超細晶硬質合金刀具切削高溫合金試驗研究

張好強，趙 頌，李 超，侯鎖霞

（華北理工大學機械工程學院，河北 唐山 063210）

1 引言

高溫合金具有優異的高溫強度，良好的斷裂韌性、抗疲勞性、抗氧化性和耐熱腐蝕性等，常用于航空、航天、石油、化工、核能、船舶等重要領域。GH2132（A286）是一種鐵基高溫合金[1]，具有良好的熱穩定性、熱強性和塑性，廣泛用于燃氣渦輪噴氣發動機、增壓器、渦輪、轉子葉片和緊固件等[2]。但GH2132的導熱系數小，高溫硬度、強度較高，以及在切削過程中易發生快速加工硬化現象，材料的加工性很差[3]。文獻[4]對GH2132 合金進行了外圓車削試驗，分析了切削參數變化對切削力和表面粗糙度的影響。文獻[5]使用新型涂層硬質合金刀具，研究了該刀具車削GH2132 過程中刀具磨損和刀具耐用度，為改善加工工藝提供了參考數據。文獻[6-7]研究了切削GH2132時硬質合金中鈷含量和晶粒度對刀具磨損的影響。文獻[8]研究了切削GH2132時的最小量潤滑和最小量冷卻潤滑，結果在改進的最小量冷卻潤滑條件下，刀具壽命提高了200%。文獻[9]進行了GH2132 的銑削研究，測量并分析了加工后的工件表面性能和疲勞壽命，結果證明切削參數能夠顯著影響工件表面完整性和機械性能。超細晶硬質合金其硬度和耐磨性比普通硬質合金提高很多，目前已廣泛應用于加工鈦合金、高溫合金等難加工材料，其優良的物理性能需要進一步的研究[10]。

選用了兩種具有相同鈷含量的WC-Co基硬質合金YG8（平均晶粒尺寸：1.92μm）和YG8UF（平均晶粒尺寸：0.22μm）刀片對GH2132高溫合金進行了切削試驗，對比了兩種刀具在不同切削速度條件下的切削力和刀-屑摩擦系數，測定了刀具后刀面的平均磨損寬度VB值，借助掃描電鏡觀察了刀具后刀面的磨損形貌，同時對刀具的磨損機理進行了分析。

2 試驗部分

使用WC-Co類硬質合金刀片，牌號為YG8和YG8UF，刀片型號為31303C，刀具形狀，如圖1所示。刀具材料表面形貌，如圖2所示。刀具幾何參數，如表1所示。刀具材料的機械物理性能，如表2所示。工件材料為高溫合金GH2132，直徑φ60mm，其化學成分，如表3所示。在CK6140e數控車床上以外圓縱向車削方式干切削，如圖3所示。選定的切削用量，如表4所示。

圖1 31303C車刀片Fig.1 31303C Cemented Carbide Blade

圖2 兩種硬質合金刀片的表面形貌Fig.2 Surface Morphology of YG8 and YG8UF

圖3 CK6140e型數控車床Fig.3 CK6140e CNC Lathe

表1 刀具幾何參數Tab.1 Geometric Parameters of Tool

表2 刀具材料的機械物理性能Tab.2 Mechanical and Physical Properties of Tool Material

表3 GH2132的化學成分（w%）Tab.3 Chemical Compositon of GH2132（w%）

表4 試驗切削參數Tab.4 Cutting Amount in Experiment

使用瑞士Kistler9257B測力系統測量切削力，切削力測量示意圖，如圖4所示。以切削后刀片后刀面的平均磨損寬度VB值為0.3mm作為刀具的磨鈍標準，使用Zeiss研究級體式顯微鏡測量刀具后刀面的VB值，借助日本日立公司生產的S-4800場發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察后刀面磨損區的微觀形貌，采用美國Thermo Fisher公司的Noran7型X射線能譜儀（EDS）對刀具后刀面的磨損區域進行能譜分析。

