陶盈龍，朱國輝，蒲春雷，楊樹寶

(1.安徽工業(yè)大學a.冶金工程學院；b.機械工程學院，安徽馬鞍山243002；2.北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083)

硬質(zhì)合金相WC熱力耦合分解熱力學和動力學模型

陶盈龍1a，朱國輝1a，蒲春雷2，楊樹寶1b

(1.安徽工業(yè)大學a.冶金工程學院；b.機械工程學院，安徽馬鞍山243002；2.北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083)

以AISI 1045鋼為工件材料，YG 8硬質(zhì)合金為刀具材料，在800℃×700 MPa熱力耦合條件下進行擴散偶實驗，利用SEM和EDS分析高速切削條件下擴散偶界面附近WC相演化及元素擴散分布行為。結(jié)果表明，WC在熱力耦合作用下發(fā)生塑性變形，并破碎形成細小的WC顆粒，同時在工件側(cè)檢測到WC組成元素的分布，證明熱力耦合下WC確實發(fā)生了破碎、分解回溶及擴散?；诖?，建立熱力耦合條件下的WC分解熱力學和動力學模型，并計算顆粒尺寸和溫度對WC分解含量隨時間變化的影響。結(jié)果表明：塑性變形碎化形成的WC顆粒尺寸越小及分解溫度越高，WC分解速率越大；800℃時，直徑為10 nm的WC顆粒完全分解時間約為0.7 μs。

刀具擴散磨損；熱力耦合；WC分解；粒子變形回溶

金屬切削中，第二變形區(qū)高的應力(變)分布及溫度分布造成刀具的磨損形式主要有粘結(jié)磨損、磨料磨損和擴散磨損[1]。其中，擴散磨損常指前刀面刀屑連接區(qū)，刀具中硬相組成元素向工件切屑擴散，使刀具表層軟化而加速刀具破環(huán)的過程[2]。高速切削時，切削溫度較高，使刀具磨損中擴散磨損比重增加[3]。

Ti合金、中碳鋼的切削實驗表明[4-5]，硬質(zhì)合金刀具主要元素W，C，Co在切削中會擴散到切屑中，切削速度越高，擴散磨損量越大。W和C在刀具中以化合物WC形式存在，元素擴散首先需要WC的分解。然而，平衡狀態(tài)下，WC分解溫度一般在1 250℃左右[6]。在高速切削中，第二切變區(qū)的溫度一般不會超過900℃[7]，小于WC化合物平衡分解溫度，故僅從溫度角度并不足以解釋切削中的刀具擴散磨損。實驗觀測表明[8]，高速切削過程中，第二切變區(qū)除溫度升高外，還存在很大的應力應變分布。

文中以AISI 1045鋼為工件材料，YG 8硬質(zhì)合金為刀具材料，通過熱力耦合實驗模擬高速切削條件，分析硬質(zhì)合金中WC相破碎、分解和向工件材料的擴散行為。利用SEM及EDS對微觀組織結(jié)構(gòu)和元素分布進行檢測，建立WC在熱力耦合作用下的破碎、分解、擴散物理數(shù)學模型。

1 實驗材料和方法

采用YG 8硬質(zhì)合金作為刀具材料，AISI 1045鋼作為工件材料，進行熱力耦合實驗。擴散偶實驗裝置如圖1。實驗過程中，先將研磨拋光的硬質(zhì)合金刀具材料與工件材料接觸面裝夾，隨后用緊固螺栓進行固定，通過扭矩扳手調(diào)整緊固壓力以模擬刀屑接觸面正壓力，最后將裝夾后的擴散偶試樣放入一定溫度的電阻爐中保溫指定時間。實驗結(jié)束后，把擴散后的試樣平整拋光，用SEM和EDS對其微觀結(jié)構(gòu)形貌和元素分布進行研究。模擬高速切削過程的擴散偶實驗工藝為800℃×700 MPa，保溫90 min。

2 實驗結(jié)果與分析

用EDS對擴散偶界面區(qū)域進行線掃描分析，結(jié)果見圖2，掃描區(qū)域如圖2(a)中白線。從界面元素分布圖2(b)可見，在界面附近的工件和刀具材料中出現(xiàn)了明顯的W和Fe相互擴散現(xiàn)象，在工件材料側(cè)出現(xiàn)了W元素的擴散，隨著與界面擴散距離的增大，W元素的量逐步減小，直至消失。說明在熱力作用下，確實發(fā)生了WC顆粒的分解以及組分元素從刀具材料向工件材料的擴散。

