硬質合金車削30Cr13不銹鋼磨損機理研究*

范彩霞，劉 超，劉朝中，張保豐

(黃河科技學院 機械工程學院，鄭州 450063)

0 引言

30Cr13廣泛應用于煤礦機械液壓電控閥體的制造，然而其相對切削性只有45鋼的0.53倍[1]，屬于較難切削材料；此外，加工完成的成品零件相對于毛坯的金屬材料去除率高達60%左右，材料去除量大；并且，工件材料加工前普遍已進行預硬化，因此首選刀具材料為硬質合金[2]。

文獻[3]指出用硬質合金刀具加工2.25Cr1Mo0.25V時，選用較大的切削速度、較小的進給量和適當的切削深度可以減少刀具粘結破損；文獻[4]提出相對于未涂層刀具和TiN 涂層刀具，TiAlN 涂層刀具銑削鈦合金Ti-6Al-4V 時，隨著切削速度升高，其刀具后刀面耐磨性較前兩種顯著提高；文獻[5]提出濕式銑削316L不銹鋼時，采用TiAlN涂層的刀具壽命是采用 Al2O3 涂層刀具的2.1倍；文獻[6]采用硬質合金刀片切削SF-2000預硬模具鋼，發現磨損曲線在高速區(100m/min～200m/min)，干式銑削和濕式銑削沒有明顯的差異；文獻[7]刀具采用一種基體為具有強抗變形能力的非合金碳化物及AlTiN涂層硬質合金刀具，分別以100m/min、120m/min 以及140m/min 三組參數車削20Cr13，刀具的主要磨損機理為粘結磨損；文獻[8]從減小切削力的角度提出采用較小的軸向切深和進給量，較大的銑削速度和徑向切深可以提高30Cr13的加工特性；文獻[9]提出對刀具使用壽命影響最大的是工件的可切削性和刀具—工件材質的匹配性。

通過以上分析可見，切削速度是影響刀具耐用度最為關鍵的要素，而針對硬質合金刀具車削不銹鋼30Cr13的具體研究成果幾乎沒有；本論文借助光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡及能譜分析，對TiAlN基鎢鈷類硬質合金刀具車削30Cr13不銹鋼的磨損機理進行試驗研究，得出效率成本綜合最優切削速度，可顯著降低刀具損耗成本。

1 刀具磨損研究所用設備與儀器

1.1 切削加工設備、刀片型號及幾何參數

數控車床以寶雞機床CX7520A，數控系統采用日本FANUC系統。

實驗選用株洲鉆石生產的PVD涂層硬質合金YBG205，其基體化學成分如表1所示；表面添加耐磨和耐高溫元素的超細TiAlN基納米涂層；刀片型號為WNMG080408-EM，刀桿型號為MWLNR/L2525M08。

表1 刀具基體化學成分(質量分數，%)

圖1 實驗用刀片

1.2 工件材料的選擇

實驗用工件材料為30Cr13，直徑60mm，其調質硬度為263-282HBW10/3000，其熔煉化學元素成份如表2所示。

表2 工件化學成分(質量分數，%)

實驗件所需要達到的尺寸及表面粗糙度要求如圖2所示，粗實線所示表面為切削表面，實驗時刀具耐用度標準以加工圖示合格工件的數量及其對應的切削時間為依據。

圖2 切削實驗件裝夾及幾何特征

1.3 測試儀器

掃描電鏡及能譜分析:FEI Quanta 250 FEG

光學顯微鏡：金相顯微鏡OLYMPUS-BX51M。

精密粗糙度測試儀：JB-4。

2 刀具磨損實驗及切削速度選擇

保持切削深度(1.5mm)和進給量(0.2mm/r)不變，車削工件外圓從直徑60車到直徑27，只改變切削速度作刀具切削磨損實驗，測量被加工工件尺寸及加工表面完整性，得出在各種速度下刀具磨損對應的刀具耐用度和加工零件個數如表3所示。

表3 刀具磨損實驗數據

從表3可以看出,切削速度與刀具耐用度的關系呈現“駝峰”性質，υ=142 m/min時的切削性能及經濟性綜合評價最好，υ=123m/min時的切削性能最差。

3 磨損機理分析

圖3示出了υ=123 m/min切削速度下刀具切削部分前刀面和后刀面磨損形態的顯微照片。

(a) υ=123m/min前刀面 磨損微觀特征 (b) υ=123m/min后刀面 磨損微觀特征 圖3 υ=123m/min前、后刀面磨損形態

觀察圖3可見，在前刀面容屑區有明顯的大塊積屑瘤，局部有小的積屑瘤冷焊在切削刃部分，刀具磨損以粘附為主；針對圖3區域進行化學元素能譜分析，結果如圖4所示，未顯示化學元素Co(表1刀具基體材料)，說明刀具表面仍以涂層材料TiAlN為主，刀具基體材料基本沒有裸露。