圖4 切削力測量示意圖Fig.4 Sketch of Cutting Force Measurement

3 試驗結果與分析

3.1 切削力結果與分析

切削力測量結果和刀-屑平均摩擦系數計算結果，如圖5所示。其中刀-屑平均摩擦系數計算公式[6]為：

式中：f—刀-屑平均摩擦系數；γo—刀具前角；Fz—主切削力；Fx—進給力。

在切削用量三要素中，背吃刀量對各切削力的影響最大，進給量次之，最后是切削速度。從圖5可以看出，當背吃刀量和進給量保持不變時，兩種刀具的切削力隨切削速度的提高均有減小的趨勢，從切削速度對切削力的影響來看，超細晶硬質合金刀具YG8UF的切削合力小于普通晶粒硬質合金YG8，YG8UF的變化幅度要低于YG8；YG8刀具切削時的刀—屑間平均摩擦系數基本保持不變，YG8UF刀具切削時的刀—屑間平均摩擦系數有增大的趨勢，YG8UF刀具的刀—屑間平均摩擦系數低于YG8刀具。

圖5 不同切削速度條件下的切削合力和刀-屑平均摩擦系數Fig.5 Cutting Force and Tool-Chip Average Friction Coefficient at Different Cutting Speeds

切削力是評價刀具切削性能的一項重要指標。在材料的切削過程中，影響切削力的因素非常多，如工件材料、刀具材料、刀具幾何形狀、刀具角度、切削參數、刀具磨破損和切削方式等等。刀具表面與工件材料之間的摩擦系數直接影響著切削力的變化。普通晶粒度YG8刀具的磨損為嚴重的磨料磨損、粘著磨損和疲勞剝落磨損等。由于晶粒細化，YG8UF刀具材料的硬度得到了提高，刀具的耐磨性增加，在相同的切削條件下，超細晶YG8UF刀具的磨料磨損和粘著磨損程度均低于YG8刀具，故YG8UF刀具的刀—屑間平均摩擦系數要小于YG8刀具，導致YG8UF刀具的切削力要比YG8刀具小。

3.2 刀具磨損結果與分析

YG8 和YG8UF 兩種刀具的磨損曲線，如圖6 所示。圖6 四種切削速度條件下的磨損曲線可以顯示：當后刀面平均磨損寬度VB值低于0.3mm時，超細晶硬質合金刀具YG8UF的后刀面磨損量明顯低于普通晶粒度刀具YG8，可見超細晶硬質合金刀具的耐磨性優于普通晶粒度硬質合金刀具。對普通晶粒度硬質合金刀具YG8來說，當切削速度為60m/min，刀具的使用壽命最長，隨著切削速度的增加，后刀面的磨損速度變快，使用壽命快速減小，而超細晶硬質合金刀具YG8UF的磨損和使用壽命變化幅度很小。當切削速度達到65m/min以后，YG8刀具的平均壽命不足3min，而YG8UF的平均壽命為9min，超細晶硬質合金刀具YG8UF的使用壽命是普通晶粒度硬質合金刀具YG8的（3～4）倍。由此可見，在高速切削條件下，超細晶硬質合金比普通晶粒度硬質合金具有更好的耐熱性和耐磨性，使用壽命更長。

圖6 不同切削速度條件下的刀具后刀面磨損Fig.6 Wear Value of Flank Faces at Different Cutting Speeds

在切削速度為60m/min切削條件下，YG8和YG8UF刀具切削2min后的后刀面磨損形貌，如圖7所示。

圖7 YG8、YG8UF刀具后刀面磨損形貌Fig.7 Wear Morphology of Flank Faces of YG8 and YG8UF Blades