原始刀具材料的微觀結(jié)構(gòu)及熱力耦合下擴散偶界面附近顯微組織如圖3。由圖3可見：原始刀具的主要組織組成相為棱角分明的灰色硬質(zhì)相WC，其相互連接成骨架結(jié)構(gòu)，周圍為黑色粘結(jié)相Co；經(jīng)過熱力擴散偶實驗，界面附近刀具側(cè)，WC發(fā)生了顯著的破碎，如圖3(b)；在熱力耦合作用下原來粗大平直的WC顆粒面上形成了兩邊匹配良好的界面，這是由1個顆粒破碎而形成的界面，在破裂的界面間還有脫落下來的尺寸約為70 nm的WC小顆粒，如圖3(c)。WC是一種脆性材料，能夠承受的塑性變形量很低，當外力作用超過一定數(shù)值后就會發(fā)生脆性斷裂，這與文獻[9]中報道一致。值得注意的是，實際切削過程中，第二形變區(qū)域中承受的應變速率通常在103s-1以上[10]，應變速率的增大會在很短的時間內(nèi)大幅增加塑性變形區(qū)域中的位錯密度。位錯密度是元素的高速擴散通道，更加有利于元素的擴散。基于圖2，3的觀測，證明熱力耦合作用下WC顆粒確實發(fā)生了破碎、分解、擴散的過程，為其分解熱力學和動力學模型的構(gòu)建提供了實驗依據(jù)。

3 WC顆粒分解熱力學和動力學模型

3.1 WC顆粒分解熱力學模型

3.1.1 模型構(gòu)建

顆粒表面存在表面能，當WC顆粒在熱力耦合作用下破碎后，與Co相之間截面面積的增加導致系統(tǒng)能量升高。刀具材料中，主要是Co和WC兩相組織。應力(應變)作用前后，其兩相平衡的摩爾自由能(G)與W在Co中的溶解度(χ)的關(guān)系如圖4。熱力作用下WC發(fā)生碎化，基于Gibbs-Thomson效應，W在Co基體(γ相)中的溶解度χγ增加，即由χγ升高到(熱力作用后W在Co中的溶解度)2種不同尺寸的WC顆粒之間的自由能差(ΔGm)構(gòu)成了WC顆粒分解固溶于Co中的熱力學驅(qū)動力。

式中：R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對溫度；Ω為1 mol溶質(zhì)W溶于Co中形成稀溶液時的能量變化。由圖4，根據(jù)幾何關(guān)系可得

式中：GWC為熱力作用前WC相的摩爾自由能；為熱力作用后WC相的摩爾自由能。根據(jù)熱力學關(guān)系式[11](其中 μi為組分i的偏摩爾自由能)，分別為：

則，可得

將式(1)代入式(3)，(4)得

其中熱力作用前W在Co黏結(jié)相中的平衡溶解度χγ是關(guān)于溫度的函數(shù)，假設規(guī)則溶液Co中W是唯一的溶質(zhì)，則溶質(zhì)在Co基體中的固溶度極限χγ可表示為[12]

通過此方程擬合Co-WC偽平衡相圖[13]，可以得出方程中各參數(shù)的值，即 A=1.32，104J?mol-1。根據(jù)式(7)可以得出一定熱力耦合條件下，應變作用后W在Co黏結(jié)相中的溶解度

3.1.2 WC顆粒碎化摩爾自由能的增加量

熱力耦合作用下WC顆粒破碎引起摩爾自由能的增加來自界面能(ΔGψ)和應變能的升高()。假設WC破碎后所得小顆粒(曲率半徑為r)在γ相(Co基體)上呈球狀分布，界面能增加導致WC摩爾自由能的升高可表示為[9]

因此，圖4中由于界面能的作用導致WC摩爾自由能的增加量為

熱力耦合作用形成小顆粒WC除界面能提高外，大塑性變形會使WC/Co相界面附近的Co基體中由于產(chǎn)生大量的位錯塞積，造成高的位錯密度。此位錯應變區(qū)將儲存一定的能量，具體可表述為[14]

