體的成分發(fā)生差異，弱化了工模具表面的抗磨損性能，加快了磨損速度，從而降低了工模具壽命。具體對硬質(zhì)合金而言，則是硬質(zhì)合金中的粘結(jié)相原子向工件材料擴散，硬質(zhì)碳化物部分分解并擴散到工件表面，使硬質(zhì)合金材料表層產(chǎn)生更多微孔，粘結(jié)強度降低。同時，工件材料中的原子(例如鋁質(zhì)工件中的鋁原子)擴散到工模具表層，改變了工模具表面層的物理機械性能，從而導致工模具表層材料的剝落，加速工模具的磨損。
Eg8b|!-')8 uGF{0 )0g 3 試驗條件
K|l}+:k <EQaYZY= 為了研究硬質(zhì)合金刀具的擴散磨損機理，進行了硬質(zhì)合金刀具切削鋁質(zhì)工件的實驗。選用湖南省株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的4種牌號硬質(zhì)合金刀片。1號刀片YD05和2號刀片YM051是以鈷為粘結(jié)相并添加一些其他硬質(zhì)碳化物或氧化物的WC—C0系列超細晶粒硬質(zhì)合金；3號刀片YN05和4號刀片YN10則是以鎳為粘結(jié)相并添加部分碳化鎢和稀土元素碳化物(TaC，NbC等)的碳化鈦(TiC)基硬質(zhì)合金(各刀片的幾何角度見表1)。在HY—025型高精度專用車床上進行高速薄切削鋁合金(LY12R)試驗。試驗中采用干切削，取進給量f =0.1mm/s，切削厚度aP=0.1mm，1～3號刀片的切削速度為300m/min，4號刀片的切削速度為200m/min，并以已加工表面粗糙度Ra=0.63µm作為刀具失效的標準，測定了各刀片的耐用度(即從開始削到刀具失效的時間)，詳見表1。
表1 不同切削條件的刀具耐用度 {9X mFa
| 刀片號 | 前角(°) | 主后角(°) | 副后角(°) | 主偏角(°) | 副偏角(°) | 刃傾角(°) | 切削時間(min) | 耐用度(min) |
| 1 | 7 | 6 | 6 | 15 | 5 | 0 | 215 | 140 |
| 2 | 10 | 8 | 6 | 45 | 5 | 0 | 455 | 120 |
| 3 | 7 | 6 | 6 | 10 | 5 | 0 | 87 | 45 |
| 4 | 9 | 6 | 5 | 7 | 5 | 0 | 80 | 40 |
試驗所用工件材料為鋁合金LY12R，即鋁與銅、鎂、錳的合金，其化學成份詳見表2。
表2 工件材料LY12R的化學成份(%) |28'<BL
| 元素 | 銅 | 鎂 | 錳 | 雜質(zhì) | 鋁 |
| 質(zhì)量分數(shù) | 3.8～4.9 | 1.2～1.3 | 0.3～0.9 | <1.5 | 91.4～93.2 |
4 試驗結(jié)果
!XM<`H/ z>\l%_w 在檢查已加工表面粗糙度，證實所用刀具失效后，仔細清洗了各刀面的污物或粘屑，利用掃描電子顯微鏡檢查了其主后刀面的化學成份，詳見表3。
表3 刀具切削前后主后刀面的化學成份 KCAV
質(zhì)量百分數(shù)w B:Ft(,
與原子數(shù)百分數(shù)x | 刀片號 |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 切削前 | 切削后 | 切削前 | 切削后 | 切削前 | 切削后 | 切削前 | 切削后 |
| w(Al) | 0 | 3.02 | 0 | 12.30 | 0 | 6.09 | 0 | 13.51 |
| x(Al) | 0 | 16.41 | 0 | 45.25 | 0 | 20.51 | 0 | 26.40 |
| w(Mg) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.92 \.}ZvM$
|
| x(Mg) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1.99 |
| w(Cu) | 0 | 0 | 0 | 0.85 | 0 | 0 | 0 | 0 H= \Tse_.
|
| x(Cu) | 0 | 0 | 0 | 1.33 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| w(Co) | 3.46 | 2.64 | 2.62 | 3.76 | 0.84 | 2.07 | 0.17 | 0.10 |
| x(Co) | 12.94 | 6.56 | 7.4 | 6.34 | 1.07 | 3.10 | 0.21 | 0.09 |
| w(Ni) | 0.55 | 0.36 | 0.17 | 0 | 8.37 | 1.78 | 13.36 | 8.33 |
| x(Ni) | 1.53 | 0.89 | 0.46 | 0 | 8.42 | 2.75 | 14.14 | 7.48 |
| w(Ta) | 0 | 0 | 0 | 0.37 | 1.05 | 1.48 | 0.10 | 7.73 |
| x(Ta) | 0 | 0 | 0 | 0.20 | 1.51 | 0.74 | 0.25 | 2.25 |
| w(W) | 95.26 | 92.27 | 94.94 | 81.28 | 18.30 | 66.95 | 27.80 | 17.93 |
| x(W) | 84.10 | 73.45 | 84.97 | 43.89 | 5.64 | 33.11 | 9.40 | 5.14 |
| w(Nb) | 0.63 | 1.71 | 0.15 | 0 | 1.14 | 1.50 | 0 | 0 |
| x(Nb) | 1.10 | 2.69 | 0.27 | 0 | 0.69 | 1.46 | 0 | 0 |
| w(Ti) | 0.10 | 0 | 2.12 | 1.44 | 69.94 | 20.14 | 58.57 | 51.48 |
| x(Ti) | 0.33 | 0 | 6.88 | 2.99 | 82.66 | 38.23 | 76.00 | 56.65 |
根據(jù)表3中刀片切削前后刀具主后刀面化學成份含量的變化，可按下式計算出各刀片在切削后刀具主后刀面各化學成份的原子擴散量，計算結(jié)果詳見表4。
式中：a1——切削后刀具主后刀面的原子擴散量(%)
^G2M4+W| x1——切削后刀具主后刀面的原子數(shù)百分數(shù)
<h ;_: x2——切削后刀具主后刀面的原子數(shù)百分數(shù)
表4 刀具擴散磨損中擴散元素的原子擴散量(%) k5J18S
| 刀片號 | 擴散元素 |
| 鈷 | 鎳 | 鈦 | 鉭 | 鎢 | 鈮 |
| 1 | 49.30 | 41.83 | 100.00 | 0 | 12.66 | 0 |
| 2 | 14.44 | 100.00 | 56.54 | 0 | 48.35 | 100.00 |
| 3 | 0 | 67.34 | 53.75 | 50.99 | 0 | 0 |
5 結(jié)果的討論
FJ4,|x3v[x QqRF?%7q"q 從表3可以看出，硬質(zhì)合金刀具切削鋁合金后，各刀片主后刀面的鋁含量重量百分比達到3%以上，鋁原子數(shù)量百分比達16%以上，而刀具材料中的鈷(Co)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、鈮(Nb)等含量都有所降低，因此，完全可以肯定刀具材料與工件的化學元素發(fā)生了相互擴散，因而造成刀具與切屑粘結(jié)層性能和刀具材料性能的改變，使刀具發(fā)生擴散磨損。
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