超音速火焰噴涂WC涂層超高速磨削試驗(yàn)研究

易 軍 盛曉敏 郭 力

（湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410012）

涂層是指附著在某一基體材料上起某種特殊作用，且與基體材料具有一定結(jié)合強(qiáng)度的薄層材料。它可以克服基體材料的某種缺陷，改善其表面特性，如光學(xué)特性、電學(xué)特性、耐腐蝕性、耐磨損性和提高機(jī)械強(qiáng)度等。隨著航空航天、電子、軍工等尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，涂層技術(shù)得到了持續(xù)高速的發(fā)展［1］。

WC－Co是常用的WC系涂層材料，具有良好的韌性，但抗鹽霧腐蝕性能較差;WC－CoCr是在WCCo上發(fā)展起來(lái)的，其具有良好的抗腐蝕性能［1］。空氣助燃超音速火焰噴涂（HVOF）具有火焰溫度更低，粒子速度更高的特點(diǎn)。用超音速火焰噴涂所制備的WC－10Co4Cr涂層，涂層致密，孔隙率小于1%;涂層與基體的結(jié)合為機(jī)械和半冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較高，可大于70 MPa，硬度可以達(dá)到1 100～1 300 HV、而且可以獲得很高的耐磨性能［2］。

超音速火焰噴涂WC－10Co4Cr涂層的優(yōu)越性能使得其只能采用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高硬度、高耐磨性涂層的后期機(jī)械加工做了大量的研究工作［3－7］，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的磨削加工過(guò)程中存在以下問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn):（1）高的硬度和耐磨性使得磨削力比較大、砂輪損耗大;（2）涂層屬于脆性材料，磨削過(guò)程中難以獲得很好的表面質(zhì)量，表面裂紋難以控制;（3）磨削效率很低，磨削深度通常為幾微米。

本文通過(guò)超高速磨削的工藝試驗(yàn)，著重分析了不同砂輪線(xiàn)速度條件下超音速火焰噴涂WC－10Co4Cr涂層的磨削效果，并且分析了在超高速磨削條件下，增大磨削深度對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響。

1 材料磨削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)工件材料的規(guī)格為44 mm×15 mm×20 mm，其中底面和頂面兩面均采用超音速火焰噴涂方式噴涂有厚度為0.2～0.25 mm的WC－10Co4Cr涂層，基體材料是45鋼。材料的物理性能見(jiàn)表1。

表1 材料的物理性能

加工前材料的表面形貌如圖1。

從圖1可見(jiàn)，噴涂層表面呈現(xiàn)凹凸不平，且存在少量的孔洞。這是由熔融的碳化鎢粉末被高速氣流噴射到基體上，與基體結(jié)合的同時(shí)也產(chǎn)生了飛濺和少部分未熔的顆粒造成的［8］。通過(guò)測(cè)量未加工前涂層表面粗糙度發(fā)現(xiàn)，其表面粗糙度平均值為3 μm。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在由湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心自主設(shè)計(jì)制造的314 m/s數(shù)控超高速平面磨削試驗(yàn)臺(tái)（圖2）上完成，該試驗(yàn)臺(tái)的最高轉(zhuǎn)速為20 000 r/min;工作臺(tái)速度最高可達(dá)到5 000 mm/min;采用SBS4500砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)砂輪進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)平衡;磨削液供液壓力為8 MPa。

試驗(yàn)所用的砂輪為400#樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，分別由鄭州磨料磨具磨削研究所和奧地利泰利萊公司生產(chǎn);采用SiC滾輪進(jìn)行整形;采用Al2O3油石對(duì)砂輪修銳。表2為砂輪修整參數(shù)，表3為砂輪規(guī)格。

磨削過(guò)程中用Kistler測(cè)力儀對(duì)磨削力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量;被磨工件表面粗糙度Ra采用JB—4C表面粗糙度臺(tái)階測(cè)量?jī)x在垂直于磨削方向上測(cè)量;用FEI公司生產(chǎn)的型號(hào)為Quanta 200掃描電鏡對(duì)加工前后涂層的表面微觀形貌進(jìn)行檢測(cè)。

表2 砂輪修整參數(shù)

