高速銑削69111 不銹鋼的硬質合金刀具磨損機理研究*

周建濤 鄧建新 李友生

（山東大學機械工程學院，山東 濟南 250061）

69111 不銹鋼是一種超高強度不銹鋼，其牌號為Cr12Mn5Ni4Mo3Al。由于69111 不銹鋼是介于馬氏體沉淀硬化不銹鋼與奧氏體沉淀硬化不銹鋼之間的一種過渡型沉淀硬化不銹鋼，所以它不僅具有馬氏體沉淀硬化不銹鋼的超高強度，又具有奧氏體沉淀硬化不銹鋼的高韌性。目前，廣泛用于制造飛機上要求高壓力、高密封性、高疲勞強度和強防腐蝕能力的零部件。

與其他超高強度鋼一樣，69111 不銹鋼的切削加工也存在著切削加工速度低、刀具壽命短、加工效率低等特點。因此，有必要就如何提高69111 不銹鋼的加工效率、延長刀具使用壽命進行系統的研究。但是，國內外學者對69111 不銹鋼的研究大多還集中在其材料性能方面，如國內學者郭永良［1-2］等人對69111 不銹鋼的材料性能進行了大量的研究。目前，對該不銹鋼切削加工性能的研究還尚未見到過報道。

因此，本文采用硬質合金刀具材料進行高速干銑削加工69111 不銹鋼的試驗，通過對硬質合金刀具的磨損形貌進行系統的觀察分析，以期揭示高速干銑削加工69111 不銹鋼時刀具的磨損機理，從而能夠為高速干切削加工超高強度鋼提供理論指導和試驗依據。

1 試驗部分

使用DAEWOO ACE -V500 加工中心進行69111不銹鋼的高速銑削試驗，銑削方式為單齒端面順銑，不使用切削液。所選用的刀具為株洲硬質合金廠生產的硬質合金銑刀片YG8，其型號為：4160511。銑削參數為v=160 m/min，ae=3 mm，ap=1 mm，f=0.1 mm/r；銑削行程為L=487.5 mm。其中，試驗中所使用的硬質合金刀具主要成分為92%WC，8%Co；工件材料69111 不銹鋼的主要成分為12%Cr，5%Mn，4%Ni，3%Mo，1%Al，小于0.08%C，少量Si、P 等元素，其余為Fe。

試驗結束后，首先將刀片進行超聲清洗，然后使用電子掃描顯微鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）對刀具的前刀面進行整體磨損形貌的觀察分析。然后，再使用型號為MQ6025A 的工具磨床將刀具沿縱向緩慢磨削至后刀面的最大磨損處，為了保證刀具前、后刀面的工件材料粘結層在磨削過程中不受影響，每次磨削的進給量不超過0.01 mm，最后再對刀具后刀面的縱截面進行SEM 觀察和EDS 分析。

2 結果與討論

2.1 前刀面磨損

圖1 所示為硬質合金刀具YG8 的前刀面磨損的SEM 照片和EDS 分析圖。分析圖1a 可以看出：高速銑削時刀具的前刀面磨損形態不同于常速切削時的磨損形態，即其不是表現為月牙洼磨損形式，而是表現出切削刃處磨損最大的斜面磨損形式［3］；刀具的前刀面磨損區域與切削刃直接相連，而且在磨損區域內，沿切削刃方向，越遠離刀尖，前刀面的磨損就越嚴重，并有小塊的剝落現象出現。

分析圖1 可以看出：在刀具前刀面的磨損區域及磨損的邊緣區域都發現了氧元素，這是由于銑削為斷續切削，在銑削過程中，空氣就能很容易地滲入到切屑與刀具前刀面的接觸區，并在高溫作用下與刀具材料發生氧化反應。又由于硬質合金刀具材料的氧化物質軟而疏松，所以在切削過程中很容易被切屑和工件材料摩擦破壞掉，此后又重新氧化，又不斷被摩擦掉，周而復始，造成了刀具前刀面的氧化磨損［4］。在銑削過程中，前刀面上切屑的流動使得刀-屑接觸面間保持著較高的刀具組元濃度梯度［5］，如圖1b 和c，在切削刃區域高溫和濃度梯度的作用下，刀具材料與切屑材料之間的元素相互擴散，致使刀具材料中的W 和Co元素向切屑的底層擴散，造成了刀具前刀面的擴散磨損，不僅降低了刀具材料的硬度和韌性，也加劇了刀具前刀面的磨損［6］。由于刀具材料中的Co 元素和工件材料中的Fe 元素、Ni 元素同屬于鐵族元素，故彼此間的化學親和性很強，以致于銑削過程中，在刀具的前刀面發生了粘結現象，如圖1c。隨著切屑、工件材料和刀具間的不斷相對運動，刀具材料中的粘結相Co 元素就會被粘結到切屑和工件材料中［7］，被切屑和工件材料帶走，造成了刀具前刀面的粘結磨損。

