劉利++程耀楠++韓禹++徐明++王彤++嚴復(fù)鋼

摘要：針對筒節(jié)重型切削加工過程硬質(zhì)合金刀片容易出現(xiàn)粘結(jié)破損問題，進行硬質(zhì)合金刀片粘結(jié)破損機理分析，并進行工件材料與刀片材料元素擴散實驗研究.首先，分析刀一屑粘結(jié)形成實質(zhì)，并根據(jù)筒節(jié)重型切削加工條件和材料特性分析刀片粘結(jié)破損形成條件；然后，分析硬質(zhì)合金刀片粘結(jié)破損機理；進而，設(shè)計元素擴散實驗方案，進行高溫條件下的元素擴散實驗，對試塊擴散剖面進行擴散元素分析；最后，分析擴散元素的種類、擴散距離和擴散濃度，通過實驗數(shù)據(jù)可以研究粘結(jié)層強度及其對刀片粘結(jié)破損的影響，研究結(jié)果將為深入研究刀片粘結(jié)破損及刀片新材質(zhì)開發(fā)提供一定的依據(jù)，

關(guān)鍵詞：粘結(jié)破損；元素擴散；高強度鋼；硬質(zhì)合金

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.009

中圖分類號：TG501

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）05-0046-05

0 引言

加氫反應(yīng)器是煉油、煤液化生產(chǎn)中的關(guān)鍵裝備，重量可達到數(shù)百噸甚至上千噸，是由數(shù)段經(jīng)過切削加工的筒節(jié)焊接而成的，加氫反應(yīng)器是高溫高壓裝置，筒節(jié)是加氫反應(yīng)器的關(guān)鍵零件，所以筒節(jié)材料采用抗拉強度特別高的耐熱特種鋼2.25Cr-lMo-0.25V鋼.并且其直徑最大可達6.4m，最大高度達5.8m，是通過重型車削鍛造毛坯的方式制造的，筒節(jié)毛坯最大重量可達數(shù)百噸，并且鍛件表面狀態(tài)非常惡劣，其表面有坑包型、溝槽型、褶皺型和夾砂等鍛造缺陷.筒節(jié)荒加工時，切削參數(shù)明顯區(qū)別于普通切削過程，其切削加具有切削深度大（最大可達30mm以上）、材料去除量大（最大可達50%）等特點，由于鍛造缺陷的作用，切削深度是不斷變化的，甚至使切削處于斷續(xù)切削的狀態(tài)（筒節(jié)加工過程如圖1所示）.相對于普通車削加工來講，在工藝方而有很大的不同.

2.25Cr-l Mo-0.25V鋼是低碳合金鋼，具有很高的紅硬性與熱韌性等特性，其高溫力學(xué)性能明顯高于普通碳素鋼，這就進一步增加了鍛件加工的難度，并且，切削時不易斷屑，纏繞在刀片上的切屑容易破壞刀刃.在重型車削參數(shù)及工件材料的難加工性的共同作用下，筒節(jié)鍛件切削過程中切削力可達數(shù)噸，刀一屑接觸界面摩擦非常距離，切削溫度可達1000℃，導(dǎo)致切削過程中硬質(zhì)合金刀片失效非常嚴重，刀片的粘結(jié)破損是筒節(jié)荒加工刀片的主要失效形式之一（如圖l所示），這嚴重影響了刀片壽命和生產(chǎn)效率.因此本文進行筒節(jié)重型切削過程中硬質(zhì)合金刀片粘結(jié)破損機理分析和刀片材料與工件材料的元素擴散實驗研究，為深入研究刀片的粘結(jié)失效提供依據(jù).

1 刀-屑粘結(jié)破損機理

粘結(jié)破損是刀片常見的磨損形式，在重型切削高強度鋼過程中，刀片粘結(jié)失效更是占有很大比例.研究刀片粘結(jié)現(xiàn)象本質(zhì)以及粘結(jié)機理，有利減少刀片破損出現(xiàn)的頻率并進行工藝參數(shù)和刀片的優(yōu)化，從而為重型切削刀片開發(fā)設(shè)計、提高其壽命及加工效率打下基礎(chǔ).