表3 砂輪規(guī)格

1.3 磨削試驗(yàn)方案

為了研究WC－10Co4Cr涂層的超高速磨削性能，做了以下試驗(yàn)。同時(shí)，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每一組試驗(yàn)參數(shù)均重復(fù)3次試驗(yàn)，并且采用了兩種不同磨削液（硬質(zhì)合金專(zhuān)用水基磨削液 SY－1和HOCUT795乳化磨削液）和2個(gè)不同廠家（鄭州磨料磨具磨削研究所和奧地利泰利萊公司）的砂輪。工藝參數(shù)和磨削條件見(jiàn)表4。

表4 工藝參數(shù)和磨削條件

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 磨削力結(jié)果與討論

圖3、圖4是工作臺(tái)速度vw為3.6 m/min、磨削深度ap為0.01 mm時(shí)砂輪線(xiàn)速度vs分別為30 m/s和160 m/s的磨削力實(shí)測(cè)圖。

圖5、圖6是磨削超音速火焰噴涂碳化鎢涂層時(shí)，磨削力隨砂輪線(xiàn)速度的變化關(guān)系。從圖中可看出，隨著砂輪線(xiàn)速度的大幅度提高，垂直方向和水平方向的磨削力均減小。

由于砂輪線(xiàn)速度的大幅提高，使得單位時(shí)間內(nèi)磨削區(qū)參與磨削的磨粒數(shù)量大大增加，在磨削深度一定的情況下，單顆磨粒最大未變形切削厚度變薄，磨刃作用在工件上的磨削力也相應(yīng)減小，所以測(cè)量出的磨削力都隨砂輪線(xiàn)速度提高而減小［9－10］。另外隨著磨削力的減小，每顆磨粒的負(fù)荷減小，磨粒磨削時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，因而也有利于提高砂輪使用壽命。

2.2 表面粗糙度結(jié)果與討論

圖7、圖8是工作臺(tái)速度vw為3.6 m/min、磨削深度ap為0.01 mm時(shí)砂輪線(xiàn)速度vs分別為30 m/s和160 m/s的表面粗糙度實(shí)測(cè)圖。

圖9是工作臺(tái)速度vw為3.6 m/min、磨削深度ap為0.01 mm時(shí)磨削后工件表面粗糙度隨砂輪線(xiàn)速度變化關(guān)系，從圖中可看出隨砂輪線(xiàn)速度提高，表面粗糙度值隨之減小。圖10是砂輪線(xiàn)速度vs為160 m/s、工作臺(tái)速度vw為3.6 m/min時(shí)工件表面粗糙度隨磨削深度的變化，從圖中可看出在超高速磨削條件下，磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響不大。

工件磨削表面是由砂輪表面的微刃直接作用的結(jié)果，在一定的磨削條件下，磨削表面的形成主要取決于砂輪表面形貌、微刃與工件之間的接觸方式。砂輪速度低時(shí)，微刃的切削作用差，往往在工件表面滑擦，而隨著砂輪速度的提高，一方面，磨刃相對(duì)鋒利，切削能力加強(qiáng)，使工件材料的隆起和塑性堆積現(xiàn)象減小;另一方面，砂輪表面磨刃的動(dòng)態(tài)等高性變好，工件斷面的有效磨刃率變大，單顆磨粒最大未變形切削厚度變薄，從而使工件表面形成的紋路致密和光滑。因而表面粗糙度值呈現(xiàn)減小趨勢(shì)［11］。

圖10的結(jié)果表明，在保證單顆粒磨削厚度的基礎(chǔ)上大幅度提高砂輪速度就可以同時(shí)加大砂輪切深和加快工作臺(tái)速度，顯著提高磨削效率而對(duì)磨削表面粗糙度影響不大。

2.3 表面微觀形貌結(jié)果與討論

通過(guò)SEM對(duì)涂層已磨削表面進(jìn)行微觀觀察，有如圖11所示結(jié)果，高速超高速磨削表面質(zhì)量（圖11a）優(yōu)于傳統(tǒng)磨削（圖11b）。

觀察圖11兩幅圖片發(fā)現(xiàn)，磨削表面由磨粒劃擦引起的溝槽磨痕和由于脆性斷裂破壞所形成的凹坑組成。由于金剛石磨粒的銳鈍狀態(tài)、高度分布有所區(qū)別，各個(gè)磨粒的實(shí)際切削深度、切削載荷都不相同，因此劃擦溝槽有深淺、寬窄之別［13］。