圖4 υ=123m/min前刀面磨損的能譜分析

將圖4與工件材料(表2)和刀具材料(表1)對比，并考慮刀具表面的TiAlN涂層可知，刀具前刀面磨損區化學元素O的質量分數有所增加，說明刀-屑摩擦中有少量元素氧化；Fe、Mn和Cr元素質量分數增加尤其明顯，印證了圖3前刀面粘附的由工件材料構成的積屑瘤；積屑瘤的生長、脫落過程，帶走刀具材料中的元素，使刀具的前刀面產生磨損；同時積屑瘤也會在已加工表面上留下一些殘存的碎片，這些碎片成鑲嵌狀態隨機性散落這就影響了工件已加工表面的粗糙度。與此同時，這種不穩定的切削狀態，還會在已加工表面上形成犁溝，在犁溝中還會產生鱗刺現象，更進一步惡化了工件表面質量。

基于實驗結果比對，認為被實驗刀具材料在滿足給定加工精度前提下，當切削速度低于123 m/min，容易產生積屑瘤，前、后刀面的磨損形式以粘附磨損為主。

當切削速度取υ=132m/min、υ=142m/min、υ=152m/min和υ=163m/min時，刀具前刀面的磨損形態如圖5～圖8所示，其前刀面磨損形態的共同點是：切屑以較高速度流過前刀面時，在切屑與前刀面緊密接觸地方逐步形成“月牙洼”磨損，并隨著切削速度的增加向切削刃方向擴展，其后刀面磨損的共同特點是崩刃和粘附。

圖5為切削速度υ=132m/min時刀具前、后刀面磨損形態，其切削刃上靠近刀尖圓弧部位粘附有小的積屑瘤，對應后刀面處顯示為V形崩刃，月牙洼的區域較小。

(a)υ=132m/min前刀面 磨損微觀特征 (b)υ=132m/min后刀面 磨損微觀特征 圖5 υ=132m/min刀具前、后刀面磨損形態

圖6為切削速度υ=142m/min時刀具前、后刀面磨損形態，與切削速度132m/min相比，前刀面積屑瘤的體積有所減小，月牙洼的區域有所擴大，后刀面崩刃所形成的缺口內有積屑瘤粘附。

(a)υ=142m/min前刀面 磨損微觀特征 (b)υ=142m/min后刀面 磨損微觀特征 圖6 υ=142m/min刀具前、后刀面磨損形態

圖7為切削速度υ=152m/min時刀具前、后刀面磨損形態，隨著切削速度的增加，主切削刃急劇磨損，為進一步觀察υ=152m/min時主切削刃磨損的微觀特征，將主切削刃磨損區域進一步放大，如圖8所示，邊緣較為清晰的區域與邊緣較為模糊的刀具基體之間存在明顯的分區，充分說明顯微鏡光照聚焦區域為崩刃區域，該區域整體磨損低于前刀面，并且崩刃區域局部還粘附有小的積屑瘤。

(a)υ=152m/min前刀面 磨損微觀特征 (b)υ=152m/min后刀面 磨損微觀特征 圖7 υ=152m/min刀具前、后刀面磨損形態

圖8 υ=152m/min時的主切削刃崩刃粘附磨損形態

當υ=163m/min時，磨損形態如圖9所示，月牙洼磨損的區域較之前達到最大，在主切削刃上存在兩處較大的因切削速度過高導致切削刃崩落，在崩落塌陷部位粘接小的積屑瘤，副切削刃接近月牙洼尾部也粘接有積屑瘤，因切削速度過高引起刀具后刀面摩擦加劇，切削溫度升高，刀具材料局部軟化，切削在刀具后刀面刮出較大的犁溝。

(a)υ=163m/min前刀面 磨損微觀特征 (b)υ=163m/min后刀面 磨損微觀特征 圖9 υ=163m/min刀具前、后刀面磨損形態

圖10為當υ=163m/min時前刀面能譜分析結果，從圖中可見既有Ti、Al、Co、W等刀具中的元素，也有Cr、Fe、Mn等工件中的元素，這說明隨著切削速度的提高，切削溫度也逐漸升高，工件材料與刀具材料相互擴散。

圖10 υ=163m/min前刀面磨損的能譜分析

4 結論

本文主要對TiAlN基納米涂層鎢鈷類硬質合金刀具車削30Cr13不銹鋼時在不同切削速度下的干式切削磨損機理進行了實驗研究，其主要磨損機理為：較低速切削如取υ=123 m/min時，則前刀面較大塊積屑瘤粘附磨損嚴重；當切削速度位于142m/min左右時，切屑與前刀面緊密接觸地方在磨料磨損、粘附磨損、擴散磨損、氧化磨損的共同作用逐步形成“月牙洼”磨損，并隨著切削速度的增加向切削刃方向擴展；較高速度切削如υ=163m/min時，則切削區溫度升高，后刀面出現犁溝，切削刃局部崩落情況較為嚴重。

以年生產實驗件數量10萬件計算，每片刀片20元，每個刀片包含6個切削刃，依次采用υ=123 m/min、υ=142 m/min和υ=163 m/min，所支出的刀具費用依次為 6.7萬元、2.6萬元和4.2萬元，因此υ=142 m/min是取得刀具切削性能及經濟性綜合評定最佳的切削速度，建議在生產實踐中參考本實驗成果優化工藝，提高產品經濟及社會效益。

DOI:10.1016/j.wear.2018.11.019.