置氫鈦合金車削時刀具擴散磨損研究

危衛華，徐九華，傅玉燦

（1.南京林業大學 機電學院，南京 210037；2.南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

0 引言

鈦合金具有高比強度（強度/重量比）、耐熱性強、耐腐蝕和良好的低溫性能等優點，是一種具有發展前途的航空結構材料；但因其切削加工性差、刀具磨損劇烈、切削效率低等特點，嚴重制約著鈦合金材料的進一步推廣應用。于是圍繞改善鈦合金切削加工性而開展的新工藝和新技術逐漸成為研究熱點[1,2]。鈦合金熱氫處理技術（也稱置氫）是以氫作為臨時合金化元素，通過控制鈦氫系統中置氫量、存在狀態及相變過程，實現鈦氫系統最佳組織結構，從而改善鈦合金加工性能的一種新工藝、新方法[3]。

鈦合金材料切削加工時，由于其本身的材料特性（粘塑性強等）以及其與刀具材料間較強的化學親和性（化學反應、擴散等），使硬質合金刀具在切削時的高溫和高應力條件下很容易快速磨損直至失效[4]。鈦合金通過適量置氫后可以有效提高刀具耐用度[5,6]，但目前關于置氫鈦合金切削過程中的刀具擴散磨損機理的研究還不夠深入。本文嘗試采用電鏡和元素能譜分析方法，深入研究刀具的擴散磨損機理，為鈦合金熱氫處理技術在切削加工中的實際應用提供基礎數據。

1 試件制備和試驗方案

1.1 置氫鈦合金試件制備

鈦合金母材選用Ti-6Al-4V（國內牌號TC4），其組成元素及質量百分數見表1。置氫過程采用高溫氣相充氫法在自制的管式氫處理爐內進行。將TC4棒料經表面處理后（先用細砂紙打磨表面，然后用丙酮超聲清洗），裝入管式氫處理爐，抽真空至10-3Pa后加熱至800℃，然后充入高純氫氣，待爐內氫分壓趨于穩定時隨爐冷卻至室溫。合金中的氫含量通過在充氫系統中調節充氫壓力來控制，實際氫含量通過稱量置氫前后試樣的質量變化而得到（即稱重法）。本試驗中采用的鈦合金為60mm×100mm的棒料，置氫量（質量分數，w(H)）分別為0%（未置氫）、0.3%（置氫量大小由前期研究結果確定）[6]。

表1 置氫TC4鈦合金母材主要化學成分(wt.%)

1.2 試驗條件與方法

車削試驗采用干切削，在國產CA6140車床上進行，輔以CHF100-7R5G/011P-4型變頻器實現了該車床的無級調速。刀具采用肯納公司生產的非涂層WC-Co類硬質合金機夾刀片，材質及ISO樣本代碼分別為K313和SNMG 120408 MS，切削時主偏角：45°，副偏角：45°，前角：5°，后角：8°，刀尖圓弧半徑0.8mm，該刀片材料抗變形能力特強，耐磨性好。切削速度v取90m/min，進給量f取0.1mm/r，切削深度ap取1mm。刀具磨損量采用三維視頻顯微鏡測量獲得，磨損照片由三維視頻顯微鏡或掃描電鏡拍得，元素掃描分析采用電鏡自帶的EDS分析獲得。

2 結果分析與討論

2.1 刀具耐用度分析

取刀具后刀具磨損量VB=0.3mm作為磨鈍標準，獲得的刀具耐用度柱形圖如圖1所示。由圖可知，在90m/min切削速度下，未置氫鈦合金車削時刀具耐用度為12.5min，而置氫鈦合金對應刀具耐用度為40.2min，相對未置氫時增加了27.7min，約增加了2.2倍。

圖1 置氫量為0.3%與未置氫鈦合金刀具耐用度對比

2.2 擴散磨損分析

由于高速切削時溫度較高，加之刀具表面始終與被切出的新鮮表面相接觸，兩摩擦面材料的化學元素可能就會相互擴散到對方材料中去，從而改變接觸層附近兩種材料的化學成分，削弱刀具材料的性能，加劇刀具的磨損，因而擴散磨損是由于刀具材料與工件材料在高溫下相互擴散而引起的一種磨損。采用硬質合金高速切削鈦合金時，硬質合金刀具材料中的W、C、Co元素和鈦合金工件材料中的Ti、Al、V元素在接觸面處元素的濃度差較大，刀具/工件接觸摩擦區中的高溫、大塑性變形和咬合（粘結）等作用，大大地促進了刀具和被加工材料的相互溶解擴散[7]。刀具材料擴散引起的刀具體積磨損W為：

