納米金剛石熱浸滲高速鋼刀具表面強化技術(shù)

2011-06-11 03:34:56常京龍

大連交通大學(xué)學(xué)報 2011年4期

常京龍

(天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 3004002)

0 引言

高速鋼作為一種常見切削刀具材料，因具備良好的工藝性、強度、韌性等優(yōu)勢沿用至今，特別是在復(fù)雜刃形刀具制造與使用方面始終居于主導(dǎo)地位.但高速鋼刀具與硬質(zhì)合金刀具相比在硬度、紅硬性、耐磨性等方面存在著先天不足，這就制約了其使用更廣泛性.在上世紀(jì)70年代末，涂層高速鋼刀具的出現(xiàn)，才在本質(zhì)上改變了高速鋼刀具的切削性能［1-2］，有效地解決了高速鋼的缺陷和不足.但是涂層高速鋼刀具涂層厚度受到限制，涂層內(nèi)因較大的殘余應(yīng)力易產(chǎn)生微裂紋，涂層發(fā)生剝落而失效，這又致使高速鋼涂層刀具性能存在不穩(wěn)定缺陷和價格較高等缺點［3-4］.

近年來，納米材料的應(yīng)用研究已經(jīng)涉及到多個領(lǐng)域，并取得了越來越顯著的成果，也成為目前各發(fā)達(dá)國家優(yōu)先研究的熱點之一［5-6］.

本文作者利用納米級金剛石熱浸滲技術(shù)將高速鋼刀具的表面進(jìn)行了強化，制備的刀具有高強度、高硬度、高塑性、抗沖擊、難腐蝕、耐磨損、無滲透界面的超細(xì)晶粒的梯度材料刀具，并對此刀具的切削性能做了進(jìn)一步的研究.

1 納米金剛石熱浸滲原理

納米金剛石微粒擴(kuò)散到金屬材料的晶粒中，能夠改變金屬材料表面的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而有效的改善材料物理特性［7-8］.高速鋼在723℃開始發(fā)生相變，從馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，在930℃時基本完成轉(zhuǎn)變，在馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變過程中，鋼材的體積收縮，其中有些收縮是通過增加晶界的不完整性來實現(xiàn)的.在1 000℃時，鋼材奧氏體晶界很寬大且不完整，晶界中的鐵原子和合金元素的原子因為具有不完整的晶體結(jié)構(gòu)，對周圍的原子有較大的吸引力.金剛石在750℃開始軟化，在970℃基本完成軟化過程，軟化的納米金剛石表面原子活性較大.這樣納米金剛石表面原子與鋼材奧氏體晶界內(nèi)的原子相互吸引，納米金剛石按照某種方式沿晶界進(jìn)入鋼材內(nèi)部.在加熱過程中進(jìn)入鋼材內(nèi)部的納米金剛石又逐漸聚合，形成納米級金剛石顆粒.

納米微粒在處理過程中，沿原始奧氏體晶界進(jìn)入鋼板內(nèi)部，同時向晶粒內(nèi)部擴(kuò)散，在隨后的熱處理過程中，由于納米顆粒的存在，改變了晶體特別是晶界的結(jié)構(gòu)，并引起材料的力學(xué)性能隨之發(fā)生了巨大的變化.

2 納米金剛石熱浸滲技術(shù)與特點

2.1 納米金剛石熱浸滲技術(shù)特點［8-10］與工藝流程

技術(shù)特點:擴(kuò)散速度高達(dá)mm/h;被處理表層可獲得高硬度的同時又具備良好的韌性;淬透性好，無裂紋傾向.

制備的工藝流程，見圖1所示.

圖1 制備的工藝流程

經(jīng)處理后高速鋼表面的滲透層達(dá)0.5～1.5mm左右，表面硬度HRC70，在表層獲得高硬度的同時，表面層又獲得高韌性.

2.2 納米金剛石熱浸滲后鋼組織的變化特點

經(jīng)納米復(fù)合技術(shù)處理后微觀組織發(fā)生很大的變化，晶粒超細(xì)化，經(jīng)納米復(fù)合處理的超級鋼的晶粒尺寸在10～100 nm之間，同時出現(xiàn)了特殊的微觀組織，見圖2所示.

圖2 納米金剛石熱浸滲鋼的微觀組織

從圖2中可看出，鋼表面有一層納米級細(xì)密膜，在細(xì)密膜下面是帶梯度的網(wǎng)狀碳化物，致使在產(chǎn)生硬度梯度的同時，也產(chǎn)生了相反趨勢的彈性模量梯度.改變處理工藝，可以使鋼的性能梯度變化減弱.