從圖7中可以看出兩種刀具后刀面均有不同程度的劃痕和粘結剝落產生，兩種硬質合金刀具都產生了磨料磨損和粘著磨損。YG8 刀具后刀面表面產生了較為嚴重的劃痕和粘結剝落，YG8UF劃痕深度較淺，且數量少，可見YG8UF超細晶硬質合金刀具的抗磨料磨損和粘結磨損的能力要優于普通YG8刀具。磨料磨損、粘著磨損、擴散磨損等是硬質合金刀具產生磨損的主要原因。在干式切削GH2132高溫合金過程中，磨料磨損是硬質合金刀具低速切削時產生的最主要的磨損。當切削速度較高時，由于刀具與工件之間接觸面積較小，摩擦劇烈，切削熱量集中，溫度高，在分子吸附引力的作用下，刀具與工件的接觸表面之間就會產生粘結現象。隨著切削過程的進行，粘結點不斷的形成，并且粘附在工件表面隨工件運動，被工件帶走，致使刀具的后刀面出現被撕裂現象，形成粘著磨損。隨著切削熱的累積及切削溫度的升高，粘著磨損和擴散磨損等會逐漸成為主要磨損形式。與YG8刀具相比，YG8UF刀具有更好地抗磨料磨損、粘著磨損和剝落磨損的能力。采用美國Thermo Fisher公司的Noran7型X射線能譜儀對兩種刀具后刀面的磨損微區進行能譜分析，兩種刀具切削后各元素的能譜分析，如圖8所示。各元素的百分含量（重量比），如表5所示。

圖8 YG8、YG8UF刀具切削后的能譜分析Fig.8 EDS Results after Cutting of YG8 and YG8UF Blades

表5 刀具后刀面主要化學成分（w%）Tab.5 Chemical Composition on Flank Faces of Blades（w%）

從表5中可以看出，對比切削前的表面元素，兩種刀具磨損后的元素發生了變化，其中Co和W元素減少了，而C元素增加了，同時磨損后的刀具表面出現了O、Ti、Cr、Mn、Fe和Ni等元素，刀具產生了擴散磨損和氧化磨損。YG8刀具的擴散磨損和氧化磨損的程度均高于YG8UF，可見晶粒細化有助于提高硬質合金刀具防擴散磨損、氧化磨損的能力。在一定溫度下，刀具和工件中的化學元素發生相互擴散行為，刀具表面W、Co減少，刀具硬度強度降低，同時工件材料表面化學元素擴散到刀具表面，只要接觸區的刀具表面和工件表面保持著擴散元素的濃度梯度，擴散現象就會持續進行。從圖2可以看出，與普通晶粒硬質合金相比，超細晶硬質合金刀具YG8UF由于晶粒細化，Co粘接相的分布更加均勻，且在Co中W的固溶增加，Co的強度和韌性提高。材料表面邊角曲折增多，表面坑洼不平等缺陷相對增多，工件表面的化學成分向刀具表面的擴散難度增加，WC晶粒不易脫落，能夠減少切削過程中表面元素的擴散。晶粒的細化使表面裂紋擴展的難度加大，同時在一定程度上抑制了裂紋的產生，材料表面局部剝落現象減少，因而提高了刀具的抗磨料磨損、粘著磨損和擴散磨損的能力。

4 結論

（1）切削力的結果顯示，超細晶硬質合金刀具的切削力明顯小于普通刀具，晶粒細化可以使切削力降低，刀—屑間平均摩擦系數減小。（2）超細晶硬質合金刀具具有更好的耐磨性和耐熱性，在以后刀面磨損量VB=0.3mm為刀具的磨鈍標準時，當切削速度達到65m/min 后，超細晶硬質合金刀具YG8UF 的使用壽命是普通晶粒度硬質合金刀具YG8的（3～4）倍。（3）硬質合金刀具切削GH2132高溫合金，刀具會出現磨料磨損、粘結磨損和擴散磨損，與普通晶粒硬質合金相比，超細晶硬質合金刀具具有更優的抗磨料磨損、粘著磨損和擴散磨損性能。