圖11a是碳化鎢涂層超高速磨削條件下，磨削表面微觀形貌。從圖中還可以看出，磨削表面呈現(xiàn)如下特征:存在大量的連續(xù)磨削條紋，紋理均勻且平直光滑;局部位置存在凹坑。大量的磨削劃痕是磨粒的微切削形成的，而局部位置的凹坑可能是材料本身的氣孔。由此可見(jiàn)在超高速磨削條件下，材料去除方式以塑性去除為主。

圖11b是碳化鎢涂層在較低磨削速度條件下，磨削表面微觀形貌。從圖中可見(jiàn)，圖11b存在一些和圖11a相同的特征，另外，在金剛石磨粒的推擠下，部分劃痕溝槽兩側(cè)壁處形成不完整的破碎邊緣，而且在劃痕底部和側(cè)面有大量的碎化晶粒，此外，磨削表面還存在一些凹坑。以上特征說(shuō)明磨削加工時(shí)材料去除方式以脆性去除為主。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在工作臺(tái)速度和磨削深度等磨削參數(shù)不變條件下，提高砂輪線(xiàn)速度能有效降低超音速火焰噴涂涂層的磨削力，進(jìn)而提高砂輪的使用壽命。

（2）在工作臺(tái)速度和磨削深度等磨削參數(shù)不變條件下，提高砂輪線(xiàn)速度能有效減小超音速火焰噴涂涂層表面粗糙度值，提高加工質(zhì)量。在超高速磨削條件下，磨削深度對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響不大，這將有利于超高速磨削時(shí)通過(guò)加大磨削深度來(lái)提高加工效率。

（3）通過(guò)對(duì)磨削表面的微觀形貌觀察，由于砂輪線(xiàn)速度的提高，大大減小了單顆磨粒的實(shí)際磨削深度，使材料的去除方式由低速時(shí)的脆性去除向塑性去除方式轉(zhuǎn)化，因而也提高了磨削表面的質(zhì)量。

［1］潘建平，彭開(kāi)萍，陳文哲.溶膠－凝膠法制備薄膜涂層的技術(shù)與應(yīng)用［J］.腐蝕與防護(hù)，2001，22（8）:339 －342.

［2］鄧春明，周克崧，劉敏，等.Cr對(duì)超音速火焰噴涂WC—Co涂層抗中性鹽霧性能的影響［J］.材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2007，22（3）:33 －36.

［3］Erning U，Nestler M C，Tauchert G，et a1.Proceedings of UTSC’99［C］.Dusseldorf:German Welding Society，1999:462.

［4］鄧朝暉，張璧，孫宗禹.納米結(jié)構(gòu)金屬陶瓷（n－WC/Co）涂層材料精磨磨削的試驗(yàn)研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2003（1）:13－17.

［5］吳琦，閔睿，曲征洪，等.杯形砂輪精密磨削WC－Co涂層磨削力的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2007，24（2）:134 －138.

［6］Murthy J K N，Rao D S，Venkataraman B.Effect of grinding on the erosion behaviour of a WC－Co－Cr coating deposited by HVOF and detonation gun spray processes［J］.Wear，2001，249:592 －600.

［7］Arash Ghabchi，Tommi Varis，Erja Turunen，et al.Behavior of HVOF WC－10Co4Cr coatings with different carbide size in fine and coarse particle abrasion［J］.Journal of Thermal Spray Technology，2010，19（1－2）:368－377.

［8］酈振聲，楊明安.現(xiàn)代表面工程技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:207－209.

［9］陸名彰，熊萬(wàn)里，黃紅武，等.超高速磨削技術(shù)的發(fā)展及其主要相關(guān)技術(shù)［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（10）.

［10］李長(zhǎng)河，蔡光起，丁玉成，等.超高速磨削相關(guān)技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用［J］.中國(guó)科技論文在線(xiàn)，2008，3（8）:618 －624.

［11］鄧朝暉，陳根余，廖鋼，等.高速磨削參數(shù)的優(yōu)化［J］.磨床與磨削，1996（2）:52－54.

［12］張淳，王軍.超高速磨削表面形貌特征的模擬研究［J］.燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，31（5）:398 －401.

［13］鄧朝暉，張璧，孫宗禹.納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層精密磨削表面/亞表面的形貌［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2005，33（3）:396 －401.