導(dǎo)語(yǔ)：硬質(zhì)合金刀具擴(kuò)散管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1前言

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(dá)到200萬(wàn)次，用于鋼零件擠壓的硬質(zhì)合金模具壽命也達(dá)到10萬(wàn)次以上。用于多工位級(jí)進(jìn)模的硬質(zhì)合金沖裁凸凹模壽命一般可達(dá)1億次，最高可達(dá)3億次。用于鋁合金切削加工的刀具耐用度可達(dá)180～200分鐘(以已加工表面粗糙度達(dá)到Ra0.63&mirco;m作為刀具失效標(biāo)準(zhǔn))。為了深入了解硬質(zhì)合金的磨損特性及其與加工對(duì)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(duì)硬質(zhì)合金刀具的擴(kuò)散磨損機(jī)理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

2硬質(zhì)合金工模具的擴(kuò)散磨損機(jī)理

硬質(zhì)合金工模具加工金屬制品時(shí)，會(huì)發(fā)生摩擦磨損、粘結(jié)磨損、邊界磨損、相變磨損、擴(kuò)散磨損等各種磨損。擴(kuò)散磨損就是工件在加工過(guò)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(kuò)散，造成表面合金元素的貧化或富化，導(dǎo)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(duì)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(kuò)散，硬質(zhì)碳化物部分分解并擴(kuò)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(qiáng)度降低。同時(shí)，工件材料中的原子(例如鋁質(zhì)工件中的鋁原子)擴(kuò)散到工模具表層，改變了工模具表面層的物理機(jī)械性能，從而導(dǎo)致工模具表層材料的剝落，加速工模具的磨損。

3試驗(yàn)條件

為了研究硬質(zhì)合金刀具的擴(kuò)散磨損機(jī)理，進(jìn)行了硬質(zhì)合金刀具切削鋁質(zhì)工件的實(shí)驗(yàn)。選用湖南省株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的4種牌號(hào)硬質(zhì)合金刀片。1號(hào)刀片YD05和2號(hào)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(xì)晶粒硬質(zhì)合金；3號(hào)刀片YN05和4號(hào)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(jìn)行高速薄切削鋁合金(LY12R)試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用干切削，取進(jìn)給量f=0.1mm/s，切削厚度aP=0.1mm，1～3號(hào)刀片的切削速度為300m/min，4號(hào)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(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定了各刀片的耐用度(即從開始削到刀具失效的時(shí)間)，詳見表1。

表1不同切削條件的刀具耐用度

刀片號(hào)前角(°)主后角(°)副后角(°)主偏角(°)副偏角(°)刃傾角(°)切削時(shí)間(min)耐用度(min)1766155021514021086455045512037661050874549657508040

試驗(yàn)所用工件材料為鋁合金LY12R，即鋁與銅、鎂、錳的合金，其化學(xué)成份詳見表2。

表2工件材料LY12R的化學(xué)成份(%)

元素銅鎂錳雜質(zhì)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.8～4.91.2～1.30.3～0.9<1.591.4～93.2

4試驗(yàn)結(jié)果

在檢查已加工表面粗糙度，證實(shí)所用刀具失效后，仔細(xì)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(xué)成份，詳見表3。

表3刀具切削前后主后刀面的化學(xué)成份

質(zhì)量百分?jǐn)?shù)w

與原子數(shù)百分?jǐn)?shù)x刀片號(hào)1234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)03.02012.3006.09013.51x(Al)016.41045.25020.51026.40w(Mg)00000000.92

x(Mg)00000001.99w(Cu)0000.850000

x(Cu)0001.330000w(Co)3.462.642.623.760.842.070.170.10x(Co)12.946.567.46.341.073.100.210.09w(Ni)0.550.360.1708.371.7813.368.33x(Ni)1.530.890.4608.422.7514.147.48w(Ta)0000.371.051.480.107.73x(Ta)0000.201.510.740.252.25w(W)95.2692.2794.9481.2818.3066.9527.8017.93x(W)84.1073.4584.9743.895.6433.119.405.14w(Nb)0.631.710.1501.141.5000x(Nb)1.102.690.2700.691.4600w(Ti)0.1002.121.4469.9420.1458.5751.48x(Ti)0.3306.882.9982.6638.2376.0056.65

