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基体类型对硬质合金刀片铣削模具钢耐磨性能的影响

2022-04-04 22:20:55 周英

SKD61是应用较为广泛的热作模具钢。该材料淬硬后硬度可达50HRC以上,加工效率低,成本高,可切削性差。随着新型涂层硬质合金刀具的发展,使得高效切削加工淬硬钢等硬材料成为可能。

目前国内外使用最多的是WC基硬质合金刀具,随后又出现了超细晶及纳米级晶粒硬质合金、梯度硬质合金、CBN涂层硬质合金等刀具新类型 。近年来,国内外学者根据基体材质种类对刀具切削性能的影响做了较为深入的研究。李友生等研究了正常切削速度下各种刀具材料与工件材料匹配时的刀具磨损机理以及高速切削条件下刀具的磨损状态;Deng Jianxin等研究了YG 及YT 类硬质合金刀具干式切削固溶处理奥氏体不锈钢时的磨损机制;何光春等通过YW2硬质合金刀具高速干式车削淬硬钢AISIH13的试验,观察和分析了刀具磨损表面的微观形貌,探究了刀具的磨损机理。可见,研究不同基体对硬质合金涂层刀片铣削模具钢耐磨性能的影响具有重要意义。

本文以试验为基础,研究不同基体对SKD61模具钢铣削刀片耐磨性能的影响,在相同的切削参数下进行干切削,得到了三种基体刀片耐磨性的优劣,并对其微观结构及磨损机理进行了分析。

1  试验过程
(1)显微金相试验方案

借鉴廖诗兰发明的硬质合金的金相组织结构显露方法,试验步骤如下:

①将三种铣刀片同时置于自动热镶嵌机中,并添加酚醛树脂进行镶嵌处理,得到镶嵌样品;

②对镶嵌样品进行粗磨处理,形成粗磨面;

③对粗磨面进行精磨和抛光处理,得到金相样品;

④配置饱和的三氯化铁盐酸溶液作为第一腐蚀液;

⑤将质量百分比为20%的氢氧化钠水溶液与等量的质量百分比为20%的铁氰化钾水溶液按照1:1的体积比进行混合,得到第二腐蚀液;

⑥将金相样品置于第一腐蚀液中浸蚀1~2min,经水洗吹干后,置于第二腐蚀液中浸蚀3~4min,经水洗吹干后,再次置于第一腐蚀液中浸蚀1~2min,经水洗吹干后得到待观测金相样品;

⑦将待测金相样品置于金相显微镜(S3400N扫描电镜)下进行观察分析并拍摄金相照片。

(2)切削试验

试验设备:在DNM515高效高刚性数控加工中心进行SKD61模具钢的铣削试验,采用型号为VMS-1510G的光学影像仪实时测量刀片前后刀面的磨损情况。

试验材料:材料为SKD61模具钢,工件尺寸200mm×150mm×150mm,试验开始前用硬度计测量得到其洛氏硬度为HRC51.4。

试验刀具:铣削刀具为国产APMT1135PDER-FM硬质合金刀片,夹具刀柄型号为BAP300R20×120-C20-2T。采用三种不同基体的刀片进行对比试验,涂层均为PVD-TiAlSiN+TiSiN,刀片代号为F25,F30,F35,不同代号对应的基体信息如表1所示。


刀具失效判据:在SKD61不锈钢的加工过程中,刀具失效的主要形式为后刀面磨损。本文采用的刀具磨损失效判据为后刀面磨损带最大宽度VBmax≥0.3mm或刀具刃口出现明显的崩碎现象,当试验刀片达到磨损寿命时停止试验。

采用干式切削,磨损试验切削参数为:切削速度Vc=150m/min;进给速度f=0.5mm/r;切削深度ap=8mm;切削宽度ae=0.35mm。逐层铣削,当加工距离达到30m(切削时间t=1500s)时,停止试验并记录每把刀具的磨损量。通过扫描电镜观测刀片表面的磨损形貌及基体的金相组织。

