高速铣削69111 不锈钢的硬质合金刀具磨损机理研究*

周建涛 邓建新 李友生

（山东大学机械工程学院，山东 济南 250061）

69111 不锈钢是一种超高强度不锈钢，其牌号为Cr12Mn5Ni4Mo3Al。由于69111 不锈钢是介于马氏体沉淀硬化不锈钢与奥氏体沉淀硬化不锈钢之间的一种过渡型沉淀硬化不锈钢，所以它不仅具有马氏体沉淀硬化不锈钢的超高强度，又具有奥氏体沉淀硬化不锈钢的高韧性。目前，广泛用于制造飞机上要求高压力、高密封性、高疲劳强度和强防腐蚀能力的零部件。

与其他超高强度钢一样，69111 不锈钢的切削加工也存在着切削加工速度低、刀具寿命短、加工效率低等特点。因此，有必要就如何提高69111 不锈钢的加工效率、延长刀具使用寿命进行系统的研究。但是，国内外学者对69111 不锈钢的研究大多还集中在其材料性能方面，如国内学者郭永良［1-2］等人对69111 不锈钢的材料性能进行了大量的研究。目前，对该不锈钢切削加工性能的研究还尚未见到过报道。

因此，本文采用硬质合金刀具材料进行高速干铣削加工69111 不锈钢的试验，通过对硬质合金刀具的磨损形貌进行系统的观察分析，以期揭示高速干铣削加工69111 不锈钢时刀具的磨损机理，从而能够为高速干切削加工超高强度钢提供理论指导和试验依据。

1 试验部分

使用DAEWOO ACE -V500 加工中心进行69111不锈钢的高速铣削试验，铣削方式为单齿端面顺铣，不使用切削液。所选用的刀具为株洲硬质合金厂生产的硬质合金铣刀片YG8，其型号为：4160511。铣削参数为v=160 m/min，ae=3 mm，ap=1 mm，f=0.1 mm/r；铣削行程为L=487.5 mm。其中，试验中所使用的硬质合金刀具主要成分为92%WC，8%Co；工件材料69111 不锈钢的主要成分为12%Cr，5%Mn，4%Ni，3%Mo，1%Al，小于0.08%C，少量Si、P 等元素，其余为Fe。

试验结束后，首先将刀片进行超声清洗，然后使用电子扫描显微镜（SEM）和能谱分析仪（EDS）对刀具的前刀面进行整体磨损形貌的观察分析。然后，再使用型号为MQ6025A 的工具磨床将刀具沿纵向缓慢磨削至后刀面的最大磨损处，为了保证刀具前、后刀面的工件材料粘结层在磨削过程中不受影响，每次磨削的进给量不超过0.01 mm，最后再对刀具后刀面的纵截面进行SEM 观察和EDS 分析。

2 结果与讨论

2.1 前刀面磨损

图1 所示为硬质合金刀具YG8 的前刀面磨损的SEM 照片和EDS 分析图。分析图1a 可以看出：高速铣削时刀具的前刀面磨损形态不同于常速切削时的磨损形态，即其不是表现为月牙洼磨损形式，而是表现出切削刃处磨损最大的斜面磨损形式［3］；刀具的前刀面磨损区域与切削刃直接相连，而且在磨损区域内，沿切削刃方向，越远离刀尖，前刀面的磨损就越严重，并有小块的剥落现象出现。

