高溫合金GH2132的耐用度和磨損規律

潘益寧

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高溫合金GH2132的耐用度和磨損規律

潘益寧

杭州電子科技大學機械工程學院, 浙江 杭州 310018

本文通過對比試驗研究了高溫合金GH2132在無涂層硬質合金刀具、TiAlN涂層硬質合金刀具和C7 PLUS涂層硬質合金刀具切削下的耐用度和磨損規律。結果表明：C7 PLUS涂層硬質合金刀具切削的耐用度最好；磨損規律分析表明硬質合金刀具在切削GH2132合金時，低速時刀具主要發生粘結磨損和磨粒磨損，高速時主要發生擴散磨損，同時也會發生磨粒磨損。

高溫合金GH2132; 耐用度; 磨損規律

高溫合金GH2132的切削加工性能較中碳鋼差很多[1]，切削過程中刀具磨損嚴重且加工效率低下，已經無法滿足現代制造業的要求，如何提高和改進GH2132的切削加工性能已成為必須解決的問題。針對此問題，通過對比試驗分析了適合切削GH2132的刀具材料，然后進行了刀具磨損試驗，分析了刀具磨損的機理和原因。

1 試驗方案

本試驗研究的高溫合金GH2132屬于鐵基變形高溫合金，其高溫強度很高，切削時刀具磨損嚴重，屬典型的難加工材料，所以本試驗選取耐熱性好且硬度強度均較高的硬質合金刀具[2-4]，涂層分別為未涂層、TiAlN涂層和納米組合涂層，各刀具品牌及型號如表1所示：

表 1 各刀具參數表

試驗切削材料為高溫合金GH2132棒料Φ100×300 mm，試驗車床為能夠進行無級調速的CA6140普通車床，主軸最大轉速為1400 r/min，最大功率為7 kW；刀具磨損使用50倍光學顯微鏡進行測量，結合實際情況選擇的刀具的磨損標準如下：

①=0.3 mm ②max=0.4 mm ③=0.6 mm

在切削過程中，只要達到上述一個指標就認為刀具失效。通常情況下，刀具磨損主要與切削速度、進給量和切削深度三個因素有關[5,6]，而切削速度對磨損的影響最大，由于刀具昂貴，此處僅研究切削速度對刀具磨損的影響，整個切削過程為干切削。

2 結果及分析

2.1 YS8硬質合金刀具切削試驗

試驗采用的進給量為0.1 mm/r，切削深度為0.5 mm，根據該刀具的實際切削能力選擇35 m/min、50 m/min和65 m/min三種不同的切削速度。各切削速度下試驗獲取的刀具磨損曲線如圖1所示。

圖 1 YS8刀具的VB隨時間的變化

將圖1中刀具磨損的數據整理后列表如表2所示，然后在雙對數坐標系中繪制YS8刀具的耐用度曲線，具體如圖2所示。

表 2 YS8刀具的耐用度

圖 2 YS8刀具的耐用度曲線

對以上各組數據進行分析，根據式m=0得到-方程，具體如式1所示：0.4420=175.88 (1)

從以上試驗數據可以看出，YS8未涂層刀具的壽命隨著切削速度的提高而降低，當切削速度達到65 m/min時，刀具壽命僅有9 min。

2.2 三菱TiAlN涂層刀具切削試驗

試驗采用的進給量為0.1 mm/r，切削深度為0.5 mm，根據該刀具的實際切削能力選擇35 m/min、50 m/min和65 m/min三種不同的切削速度。各切削速度下試驗獲取的刀具磨損曲線如圖3所示。

圖 3 TiA1N涂層刀具的VB隨時間的變化

將圖3中刀具磨損的數據整理后列表如表3所示，然后在雙對數坐標系中繪制TiA1N涂層刀的耐用度曲線，具體如圖4所示：

表 3 TiA1N涂層刀具的耐用度

圖 4 TiA1N涂層刀具的耐用度曲線

對以上各組數據進行分析，根據式m=0得到-方程，具體如式2所示：0.2014=88.7 (2)

從以上試驗數據可以看出，刀具壽命隨著切削速度的增加逐漸降低。當切削速度為65 m/min時，刀具磨損快速增加，所以使用TiAlN涂層刀具切削GH2132時，應將切削速度控制在50 m/min左右，如果切削速度過高會造成刀具的性能下降，磨損增加，減少刀具的使用壽命；切削速度太低會導致材料去除率太小，且容易產生積屑瘤。

2.3 丹麥尤尼莫克C7 PLUS涂層刀具切削試驗

試驗采用的進給量為0.1 mm/r，切削深度為0.5 mm，但C7 PLUS涂層刀具的切削性能比上述兩種刀具切削性能要好，所以選擇50 m/min、65 m/min和80 m/min三種不同的切削速度。各切削速度下試驗獲取的刀具磨損曲線如圖5所示。