2  试验结果与分析
(1)基体材料分析

根据国际标准ISO分类,把切削刀具用硬质合金所有牌号分成三大类,分别以字母P、M、K表示。其中M类(包括M10~M40,数字表示从最高硬度到最大韧性之间的一系列合金,在各种被加工材料的不同切削工序及加工条件时选用)是中合金化的硬质合金牌号。其部分性能参数如表2所示。


M25、M30、M35基体主要是钨钛钽钴类硬质合金YW2,其主要成分是WC、TiC、TaC及Co。这类硬质合金又称通用硬质合金或万能硬质合金,是在YT类硬质合金的基础上添加TaC。研究表明,基体内微孔、WC 晶粒粗大、粘结相聚集等因素都会削弱硬质合金的强度。因此,提高基体结合紧密性和细化晶粒是提高硬质合金性能的两种主要手段。

在制备YW类硬质合金的高能球磨过程中,添加进原料中的TaC 会吸附在WC 晶粒表面,并在部分WC 晶粒表面形成TaC单分子层,阻碍WC晶粒之间的相互接触,抑制了WC晶粒长大。同时,由于TaC 分子在液态粘结相Co中的溶解度比WC晶粒更高,极大地抑制了WC溶解后的再结晶长大。因此,在原料中添加TaC 可以有效抑制WC 晶粒长大,细化的晶粒又能显著提高硬质合金的硬度。但是,如果在合金中加入过量的TaC,会导致WC晶粒间的晶界脆化,因未完全溶于液相Co中而析出的(Ta,W) C固溶相强度也远低于合金硬质相的强度,受这些因素的共同作用,反而会使合金的横向断裂强度(TRS)下降。

由于加入TaC可使固溶体中WC的γ相含量降低,而使C的γ相含量提升,因此添加TaC 可以在一定程度上改善硬质合金的含碳量。一旦硬质合金粘结相中的碳含量增加,而固溶体中WC的γ相含量减少,其磁性钴含量(Com)就会升高。说明TaC可在一定程度上调节硬质合金中的碳含量,并由此抑制WC晶粒的不连续长大。

随着TaC含量的增加,在一定范围内,合金的矫顽磁力(Hc)会随之上升,反之则会减小。这种变化趋势与试验提供的基体信息中Hc的变化趋势一致(M25>M30>M35)。试验结果表明,Hc最大的M25基体刀片磨损量最小,Hc最小的M35刀片磨损量最大。即基体的Hc值越大,刀片的耐磨性越好。

由表2可看出,三种基体密度相当,但M25的矫顽磁力最大(矫顽磁力常用于表征硬质合金中硬质相晶粒尺寸和黏结相的分布状态 ),由此可以推测出,M25的硬质相(WC等)的颗粒尺寸较小,硬度最高,故M25基体的铣刀片耐磨性最好。

(2)微观结构与性能

为进一步探究基体对相同涂层刀片耐磨性能的影响,使用S-3400N扫描电镜对三种铣刀片基体金相的微观形貌进行观察和分析。

图1为M25、M30和M35基体的显微结构。其中灰色呈不规则多面体形状较小的颗粒为WC(α)相,少数比α相大一些的灰色不规则多面体夹杂其中,为(Ti,W,Ta)C复合碳化物,深色黏结相为Co(γ)相。可以看出,M25中WC晶粒最为细密,基本在0.4μm左右及以下;而M30中的WC晶粒稍大,约为0.4~0.8μm;M35中的WC晶粒多数在08μm以上,其固溶体约为1.2μm。这种差异的存在会对三种刀具的机械性能产生影响。


表3为三种基体的部分性能参数。可知,三种基体密度相当,表明其致密程度相差不大,M25的矫顽力最大。从图1的显微金相可以看出,M25基体的硬质相(WC等)的颗粒尺寸最小,且分布均匀。所以,M25基体表现出更高的硬度与抗压强度。


在相同切削参数下加工30m后,三种刀片均未达到后刀面磨损带平均宽度(VB=0.3mm)的寿命极限,F25为0.126mm,F30为0.174mm,F35为0.220mm,且无明显崩刃现象,故VB值的大小可以反映刀具的耐磨性高低。