2.2 后刀面磨損

由于刀具的后刀面的磨損形貌為不規則的拋物線形狀，因此首先使用工具磨床將刀具沿縱向緩慢磨削至后刀面的最大磨損處，以獲得刀具的縱截面，如圖2a 所示為后刀面縱截面的SEM 照片，從而能夠更好地觀察和分析工件材料在刀具后刀面的粘結情況。

圖2 所示為硬質合金刀具YG8 的后刀面縱截面的SEM 照片和EDS 分析圖。分析圖2a 可以看出：硬質合金刀具的后刀面出現了明顯的磨損現象，使用工具顯微鏡測得其最大磨損量為0.17 mm；刀具后刀面磨損區域并沒有明顯的工件材料的粘結層，然而由于刀具材料與工件材料含有同族元素，致使彼此間的化學親和性很強，所以在后刀面上還是粘附有一些工件材料，如圖2b 所示，在銑削過程中就會對刀具的后刀面造成粘結磨損。同時，分析圖2b 和c 可以看出：刀具后刀面的磨損區域和磨損的邊緣區域都含有氧元素，也就是說在刀具的后刀面也出現了氧化磨損的情況。在銑削過程中，刀-工接觸面間也存在濃度梯度，如圖2c 所示，同樣會導致刀具材料中的元素向工件材料擴散，而造成刀具后刀面的擴散磨損。而且，3 點處的EDS 分析結果表明：該點Co 元素的含量僅為5.39%，而Co 元素的流失主要是擴散和粘結共同作用的結果［8］。一方面，Co 元素的流動性很強，在銑削過程中，由于溫度和濃度梯度的作用，易于產生擴散；另一方面，由于Co 元素和Fe、Ni 元素屬于同族元素，故彼此間的化學親和性很強，而易于被粘結帶走。

但是，在銑削過程中，后刀面的銑削溫度明顯低于前刀面，并且刀-工接觸面間的擴散系數也比刀-屑接觸面的擴散系數要小很多［8］，所以刀具后刀面的磨損程度較前刀面的磨損程度要輕微，如圖2a 和圖1a所示。

3 結語

（1）使用硬質合金刀具材料高速干銑削加工69111 不銹鋼時，刀具前刀面和后刀面的磨損機理均主要為：氧化磨損、粘結磨損和擴散磨損。

（2）高速干銑削加工69111 不銹鋼時，硬質合金刀具前刀面的磨損程度較后刀面嚴重，這主要是由于在銑削過程中，刀具前刀面的銑削溫度明顯高于刀具后刀面的銑削溫度。

［1］Guo Y.L.，Zhang X.Q.，Niu J.T..EFFECT OF HEAT TREATMENT ON MECHANICAL PROPERTIES OF 0Cr12Mn5Ni4Mo3Al［J］.ACTA METALLURGICE SINICA，2004，17（2）：118 -121.

［2］曹生利.0Cr12Mn5Ni4Mo3Al 熱處理工藝研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2005.

［3］劉占強，艾興.高速切削刀具磨損表面形態研究［J］.摩擦學學報，2002，22（6）：468 -471.

［4］李友生，鄧建新，張輝，等.高速車削鈦合金的硬質合金刀具磨損機理研究［J］.摩擦學學報，2008，28（5）：443 -447.

［5］Molinari A，Nouari M.Modeling of tool wear by diffusion in metal cutting［J］.Wear.2002，（1/2）：135 -149.

［6］陳日曜.金屬切削理論［M］.北京：機械工業出版社，1992.

［7］艾興等.高速切削加工技術［M］.北京：國防工業出版社，2003.

［8］解麗靜，劉志兵，王西彬.硬質合金刀具銑削高強度鋼的磨損機理研究［J］.兵工學報，2005，26（4）：519 -522.