高壓水射流技術清洗刀具的研究

黃園園, , , , , ,

(臺州學院 物理與電子工程學院, 浙江 臺州 318000)

高壓水射流技術清洗刀具的研究

黃園園,付亞波,孟志來,史宇峰,蔚桑桑,楊飛君,諸艷云

(臺州學院 物理與電子工程學院, 浙江 臺州318000)

高壓水射流; 清洗; 刀具; 氧化物

0 前 言

刀具是機械制造中用于切削加工的工具.古人云:“工欲善其事,必先利其器”,刀具在機械制造業的切削加工中占有重要地位[1].刀具從選材到包裝,需要經過30多道工序才能完成.制造刀具的一般工藝流程[2]為:選材→加熱→ 鍛打→化學熱處理→鍛打→淬火→打磨.在熱處理過程中,刀具難免會產生許多質量缺陷,有時甚至會因為某種嚴重缺陷而報廢.刀具熱處理產生的缺陷有:硬度低、脫碳、變形、開裂、過熱、過燒、腐蝕、萘狀斷口、表面皺紋和表面蒸鍍等[3].由于加熱時的氧化性氣氛(如空氣、氣氛中的O2、CO2、H2O等)氧化刀具,在刀具表面形成FeO、Fe2O3和Fe3O4等氧化物.圖1為熱處理后表面氧化的刀具.由于沒有進行有效的表面清洗,刀具表面已被嚴重氧化,生成鐵銹,嚴重影響了刀具的使用性能.

圖1 未清洗的刀具表面圖片Fig.1 Surface image of cutting tool without cleaning

化學清洗存在成本較高,容易腐蝕金屬和排除的廢液會造成環境污染等缺點.超聲波清洗技術一次性投資大,且清洗時零件擺放位置要求高[4].激光清洗不適用于大尺寸零件,且成本較高,技術尚不完善.

高壓水射流是以水為介質,通過高壓發生設備增壓獲得巨大能量,經一定形狀的噴嘴噴出的一股能量集中的高速水流.應用范圍由采礦、破巖、鉆孔、清洗、除垢發展到金屬和超硬材料切割、表面處理、研磨等方面.高壓水射流清洗技術相對上述幾種清洗技術具有不會損傷基體、不會造成二次污染、成本低、工作效率高、用途廣泛,易于實現自動化和機械化等優點[5-6].

本文將研究高壓水壓力、流速及噴嘴尺寸對刀具的清洗效果,為高壓水射流技術在刀具清洗方面的應用提供一定的理論依據.

1 試驗參數

試驗使用型號為DBG-1850Fg3的清洗機清洗,其參數見表1.試驗刀具為熱處理后的9SiCr4合金,各元素的質量分數:C為0.85%～0.95%,Si為1.20%～1.60%,Mn為0.30%～0.60%,Cr為4.155%～4.171%,W為1.54%～1.58%,S<0.009%,P<0.034%.

表1 DBG-1850Fg3型清洗機參數Tab.1 Parameter table of DBG-1850Fg3 washing machine

2 結果與討論

2.1 XRD檢測結果

2.2 SEM試驗結果分析

圖3為S4800 SEM觀察到的氧化后的刀具表面形貌.觀察發現刀具表面有大量片狀物質.通過能譜儀對刀具基體進行成分分析,發現刀具中主要含有C、Fe、O、Cr、W和V等元素.Fe是刀具基體材料的主要元素,因此,Fe元素的含量最高.

圖2 XRD圖譜Fig.2 XRD patterns

圖3 氧化后刀具表面的SEM圖像Fig.3 SEM image on the surface of cutting tool after oxidation

圖4是圖3中選定區域的片狀物放大后的圖像.圖4中區域1處Fe和O的含量較高,由此可推斷該區域主要為Fe的氧化物.區域2和區域3處Na和O的含量較高,可以推測這些區域含有較多的鈉類氧化物,其中區域3的O含量略高于區域2.

圖4 放大6 000倍后的SEM圖像Fig.4 SEM image after magnified 6 000

圖5為刀具表面聚集許多呈棒狀的顆粒物質圖像,通過能譜分析,得到各元素的含量見表2.

圖5 刀具表面形貌及能譜測量點Fig.5 Micrograph and energy spectrum measurement point of toool surface

表2 各元素的質量和原子分數Tab.2 Mass and atomic percentage of each element

由表2可知,O元素所占的比例最高,說明刀具表面含有較多的氧化物,還含有一定量的Na、Ca和C元素.比較基體材料和表2成分可以推斷出:表面存在鹽類物質是導致刀具表面氧化的原因.基體不含Na,說明有外來物附著在了刀具表面上.結合刀具的生產過程,可以推斷鹽類物質來自于刀具的鹽浴熱處理工藝.根據XRD試驗結果中的物相分析,發現刀具表面的氧化物主要為NaNO3、Na3H(CO3)2·2H2O、Fe2O3和Fe3O4等物質,SEM觀察到了這些物質的形貌.這些附著物不僅會降低刀具表面的性能;而且這些表面附著物和基體表面結合得比較牢固,一般清洗技術(如超聲波)較難清洗干凈.為此,研究一種合理的清洗技術顯得尤為重要.