1.1 粘結(jié)形成實質(zhì)

將圖2（a）所示的刀片上粘結(jié)的切屑掰下，切屑并不是從刀一屑粘結(jié)界面分離，而是帶走了部分刀片材料，使刀片切削區(qū)域形成凹坑，如圖2（b）所示.原因是刀一屑之間形成了牢固的粘結(jié)，粘結(jié)部分強度已經(jīng)超過切削區(qū)域硬質(zhì)合金刀片內(nèi)部材料的結(jié)合強度，這種粘結(jié)現(xiàn)象與壓力焊相似，即在一定的壓力下，使切削區(qū)域的刀片材料與工件材料緊密接觸，在較高的溫度和一定的時間條件下，雙方材料元素發(fā)生擴散，形成粘結(jié).

1.2 粘結(jié)破損機理分析

采用Deform-3D有限元仿真軟件進行重型硬質(zhì)合金刀片切削筒節(jié)材料仿真，切削參數(shù)為v_c=60m/min，a_p=20mm，f=1.6mm/r.通過圖3的仿真結(jié)果可知，仿真過程中切削區(qū)域最高切削溫度可達1000℃以上，切削力最大可達3.56t.這就為刀一屑的粘結(jié)提供了物理條件，

在切削力的作用下，切屑在前刀面不斷的流動和摩擦，破壞了刀片表面的涂層.而光滑的金屬表面在微觀范圍內(nèi)也是非常粗糙的，由于切削力的作用，切削區(qū)域工件與刀片接觸界面上的凸起發(fā)生相互接觸、摩擦和擠壓，局部的壓力引起材料塑性流動，使材料露出新鮮的表面，則刀片與工件材料以化學(xué)純凈的表面直接接觸，就為材料間的元素擴散提供了條件，很高的切削溫度會加速元素的擴散，最終使切屑與刀片在切削區(qū)域形成了冷焊層，從而使切屑與硬質(zhì)合金刀片粘結(jié).

圖3重型切削簡節(jié)材料過程仿真

切削筒節(jié)用的是YT15硬質(zhì)合金刀片，YT15硬質(zhì)合金主要是由硬質(zhì)相WC、TiC與粘結(jié)相Co組成的，粘結(jié)相Co的濃度決定著硬質(zhì)合金的強度，同時也決定了工件材料與刀片材料之間的親和力大小. Fe元素是工件材料中的主要元素，它與刀片材料的中的粘結(jié)相Co屬于同族的過渡元素，所以它們具有較大的親和性，容易形成固溶體，如圖4所示，通過對刀一屑粘結(jié)處進行能譜分析，除了刀片材料的主要元素外，能譜分析圖中還存在大量的工件材料擴散元素，如Fe、V、Mo、Cr等，其中也存在刀片材料中的Ti元素（工件材料化學(xué)成分如表1所示）.

刀片材料與工件材料之間的元素擴散是刀片粘結(jié)破損的主要原因之一.有必要對元素擴散進行定量分析，從而為深入研究刀一屑粘結(jié)層形成機理及強度提供基礎(chǔ).因此，進行刀片與工件材料的元素擴散實驗，對粘結(jié)過程中的元素進行定量分析.

2 刀-屑元素擴散實驗

2.1 工件材料與刀片材料的元素擴散實驗

進行2.25Cr-lMo-0.25V鋼材料與硬質(zhì)合金刀片材料的元素擴散實驗，所需實驗設(shè)備如表2所示.切削過程中前刀面受到的壓力和實驗過程中試塊受到的壓力對元素擴散會有一些影響，但是影響不大，尤其是固體之間的元素擴散，所以在實驗過程中忽略了壓力的影響，沒有控制壓緊力.元素擴散過程中壓力的作用是使兩種材料在微觀條件下緊密接觸，為了達到這個目的，對試塊接觸表面進行了金相拋光，在壓板的壓力下，兩種材料可以緊密接觸，首先，通過線切割機床等將硬質(zhì)合金棒和工件切割成較小試塊（硬質(zhì)合金棒：φ16xl0mm；工件材料：20×20×10mm），用磨床磨平，然后用金相砂紙拋光，并且用硝酸酒精清洗試塊，最后通過壓板與螺栓將工件材料和刀片材料試塊壓緊在一起，如圖5（a）所示，