分析图1 可以看出：在刀具前刀面的磨损区域及磨损的边缘区域都发现了氧元素，这是由于铣削为断续切削，在铣削过程中，空气就能很容易地渗入到切屑与刀具前刀面的接触区，并在高温作用下与刀具材料发生氧化反应。又由于硬质合金刀具材料的氧化物质软而疏松，所以在切削过程中很容易被切屑和工件材料摩擦破坏掉，此后又重新氧化，又不断被摩擦掉，周而复始，造成了刀具前刀面的氧化磨损［4］。在铣削过程中，前刀面上切屑的流动使得刀-屑接触面间保持着较高的刀具组元浓度梯度［5］，如图1b 和c，在切削刃区域高温和浓度梯度的作用下，刀具材料与切屑材料之间的元素相互扩散，致使刀具材料中的W 和Co元素向切屑的底层扩散，造成了刀具前刀面的扩散磨损，不仅降低了刀具材料的硬度和韧性，也加剧了刀具前刀面的磨损［6］。由于刀具材料中的Co 元素和工件材料中的Fe 元素、Ni 元素同属于铁族元素，故彼此间的化学亲和性很强，以致于铣削过程中，在刀具的前刀面发生了粘结现象，如图1c。随着切屑、工件材料和刀具间的不断相对运动，刀具材料中的粘结相Co 元素就会被粘结到切屑和工件材料中［7］，被切屑和工件材料带走，造成了刀具前刀面的粘结磨损。

2.2 后刀面磨损

由于刀具的后刀面的磨损形貌为不规则的抛物线形状，因此首先使用工具磨床将刀具沿纵向缓慢磨削至后刀面的最大磨损处，以获得刀具的纵截面，如图2a 所示为后刀面纵截面的SEM 照片，从而能够更好地观察和分析工件材料在刀具后刀面的粘结情况。

图2 所示为硬质合金刀具YG8 的后刀面纵截面的SEM 照片和EDS 分析图。分析图2a 可以看出：硬质合金刀具的后刀面出现了明显的磨损现象，使用工具显微镜测得其最大磨损量为0.17 mm；刀具后刀面磨损区域并没有明显的工件材料的粘结层，然而由于刀具材料与工件材料含有同族元素，致使彼此间的化学亲和性很强，所以在后刀面上还是粘附有一些工件材料，如图2b 所示，在铣削过程中就会对刀具的后刀面造成粘结磨损。同时，分析图2b 和c 可以看出：刀具后刀面的磨损区域和磨损的边缘区域都含有氧元素，也就是说在刀具的后刀面也出现了氧化磨损的情况。在铣削过程中，刀-工接触面间也存在浓度梯度，如图2c 所示，同样会导致刀具材料中的元素向工件材料扩散，而造成刀具后刀面的扩散磨损。而且，3 点处的EDS 分析结果表明：该点Co 元素的含量仅为5.39%，而Co 元素的流失主要是扩散和粘结共同作用的结果［8］。一方面，Co 元素的流动性很强，在铣削过程中，由于温度和浓度梯度的作用，易于产生扩散；另一方面，由于Co 元素和Fe、Ni 元素属于同族元素，故彼此间的化学亲和性很强，而易于被粘结带走。

但是，在铣削过程中，后刀面的铣削温度明显低于前刀面，并且刀-工接触面间的扩散系数也比刀-屑接触面的扩散系数要小很多［8］，所以刀具后刀面的磨损程度较前刀面的磨损程度要轻微，如图2a 和图1a所示。

3 结语

（1）使用硬质合金刀具材料高速干铣削加工69111 不锈钢时，刀具前刀面和后刀面的磨损机理均主要为：氧化磨损、粘结磨损和扩散磨损。

（2）高速干铣削加工69111 不锈钢时，硬质合金刀具前刀面的磨损程度较后刀面严重，这主要是由于在铣削过程中，刀具前刀面的铣削温度明显高于刀具后刀面的铣削温度。

［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 热处理工艺研究［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2005.

［3］刘占强，艾兴.高速切削刀具磨损表面形态研究［J］.摩擦学学报，2002，22（6）：468 -471.

［4］李友生，邓建新，张辉，等.高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理研究［J］.摩擦学学报，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］陈日曜.金属切削理论［M］.北京：机械工业出版社，1992.

［7］艾兴等.高速切削加工技术［M］.北京：国防工业出版社，2003.

［8］解丽静，刘志兵，王西彬.硬质合金刀具铣削高强度钢的磨损机理研究［J］.兵工学报，2005，26（4）：519 -522.