圖 5 C7 PLUS涂層刀具的VB隨時間的變化

將圖5中刀具磨損的數據整理后列表如表4所示，然后在雙對數坐標系中繪制C7 PLUS涂層刀具的耐用度曲線，具體如圖6所示。

表 4 C7 PLUS涂層刀具的耐用度

圖 6 C7 PLUS涂層刀具的耐用度曲線

對以上各組數據進行分析，根據式m=0得到-方程，具體如式3所示：0.3906=234.72 (3)

從以上數據可以看出，當切削速度為50 m/min時，C7 PLUS涂層刀具的壽命接近一個小時（53 min），相比未涂層刀具和TiAlN涂層刀具有著顯著的增加；當切削速度達到80 m/min時，刀具的壽命也能達到19 min，說明C7 PLUS涂層刀具的切削性能確實較未涂層刀具和Tia1N涂層刀具優越。

2.4 各涂層刀具試驗結果對比分析

在-方程中，的指數越大，表明切削速度對刀具壽命的影響越小, 也就表示該刀具適用于該種材料的切削[7,8]。分析不同涂層硬質合金刀具的-方程可以看出，未涂層的硬質合金刀具的指數是0.4420，表明刀具的壽命隨切削速度的變化并不明顯，雖然切削速度為35 m/min時刀具壽命不是很高，但當切削速度達到65 m/min時刀具壽命仍有9 min；TiAlN涂層刀具的指數是0.2014，說明在切削GH2132時，TiAlN涂層刀具的切削速度對壽命有較大影響，當切削速度大于50 m/min時，刀具的壽命降低非常顯著，所以在切削GH2132時，TiAlN涂層刀具的切削速度應控制在35~50 m/min區間內，此時刀具的壽命較長。

對比未涂層硬質合金刀具和TiAlN涂層刀具，當切削速度為50 m/min以下時，未涂層刀具的壽命較TiAlN涂層刀具短；但當切削速度達到50 m/min以上時，未涂層刀具的壽命大于TiAlN涂層刀具。所以在使用普通涂層刀具切削GH2132合金時，應將切削速度控制在50~60 m/min區間。

C7 PLUS涂層刀具的指數是0.3906，說明切削速度對該涂層刀具壽命的影響較小，適用于切削高溫合金GH2132，而且C7 PLUS涂層的耐熱性能較好，最高能達到1100 ℃。在試驗中，當切削速度達到80 m/min時，刀具的最高溫度為900 ℃左右，在該溫度下刀具仍可以正常切削一段時間，所以在切削GH2132合金時，切削速度應控制在60~80 m/min區間內。

3 切削加工GH2132的刀具磨損機理分析

3.1 刀具宏觀磨損形貌分析

在切削GH2132合金時，刀具切削溫度很高且磨損較為復雜，在各切削速度下未涂層刀具磨損的顯微照片如圖7所示：

圖 7 YS8刀具的磨損形貌

從圖7中可以看出，切削速度為35 m/min時刀尖有小范圍的崩刃，可能是由于切削時受到了外界沖擊導致實際切削位置變化；切削速度為50 m/min時整個刀具均勻磨損，刀刃上產生微小的溝槽磨損；而當切削速度達到65 m/min時，刀具的磨損非常嚴重，刀刃處產生較深較寬的溝槽磨損。

TiAlN涂層刀具的磨損形貌如圖8所示。

圖 8 TiAlN涂層刀具的磨損形貌

從圖8中可以看出，切削速度為35 m/min時，刀具均勻磨損，刀尖處附著有工件材料且有積屑瘤；切削速度為50 m/min時，刀具出現不均勻的磨損帶，在切削深度較大處刀具的磨損深度較大，同時刀尖出現了材料剝落和崩刃；切削速度達到65 m/min時，刀具磨損嚴重，且磨損帶顯著增大，切削深度較大處刀具的磨損寬度和深度也較大，且前刀面出現大面積的脫落。

C7 PLUS涂層刀具的磨損形貌如圖9所示。

圖 9 C7 PLUS涂層刀具的磨損形貌

從圖9中可以看出，切削速度為50 m/min時，刀具均勻磨損，涂層基本被磨掉，同時刀刃上產生小范圍的溝槽磨損；切削速度為65 m/min時，磨損帶也比較均勻，但刀刃上的磨損溝槽顯著增大；切削速度達到80 m/min時，刀具的磨損非常嚴重，磨損帶寬度顯著增大，說明刀具在切削高溫下產生了嚴重的磨損。