納米級金剛石熱浸滲后鋼的其它特點［8-10］:①合金元素的成分發(fā)生變化，如高速工具鋼中W、Mn、Mo等元素發(fā)生遷移，與納米顆粒形成新的結(jié)合方式;②出現(xiàn)了新相和新的鐵基合金;③熱處理性能優(yōu)良，無淬火裂紋傾向;④具有良好的焊接性能;⑤納米復(fù)合處理技術(shù)的處理深度可達(dá)幾十至100mm，甚至更深，且滲透速度高達(dá)2mm/h;⑥可以使普通鋼材成為高硬度、高強度、低彈性模量、抗沖擊、耐磨損、抗腐蝕、無滲透界面、超細(xì)晶粒(小于100 nm)的梯度;⑦具有良好的摩擦磨損性能，抗磨損性能比基體提高幾十倍，在某種工況下的實驗數(shù)據(jù)表明，摩擦系數(shù)由原先鋼與鋼的0.6降低到0.12.

3 處理后的刀具切削性能分析

切削試驗條件:臺式鉆床;三維銑削測力儀;工件材料有A3鋼、炮鋼和不銹鋼;熱浸處理鉆頭即刀具A，未經(jīng)過處理鉆頭即刀具B;加工深度為10mm.

切削參數(shù)條件:①機床轉(zhuǎn)速n=480 r/min，刀具進(jìn)給量f=0.15mm/r;②機床轉(zhuǎn)速n=480 r/min，刀具進(jìn)給量f=0.2mm/r;③機床轉(zhuǎn)速 n=820 r/min，刀具進(jìn)給量 f=0.15mm/r;④機床轉(zhuǎn)速 n=820 r/min，刀具進(jìn)給量 f=0.2mm/r，下文分別稱為:條件一～條件四.

3.1 刀具的材料力學(xué)性能對比分析

用硬度儀測量刀具A與刀具B局部區(qū)域的硬度和局部區(qū)域的彈性模量.刀具硬度測量結(jié)果如圖3所示，刀具A表面硬度最大，滲層加深硬度逐漸降低.刀具從外表面到內(nèi)部，形成硬度梯度，對切削加工非常有利.

圖3 刀具硬度變化曲線

刀具彈性模量測量結(jié)果如圖4所示，刀具A表面彈性模量值小，滲層加深彈性模量逐漸變大.彈性模量也形成硬度梯度，但與硬度梯度相反.同樣有利于切削加工.

圖4 刀具彈性模量變化曲線

可見納米金剛石熱浸滲技術(shù)改善了高速鋼刀具材料力學(xué)性能.

3.2 切削力對比分析

加工過程中切削力是動態(tài)變化的，對四種條件下加工A3鋼正常加工階段切削力進(jìn)行均值處理，得到如圖5所示刀具切削力變化曲線.在四種條件下經(jīng)過納米技術(shù)處理刀具切削力都低于未處理刀具.原因在于經(jīng)過納米技術(shù)處理的高速鋼刀具表面硬度增大，彈性模量值小.同時還可以判斷兩種刀具隨著切削速度加快和進(jìn)給量加大切削力均增大，且進(jìn)給量對切削力影響大于切削速度.

圖5 兩種刀具切削力變化曲線

3.3 刀具壽命的對比分析

圖6是加工A3鋼時不同切削用量刀具壽命變化曲線，顯然經(jīng)過納米技術(shù)處理刀具壽命高于未處理刀具;另外兩種刀具的使用壽命都直接受到切削速度和進(jìn)給量的影響.

圖6 不同切削用量刀具壽命變化曲線

圖7是在條件一情況下加工不同材料工件刀具壽命變化曲線，隨著工件材料強度和硬度的提高，刀具壽命均有下降趨勢，但納米金剛石處理后刀具壽命都高于未處理刀具的壽命.其余切削用量下加工處理后道具壽命均得到有效提高，限于篇幅不在給出變化曲線圖.

圖7 加工不同工件材料刀具壽命變化曲線

可見納米金剛石熱浸技術(shù)延長了高速鋼刀具的使用壽命，性能得到較大改善.

3.4 刀具磨損的對比分析

加工過程中刀具切削刃外緣轉(zhuǎn)角最大磨損量大于切削刃中間后刀面磨損量，圖8為刀具在機床轉(zhuǎn)速n=480 r/min條件下加工A3鋼兩種刀具主切削刃外緣轉(zhuǎn)角最大磨損量平均值變化曲線.當(dāng)機床轉(zhuǎn)速n=820 r/min條件下?lián)碛型瑯幼兓厔?