將壓緊的試件放入坩堝電阻爐（額定溫度1000℃）加熱，坩堝爐有溫度控制儀，將溫度設(shè)定為800℃并且保持這個溫度持續(xù)加熱1h，實驗如圖5（b）所示.

2.2 擴散元素濃度測量

用線切割機床將加熱擴散后的硬質(zhì)合金棒沿軸線縱剖，然后對硬質(zhì)合金棒剖面進行磨平、金相拋光和超聲波清洗，通過SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電子顯微鏡進行硬質(zhì)合金棒剖面的能譜分析，分析T件材料向刀片材料擴散元素的種類、質(zhì)量分數(shù)及擴散的距離等，實驗如圖6所示.圖6（b）為硬質(zhì)合金棒剖面放大4000倍后的測量點布置圖，能譜測量點相隔約1μm左右，先分別對各個測量點進行了能譜分析，然后對圖中所示距離進行了線掃描，從而獲得在此距離內(nèi)元素含量的連續(xù)變化趨勢，如圖6（c）所示.

3 實驗結(jié)果分析

通過能譜分析得到元素百分含量表，發(fā)現(xiàn)擴散元素有V、Cr、Fe等元素，根據(jù)5個測量點和線掃描的能譜分析數(shù)據(jù)，可知元素擴散距離與擴散距離內(nèi)的元素含量變化規(guī)律，如圖7（a）是3種T件材料元素在刀片材料中的擴散距離.v元素的擴散距離為3μm，F(xiàn)e元素的擴散距離為15μm左右，Cr元素的擴散距離為7μm. Fe元素的初始濃度較高，擴散距離最長，圖7（b）是Fe在硬質(zhì)合金中質(zhì)量分數(shù)隨擴散距離的變化規(guī)律，隨著擴散深度的增大，質(zhì)量分數(shù)明顯下降，

通過對擴散元素的定量分析，可以得到刀一屑粘結(jié)層元素種類、濃度和擴散梯度，研究粘結(jié)層強度及其對刀片材料的剪切作用，為刀片新材質(zhì)開發(fā)提供一定的基礎(chǔ).

4 結(jié)語

進行了重型切削筒節(jié)材料硬質(zhì)合金刀片粘結(jié)破損機理分析，并對刀片材料和工件材料元素擴散進行了實驗研究，得到的結(jié)論如下：

1）刀一屑粘結(jié)是因為刀片與工件材料在切削區(qū)域形成冷焊層，其形成實質(zhì)類似于金屬材料之間的壓力焊.

2）進行了筒節(jié)材料的重型切削仿真分析，仿真過程中切削區(qū)域最高切削溫度可達1000℃以上，切削力最大可達3.5t，使刀片與工件切削區(qū)域材料在筒節(jié)重型切削過程中發(fā)生塑性流動，并以新鮮化學(xué)表面接觸，在元素擴散的作用下，在切削區(qū)域形成冷焊層，最終導(dǎo)致刀一屑粘結(jié).

3）設(shè)計并進行了刀片與工件材料的元素擴散實驗，通過對硬質(zhì)合金試塊剖面進行的擴散元素能譜分析，發(fā)現(xiàn)工件材料向刀片材料擴散元素有V、Cr、Fe等元素，它們的擴散距離分別為3μm，15μm和7μm左右，實驗數(shù)據(jù)為深入研究刀一屑粘結(jié)層強度和刀片新材質(zhì)開發(fā)提供了一定的依據(jù).