图2为三种刀片铣削SKD61模具钢时刀具后刀面磨损量随切削距离的变化。当切削距离不断增加,切削产生的热量不能充分散出,再加上刀具表面微观缺陷的不断积累,刀具的磨损量不断增大至磨钝标准;三种刀片中F25的磨损量最小,磨损趋势较缓,主要是由于F25刀片基体中的WC晶粒最细,综合机械性能最好,抵抗高温高压下氧化磨损的能力最强,有利于减轻刀片粘结和氧化磨损。

一般来说,刀具前刀面的磨损状态会对切屑形成产生影响,而刀具后刀面的磨损则会对零件已加工表面质量产生重要影响。对铣刀片来说,切屑对其加工性能的影响较小,故主要研究刀具后刀面的磨损机理。图3为通过影像仪观察的三种刀片后刀面磨损形貌。总体上看,三种刀片的磨损带都较为均匀,无明显崩刃现象。


刀具的切削性能与其加工特定材料时的磨损机理密切相关,为进一步分析刀片的磨损机理,利用S3400N扫描电镜对三种刀片中磨损性能最好的F25刀片微观形貌进行观察和分析。

图3为影像仪拍摄的后刀面磨损状态。从宏观上看,切削刃沿后刀面向下发生了磨损。图4为F25刀片加工SKD61模具钢时的微观磨损形态。图4a是用200倍扫描电镜拍摄的切削刃的刃口微观磨损形态。可以看出,后刀面发生了明显的挤压分层。

切削加工中刀具后刀面的挤压摩擦有以下几个主要影响因素:①SKD61模具钢的硬度较高,连续切削加工过程中产生硬化现象,加剧刀具与工件表面的挤压作用;②连续切削时积屑的堆积使刀具后角逐渐减小,增大后刀面与工件材料间的接触面积,摩擦加剧;③切削过程中挤压变形所产生的热量通过前刀面传递到后刀面区域,再加上摩擦热的聚集,导致后刀面温度急剧升高,高温下刀具表面与空气中的介质发生严重的氧化反应。

如图4a所示,沿箭头所指方向,材料颜色逐渐变深并发生氧化分层,越靠近刀刃处,分层越明显,同时还可以观察到层片处存在大量块状堆积,由此可以判断,刀具中部分组分脱离原始基体,刀具组分中的C、Co等元素在切削产生的高温下已发生氧化,其氧化产物与基体的结合强度低,在高温作用下软化,刀具与工件间还存在不断挤压现象,极易发生聚集形成团絮状积屑瘤黏附在刀具表面。

通过观察图4a可以发现,刀刃发生了明显的崩碎,这是因为高温作用下形成的层片状界面受力极易疲劳断裂,另外依附在层片上的粘结物受到强烈的挤压作用,会附带部分刀具表面材料一同剥落,加剧刃口崩碎。

图4b为用2000倍电镜拍摄的靠近切削刃附近区域的放大图。观察挤压面的微观结构呈层片状,并存在大量不规则的团絮状物质附着在层片表面。层块状结构夹杂着絮状黏附物,表明在连续挤压作用下,原本均匀分布的刀具组分发生了重聚,低熔点粘结相在高温下逐渐呈层片状扩展,硬质相的界面结构被完全破坏,部分粘结相脱离基体黏附在层片表面。


(1)TaC的加入有利于WC晶粒的细化,三种基体中M25的TaC含量最高,矫顽磁力Hc(表征硬质合金中硬质相晶粒尺寸和黏结相分布状态的物理量)最大;通过显微金相实验发现,M25的硬质相(WC等)的晶粒尺寸最小,且分布均匀,表现出最高的硬度与抗压强度;

(2)在相同条件下干式铣削加工SKD61模具钢时,三种涂层相同、基体不同的铣刀片耐磨性优劣依次为M25>M30>M35,说明M25具有最好的综合机械性能;

(3)M25、M30、M35三种基体刀片的后刀面主要磨损特征为涂层剥落,而高温下的粘结和氧化是其失效的根本原因;当致密度相近时,基体的WC晶粒越细,分布越均匀,抵抗高温高压下氧化磨损的能力越强,有利于减轻刀片粘结和氧化磨损,从而推迟崩刃的发生,延长刀具使用寿命。


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