式中：C為常數；E為擴散過程的活化能（每摩爾固溶體）；R為氣體常數；θ為絕對溫度（K）。由上式可以看出，擴散磨損與溫度關系極大，溫度越高擴散越快，故在高溫下刀具的擴散磨損顯著加劇。

為了比較和判斷刀具是否存在擴散現象，在切削加工前對硬質合金刀具前刀面進行了元素能譜掃描，結果如圖2所示。可見K313刀具材料主要由W、Co、C元素組成，并且硬質相WC約占96%，而粘結相鈷約為4%。刀具切削完成后，采用由氫氟酸、硝酸和水按一定比例配置的腐蝕液將刀具磨損區粘結物腐蝕干凈，清洗后采用電鏡對刀具磨損區進行元素掃描分析，結果如圖3所示。由圖3(a)可知，當切削未置氫TC4時，刀具前刀面磨損區除了包含刀具自身的C、W和Co元素外，還有TC4材料中的Ti、Al和V元素，且含Ti質量分數約為5.32%。圖3(b)呈現的磨損區也含有TC4材料中的Ti、Al和V元素，含Ti質量分數約為3.05%。由此初步說明，在該切削條件下，未置氫試件和置氫量為0.3%試件切削加工時對應刀具切削區均有擴散磨損發生。

圖2 原始刀具材料元素掃描

圖3 刀具前刀面磨損區元素掃描

為了進一步證實擴散磨損的存在，并對刀具磨損區擴散磨損的擴散深度進行比較，下面通過分析刀具磨損區的主剖面來探索刀具的擴散磨損現象及磨損深度。采用工具磨床將磨損后的刀具緩慢磨至后刀面最大磨損處，即圖4(a)所示黑粗線處，從而可以獲得包含刀具前、后刀面磨損區域的刀具主剖面。圖4(b)即為通過后刀面最大磨損處的刀具主剖面SEM照片。在圖4(b)中作垂直于后刀面磨損面的垂直線（即虛線AB），和鈦與刀具界面相切于C點。過C點沿垂直于AB線方向作跨鈦與刀具界面的線掃描分析線（圖中CD線）。鑒于鈦合金車削時主要以前刀面月牙洼磨損為主，這里僅研究前刀面元素的擴散情況。圖5為刀具主剖面上沿CD線元素變化情況，即沿前刀面元素擴散深度方向線掃描結果。由圖可知，沿著CD方向，鈦合金材料元素（Ti、Al、V）逐漸減少和刀具材料元素（C、W、Co）逐漸增加，再次證明了刀具和鈦合金之間在高溫下擴散現象的存在，并且可以獲得擴散層的深度。1）由圖中W元素的變化規律可知，刀具材料中W元素向粘結層發生了擴散，這將會降低刀具的硬度和韌性，從而加快刀具的磨損；從Ti元素的變化規律也可以發現，粘結層中的Ti元素向刀具材料也發生了擴散，由于粘結層中Ti元素向刀具材料中擴散，會破壞刀具原本的組織結構，并會使刀具材料和鈦合金的親和性更強，粘結更加牢固，從而促使擴散現象的進一步發生[4]。所以，在高速切削加工鈦合金時，刀具的粘結磨損和擴散磨損同時發生，并相互影響相互促進。2）未置氫試件對應刀具前刀面擴散層深度約為1.37μm，置氫量為0.3%試件對應刀具擴散深度約為0.63μm，可見切削置氫量為0.3%試件時，刀具前刀面磨損區的擴散層深度明顯下降。究其原因，一方面是由于二者切削加工時刀具前刀面磨損區切削溫度的差異[8]；另一方面，由于鈦合金TC4適量置氫后，材料組織、力學性能和物理性能發生變化，從而引起其與刀具材料之間化學親和力的改變[9,10]。

圖4 刀具粘結層主剖面

圖5 主剖面CD線上元素變化

3 結論

1) 在切削速度為90m/min的條件下，切削置氫量為0.3%試件時，對應刀具的耐用度相對于切削未置氫試件時提高了2.2倍。

2) 刀具腐蝕后前刀面磨損區的元素能譜掃描結果表明，切削未置氫和置氫量為0.3%的鈦合金TC4時，前刀面均有擴散磨損發生；結合刀具主剖面上線掃描元素變化規律，再次證實了擴散磨損的存在，并且未置氫鈦合金對應刀具前刀面的擴散層深度相對較深。

3) 置氫0.3%后鈦合金TC4對應刀具耐用度和擴散磨損程度的差異，其主要原因是磨損區切削溫度的差異；以及由鈦合金TC4適量置氫后，其組織、力學性能、物理性能變化而引起的鈦合金與刀具材料之間化學親和力的改變。

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