通過上述分析可知,表面覆蓋物的來源主要有以下幾個方面:鹽浴爐采用NaCl作為熔劑,在熱處理過程中同CO2、H2、O2和N2形成了NaNO3、Na3H(CO3)·2H2O.基體Fe能與H2O、O2形成Fe2O3和Fe3O4.

3 刀具表面清洗參數研究

本文對高壓水射流的清洗參數進行了研究.由式(1)和式(2)可知,壓力與射流速度成正比,與噴嘴直徑成反比.

射流速度:

(1)

噴嘴直徑:

(2)

式中:V為射流速度,m/s;C為流速系數;P為射流壓力,MPa;Q為液體流量,cm3/s;ρ為液體密度,g/cm3.

根據企業實際應用的參數,在較小范圍內利用正交試驗法研究了以下三種方案.表3為第一種清洗方案,在時間和噴頭直徑均保持一定的條件下,試驗了55 MPa、60 MPa和66 MPa三種壓強,比較了不同壓強下的清洗效果.表4為第二種清洗方案,在壓強和噴頭直徑保持一定的條件下,試驗了30 s、60 s和120 s三種時間.表5為第三種清洗方案,在最佳的壓強和噴射時間下,試驗了三種不同噴頭尺寸的清洗效果,噴頭直徑分別為1.2 mm、1.4 mm和2.0 mm.通過比較發現,高壓水壓強為60 MPa、噴頭直徑為1.4 mm和清洗時間為60 s時,刀具表面的氧化物被清除干凈,與沒有清洗的部分有明顯的區別,如圖6所示.該參數可有效地清洗刀具表面,清洗效果明顯、成本較低、無污染.

表3 第一種清洗參數Tab.3 First cleaning patterns

表4 第二種清洗參數Tab.4 Second cleaning patterns

表5 第三種清洗參數Tab.5 Third cleaning patterns

用SEM進一步觀察清洗后的樣品表面形貌,如圖7所示.EDS檢測發現,清洗前的覆蓋物NaNO3、Na3H(CO3)2·2H2O、Fe2O3和Fe3O4已經被清洗掉,只留下了Fe和C等基體材料,說明清洗工藝選擇較為合理.

圖6 清洗后的效果Fig.6 Effect image after cleaning

圖7 刀具清洗后的SEM圖像Fig.7 SEM micrograph of tool after cleaning

4 結 論

(1) 通過顯微觀察及分析,確定刀具表面覆蓋物為NaNO3、Na3H(CO3)2·2H2O、Fe2O3和Fe3O4,形貌呈棒狀和顆粒狀等.

(2) 高壓水壓強為60 MPa、噴頭直徑為1.4 mm以及清洗時間為60 s的參數條件下,可以清除覆蓋物.高壓水射流清洗技術具有高效、環保特點,是刀具表面清洗的發展方向.

[1]鄭文虎.刀具材料和刀具的選用[M].北京:國防工業出版社,2012:1-10.

[2]陳云,杜齊明,董萬福,等.代金屬切削刀具實用技術[M].北京:化學工業出版社,2008:48-49.

[3]王志杰.高速鋼刀具熱處理缺陷的原因及預防措施[J].金屬加工(熱處理),2010(1):29-30.

[4]張繼峰.超聲波清洗在生產線中的應用[J].金屬制品,2005,31(1):23-24.

[5]盧曉江,何迎春,賴維.高壓水射流清洗技術及應用[M].北京:化學工業出版社,2006:18-19.

[6]劉金林,付亞波,崔靜,等.HPb58-3易切削鉛黃銅閥門材料表面變色原因研究[J].上海有色金屬,2013,34(1):24-27.

ResearchonCleaningCuttingToolswithHighPressureWaterJet

HUANGYuan-yuan,FUYa-bo,MENGZhi-lai,SHIYu-feng,WEISang-sang,YANGFei-jun,CHUYan-yun

(SchoolofPhysicsandElecticalEngineering,TaizhouUniversity,Taizhou318000,China)

Cutting tool is widely used for processing cutting in mechanical manufacturing, however,a layer of chemical covering formed on the surface after heat treatment will affect its properties.The cleaning effect by using high-pressure water jet technology to remove the chemical covering on the cutting tool’s surface is studied and presented in this paper.The chemical covering on the cutting tool’s surface was checked and analyzed by SEM and XRD instruments.Analysis show that the covering contains NaNO3,Na3H(CO3)2· 2H2O,Fe2O3and Fe3O4,and the shapes are rod-like and/or grain-like.In order to remove the covering,some cleaning tests were carried out by using cleaning machine—DBG-1850Fg3.The result scanned by SEM shows that the chemical covering was removed when water pressure at 60 MPa,the sprayer head,1.4 mm in diameter and cleaning time 60 s.High pressure water jet cleaning technology has the advantages of high efficiency and environmental protection.It presents the development of the surface cleaning of cutting tools.

high pressure water jet; clearing; cutting tools; surface oxidation

1005-2046(2014)01-0020-04

2013-11-01

浙江省大學生科技創新活動計劃科技成果推廣項目(2013R428032);臺州市科技計劃項目(131KY02)

黃園園(1989-),女,材料科學專業,學士.

付亞波,男,博士,主要從事銅及銅合金及表面清洗等研究.E-mail:Lgdfyb@163.com.

TP69

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