其中，μ',b,ρ,Vm'分別為Co基體的剪切模量，柏氏矢量，應變區(qū)位錯密度以及變形Co基體的摩爾體積。綜合上述分析可知，熱力耦合作用下，WC顆粒碎化過程中，引起系統(tǒng)摩爾自由能的增加，即

3.2 WC顆粒分解動力學模型

WC分解動力學的主要機制是擴散[9]，假設單位時間dτ內(nèi)，球狀WC顆粒沿球表面法線方向分解dz薄層時，有

式中：χWC為WC化合物中W原子質(zhì)量分數(shù)；為塑性變形真應變?yōu)棣畔吗そ酉嘀蠾原子質(zhì)量分數(shù)；N為 Avogadro常數(shù)。由菲克第一定律有

D為擴散系數(shù)，即

其中：D0為W原子在Co基體中的擴散常數(shù)；Q為W原子在Co基體中的擴散激活能。假設WC顆粒周圍濃度按照線性分布，即

E為濃度梯度長度。積分上式可得

3.3 計算結(jié)果與討論

假設不同應力下碎化形成的WC顆粒尺寸分別為10，15，20，25 nm，溫度為400，600，800，1 000℃。由WC分解熱力學和動力學模型，結(jié)合表1所示的主要模型參數(shù)，可計算WC顆粒碎化后因表面能和應變能的升高而增加的摩爾自由能，及顆粒尺寸和溫度對WC分解速率的影響，結(jié)果分別如圖5，6。由圖5知，隨WC顆粒尺寸減小，摩爾自由能增量快速增加，WC分解的熱力學條件越好。

表1 細小WC分解的熱力學動力學模型主要參數(shù)[14--17]Tab.1 Main thermodynamics and kinetics model parameters of fine WC particles decomposition

由圖6可知：等溫800℃下，WC分解初期分解速率較快，分解的量隨時間延長指數(shù)增加，分解一段時間后，二者呈線性關(guān)系，分解速率有所下降，碎化形成的WC顆粒尺寸越小，分解速率越快；WC尺寸為10 nm時，分解溫度從400℃升高到1 000℃過程中，WC分解的量隨時間變化曲線的斜率快速增加，分解速率驟升；溫度恒定時，隨WC尺寸增加，WC顆粒完全分解時間呈幾何增長，400℃下25 nm尺寸WC和10 nm尺寸WC完全分解時間分別為229.0，7.8 μs，前者大后者約30倍，當分解溫度升高時，也會快速減小WC顆粒完全分解時間，但較高溫度下差別較小，如10 nm尺寸WC在800，1 000℃下的完全分解時間分別為0.7，0.4 μs。

4 結(jié) 論

刀具前刀面的擴散磨損在高速切削中占主要地位，WC化合物熱穩(wěn)定性高，難以僅在溫度作用下轉(zhuǎn)變?yōu)閃，C元素。通過熱力耦合條件下的擴散偶實驗，使用SEM和EDS對擴散偶界面附近WC微觀組織及其分解組元的擴散進行檢測，結(jié)果表明高溫、高壓下，WC顆粒發(fā)生了塑形變形及破碎，擴散偶界面附近發(fā)生了明顯的分解組元擴散。由熱力學和動力學的計算可知：WC顆粒尺寸減小，摩爾自由能增量快速增加，WC分解的熱力學條件越好；破碎的WC尺寸越小，溫度越高，WC越容易分解，800℃，10 nm WC顆粒的完全分解時間僅在0.7 μs左右。

[1]Kopac J,Sokovic M,Dolinsek S.Tribology of coated tools in conventional and HSC machining[J].Journal of Materials Processing Technology,2001,118(1):377-384.

[2]王琳琳.硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金刀具磨損機理的試驗研究[D].沈陽：沈陽理工大學，2013.

[3]D'Acunto M.Wear and diffusive processes[J].Tribology international,2003,36(7):553-558.

[4]Deng J X,Zhou J T,Zhang H,et al.Wear mechanisms of cemented carbide tools in dry cutting of precipitation hardening semiaustenitic stainless steels[J].Wear,2011,270(7):520-527.