綜合上述各種刀具的磨損形貌分析可以得出：切削速度較低時，工件與刀具在接觸區域為塑性接觸，此時由于粘結作用導致后刀面磨損帶上附著了一層工件材料；隨著切削速度的增加但小于某一速度0時，接觸區粘附層出現周期性的局部破壞，使后刀面表層材料產生疲勞損壞造成局部剝落，剝落的刀具材料隨切削屑帶走導致刀具表面出現了部分微坑，但又被工件材料迅速填充。此時刀具的最大剝落區處于后刀面上距離刀刃較近的地方，所以在低速切削時，刀具主要發生粘結和磨粒磨損；在高速切削時，切削溫度較高，工件材料與刀具接觸的地方會發生材料擴散現象，主要發生擴散磨損，同時也有磨粒磨損。

3.2 刀具磨損機理分析

對C7 PLUS涂層刀具進行掃描電鏡和能譜分析來確定刀具與切屑間的材料擴散情況，首先在切削速度為65 m/min時對刀具的后刀面進行掃描電鏡和能譜分析，然后在相同速度下進行前刀面的掃描電鏡和能譜分析。切削速度為65 m/min時C7 PLUS涂層刀具后刀面的能譜分析位置如圖10所示。

圖 10 C7 PLUS涂層刀具的后刀面形貌

從圖10中可以看出，切削速度為65 m/min時磨損帶出現了不均勻分層現象。對位置1進行能譜分析，Cr、Fe和Ni元素的含量比較高，說明該處材料的擴散較劇烈；位置2處能譜分析結果表明W元素含量比較高，其它元素含量較少，說明該處的涂層已經完全磨損，裸露出了刀具的基體材料；位置3處的能譜分析結果表明該處的Cr、Fe、Ni元素的含量較位置1處高，說明位置3的材料擴散更嚴重，而且位置3處溫度較高導致刀具材料發生切屑磨損剝落，出現比較大的溝槽。以上說明GH2132合金材料中的硬質點對刀具產生了磨粒磨損作用。

切削速度為65 m/min時C7 PLUS涂層刀具前刀面的能譜分析位置如圖11所示。

圖 11 C7 PLUS涂層刀具的前刀面形貌

Fig.11 Front surface morphology of cutter with C7 PLUS coat

從圖11中可以看出，切削速度為65 m/min時，C7 PLUS涂層刀具的前刀面出現一定的月牙洼磨損，從能譜分析結果可知部分涂層已經剝落且位置2處的Cr、Fe、Ni元素的含量也比較高，表明該位置的工件材料元素已經開始向前刀面擴散。經分析可知，當切削速度較大時，刀具前刀面的溫度也比較高，同時刀具受力也變大，在熱和力的一同作用下更加劇了刀具的擴散磨損。

通過上述分析可知，在涂層硬質合金刀具切削GH2132合金時，當切削速度較高時，刀具材料元素和工件材料元素間的擴散作用較為嚴重，刀具以擴散磨損為主；當切削速度較低時，刀具以粘結磨損和磨粒磨損為主。而不論切削速度高低，切削GH2132合金時都會發生磨粒磨損，這是因為GH2132合金中含有大量的硬質化合物（如WC、TiC、VC），而這些化合物的硬度基本不隨切削溫度和切削速度的變化，均在刀具的表面劃出溝槽，就使刀具發生了磨粒磨損。

4 結論

通過使用不同涂層刀具切削GH2132合金試驗，研究了刀具的耐用度和磨損規律，試驗結果表明：①在刀具后刀面的磨損量VB=0.3 mm，切削速度=50 m/min時，未涂層刀具的壽命達到了19.5 min，TiAlN涂層刀具的壽命達到了31 min，而納米復合涂層刀具的壽命達到了53 min且切削速度=80 m/min時刀具的壽命也達到了16 min，說明納米涂層刀具的切削性能十分優越；②用硬質合金刀具切削GH2132合金時，磨粒磨損、粘結磨損、擴散磨損都會出現，在高速時主要是擴散磨損，同時也會發生磨粒磨損，在低速時主要是粘結磨損和磨粒磨損。

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The Durability and Wear Law of High Temperature Alloy GH2132

PAN Yi-ning

310018,

The durability and wear law of high temperature alloy GH2132 were studied to be cut by the hard alloy cutter without coat, hard alloy cutter with TiAIN coat and hard alloy cutter with C7 PLUS coat, respectively. The results showed that the durability of GH2132 cut by cutter with C7 PLUS was the best in three cutters. The wear law showed that low-speed cutters mainly occurred an adhesive wear and abrasive wear, high-speed cutters mainly took place a diffusion wear, meanwhile abrasive wear too.

High temperature alloy GH2132; durability; wear law

TG257

A

1000-2324(2018)03-0508-06

2017-03-02

2017-04-26

潘益寧(1980-),男,碩士,助理實驗師.主要研究方向為計算機輔助設計制造. E-mail:anipan@126.com