根據(jù)表3中刀片切削前后刀具主后刀面化學(xué)成份含量的變化，可按下式計(jì)算出各刀片在切削后刀具主后刀面各化學(xué)成份的原子擴(kuò)散量，計(jì)算結(jié)果詳見表4。

式中：a1——切削后刀具主后刀面的原子擴(kuò)散量(%)

x1——切削后刀具主后刀面的原子數(shù)百分?jǐn)?shù)

x2——切削后刀具主后刀面的原子數(shù)百分?jǐn)?shù)

表4刀具擴(kuò)散磨損中擴(kuò)散元素的原子擴(kuò)散量(%)

刀片號(hào)擴(kuò)散元素鈷鎳鈦鉭鎢鈮149.3041.83100.00012.660214.44100.0056.54048.35100.003067.3453.7550.9900

5結(jié)果的討論

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(dá)到3%以上，鋁原子數(shù)量百分比達(dá)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(xué)元素發(fā)生了相互擴(kuò)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(kuò)散磨損。

從表3還可以看出，鋁(Al)原子與鎂(Mg)原子相比，工件材料中鋁(Al)原子向刀具擴(kuò)散較嚴(yán)重，鎂(Mg)原子向刀具擴(kuò)散較少。而刀具材料向工件擴(kuò)散的化學(xué)元素則隨刀具材料的不同而稍有不同，YD05刀具向工件擴(kuò)散的是鈷(Co)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)等四種原子，YM051刀具是鈷(Co)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)、鈮(Nb)等五種原子，YN05刀具是鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉭(Ta)等三種原子，YN10刀具是鈷(Co)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)等四種原子。從表4可以看出，四種刀具材料在擴(kuò)散磨損過(guò)程中刀具中各種原子擴(kuò)散量也各不相同。

超細(xì)粒硬質(zhì)合金YD05、YM051是以鈷(Co)為粘結(jié)相并添加一些其他硬質(zhì)碳化物或氧化物的WC—CO系列硬質(zhì)合金；YN05、YN10則是以鎳(Ni)為粘結(jié)相并添加部分碳化鎢(WC)和稀土元素碳化物(TaC、NbC等)的碳化鈦(TiC)基硬質(zhì)合金。從表4可以看出，刀具失效后，刀具材料中的粘結(jié)相及主要成份元素的原子擴(kuò)散量較大，YD05刀片的鈷(Co)原子擴(kuò)散量為49.30%，鎢(W)原子擴(kuò)散量為12.66%；YM051刀片的鈷(Co)原子擴(kuò)散量為14.44%，鎢(W)原子擴(kuò)散量為48.35%；YN05刀片的鎳(Ni)原子擴(kuò)散量為67.34%，鈦(Ti)原子擴(kuò)散量為53.75%；YN10刀片的鎳(Ni)原子擴(kuò)散量為47.10%，鈦(Ti)原子擴(kuò)散量為25.46%。由于硬質(zhì)合金是一種通過(guò)粘結(jié)相粘結(jié)硬度高、強(qiáng)度高的碳化物(WC，TiC等)，采用粉未冶金方法制造而成的，其中粘結(jié)相對(duì)硬質(zhì)合金刀具的硬度和強(qiáng)度有很大影響。

6結(jié)論

硬質(zhì)合金刀具薄切削鋁合金時(shí)，由于刀具后刀面同已加工表面磨擦和擠壓而產(chǎn)生高溫，刀具與工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度高(因?yàn)榍邢魉俣雀?，硬質(zhì)合金材料中粘結(jié)相原子(Co或Ni)向工件材料擴(kuò)散，硬質(zhì)碳化物(WC，TiC等)部分分解并向工件材料擴(kuò)散，從而加速了刀具的磨損，使刀具后刀面磨損加??；另一方面，由于粘結(jié)相原子(Co、Ni)向工件材料擴(kuò)散，使硬質(zhì)合金材料中出現(xiàn)更多的微孔，合金內(nèi)部粘結(jié)強(qiáng)度降低，因而極易造成整個(gè)碳化物(TiC，WC)顆粒的脫落，也就加速了刀具后刀面的磨損。

以上通過(guò)切削加工實(shí)驗(yàn)證實(shí)的擴(kuò)散磨損現(xiàn)象及規(guī)律，同樣也會(huì)在塑性成形的硬質(zhì)合金模具表面發(fā)生。本文的實(shí)驗(yàn)分析與論證同樣適用于沖壓、鐓鍛和擠壓模具壽命的探討。