[5]Zhang S,Li J F,Deng J X,et al.Investigation on diffusion wear during high-speed machining Ti-6Al-4V alloy with straight tungsten carbide tools[J].The International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology,2009,44(1/2):17-25.

[6]李祖來，蔣業(yè)華，葉小梅，等.WC在WC/灰鑄鐵復合材料基體中的溶解[J].復合材料學報，2007,24(2):13-17.

[7]Deng J X,Li Y S,Song W L.Diffusion wear in dry cutting of Ti-6Al-4V with WC/Co carbide tools[J].Wear,2008,265(11): 1776-1783.

[8]Karpat Y,?zel T.Predictive analytical and thermal modeling of orthogonal cutting process-part I:predictions of tool forces, stresses,and temperature distributions[J].Journal of manufacturing science and engineering,2006,128(2):435-444.

[9]?stberg G,Buss K,Christensen M,et al.Mechanisms of plastic deformation of WC-Co and Ti(C,N)-WC-Co[J].International Journal of Refractory Metals&Hard Materials,2006,24:135-144.

[10]Guo Z,Xiong J,Yang M,et al.Tool wear mechanism of WC-5TiC-10Co ultrafine cemented carbide during AISI 1045 carbon steel cutting process[J].International Journal of Refractory Metals&Hard Materials,2012,35:262-269.

[11]Porter DA,Easterling K E,Sherif M Y.金屬和合金中的相變[M].陳冷，余永寧，譯.北京：高等教育出版社，2011:13-14.

[12]雍岐龍.鋼鐵材料中的第二相[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006:119-125.

[13]馬淳安，褚有群，黃輝，等.WC-Co硬質(zhì)合金的相組成及其相變[J].浙江工業(yè)大學學報，2003,31(1):1-6.

[14]Kang J H,Rivera-Diaz-del-Castillo P E J.Carbide dissolution in bearing steels[J].Computational Materials Science,2013,67: 364-372.

[15]MolinariA,Nouari M.Modeling of tool wear by diffusion in metal cutting[J].Wear,2002,252(1):135-149.

[16]Park S,Kapoor S G,Devor R E.Microstructure-level model for the prediction of tool failure in WC-Co cutting tool materials[J].Journal of manufacturing science and engineering,2006,128(3):739-748.

[17]Christensen M,Dudiy S,Wahnstr?m G.First-principles simulations of metal-ceramic interface adhesion:Co/WC versus Co/TiC[J].Physical Review B,2002,65(4):1-9.

責任編輯：何莉

Thermodynamic and Kinetic Model of WC Carbide Dissolution under Thermal-mechanical Coupling

TAO Yinglong1a,Zhu Guohui1a,PU Chunlei2,YANG Shubao1b
(1.a School of Metallurgical Engineering,b School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology, Ma'anshan 243002,China;2.School of Materials Science&Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083)

Taking AISI 1045 steel as workpiece material and YG 8 cemented carbide as tool material,based on the diffusion couple experiments under 800℃×700 MPa,the WC microstructure and element distribution on diffuse couples interface were detected with SEM and EDS.The results show that the plastic deformation in the WC under thermal-mechanical coupling causes the broken of WC,which accompanied by the formation of fine chopped WC particles.The element distribution of WC carbide dissolution is detected on work side,which demonstrates that WC particle is truly broken,decomposition,re-dissolution and diffusion under thermal-mechanical coupling.By building the thermodynamics and kinetics model of decomposition of fine WC,the effect of fragmentation size of WC and the temperature on the decomposition percentage vs time curve were studied.The calculation results show that the smaller of WC size or the higher of temperature cause higher WC decomposition rate and the shorter time of WC decomposed completely.The complete decomposition time for 10 nm WC particles at 800℃is around 0.7 μs.

tool diffusion wear;thermal-mechanical coupling;WC decomposition;particle deformation dissolution

TG115

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.02.004

2014-11-27

國家自然科學基金項目(51175003)

陶盈龍(1988-)，男，安徽蚌埠人，碩士生，主要從事切削過程中組織轉(zhuǎn)變對刀具磨損的研究。

朱國輝(1959-)，男，上海人，教授，主要從事先進材料及工藝開發(fā)的研究。

1671-7872(2015)-02-0112-06