高强度钢加工硬质合金刀片粘结破损与刀—屑元素扩散实验研究

刘利++程耀楠++韩禹++徐明++王彤++严复钢

摘要：针对筒节重型切削加工过程硬质合金刀片容易出现粘结破损问题，进行硬质合金刀片粘结破损机理分析，并进行工件材料与刀片材料元素扩散实验研究.首先，分析刀一屑粘结形成实质，并根据筒节重型切削加工条件和材料特性分析刀片粘结破损形成条件；然后，分析硬质合金刀片粘结破损机理；进而，设计元素扩散实验方案，进行高温条件下的元素扩散实验，对试块扩散剖面进行扩散元素分析；最后，分析扩散元素的种类、扩散距离和扩散浓度，通过实验数据可以研究粘结层强度及其对刀片粘结破损的影响，研究结果将为深入研究刀片粘结破损及刀片新材质开发提供一定的依据，

关键词：粘结破损；元素扩散；高强度钢；硬质合金

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.009

中图分类号：TG501

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2015）05-0046-05

0 引言

加氢反应器是炼油、煤液化生产中的关键装备，重量可达到数百吨甚至上千吨，是由数段经过切削加工的筒节焊接而成的，加氢反应器是高温高压装置，筒节是加氢反应器的关键零件，所以筒节材料采用抗拉强度特别高的耐热特种钢2.25Cr-lMo-0.25V钢.并且其直径最大可达6.4m，最大高度达5.8m，是通过重型车削锻造毛坯的方式制造的，筒节毛坯最大重量可达数百吨，并且锻件表面状态非常恶劣，其表面有坑包型、沟槽型、褶皱型和夹砂等锻造缺陷.筒节荒加工时，切削参数明显区别于普通切削过程，其切削加具有切削深度大（最大可达30mm以上）、材料去除量大（最大可达50%）等特点，由于锻造缺陷的作用，切削深度是不断变化的，甚至使切削处于断续切削的状态（筒节加工过程如图1所示）.相对于普通车削加工来讲，在工艺方而有很大的不同.

2.25Cr-l Mo-0.25V钢是低碳合金钢，具有很高的红硬性与热韧性等特性，其高温力学性能明显高于普通碳素钢，这就进一步增加了锻件加工的难度，并且，切削时不易断屑，缠绕在刀片上的切屑容易破坏刀刃.在重型车削参数及工件材料的难加工性的共同作用下，筒节锻件切削过程中切削力可达数吨，刀一屑接触界面摩擦非常距离，切削温度可达1000℃，导致切削过程中硬质合金刀片失效非常严重，刀片的粘结破损是筒节荒加工刀片的主要失效形式之一（如图l所示），这严重影响了刀片寿命和生产效率.因此本文进行筒节重型切削过程中硬质合金刀片粘结破损机理分析和刀片材料与工件材料的元素扩散实验研究，为深入研究刀片的粘结失效提供依据.

1 刀-屑粘结破损机理

粘结破损是刀片常见的磨损形式，在重型切削高强度钢过程中，刀片粘结失效更是占有很大比例.研究刀片粘结现象本质以及粘结机理，有利减少刀片破损出现的频率并进行工艺参数和刀片的优化，从而为重型切削刀片开发设计、提高其寿命及加工效率打下基础.

1.1 粘结形成实质

将图2（a）所示的刀片上粘结的切屑掰下，切屑并不是从刀一屑粘结界面分离，而是带走了部分刀片材料，使刀片切削区域形成凹坑，如图2（b）所示.原因是刀一屑之间形成了牢固的粘结，粘结部分强度已经超过切削区域硬质合金刀片内部材料的结合强度，这种粘结现象与压力焊相似，即在一定的压力下，使切削区域的刀片材料与工件材料紧密接触，在较高的温度和一定的时间条件下，双方材料元素发生扩散，形成粘结.

1.2 粘结破损机理分析

采用Deform-3D有限元仿真软件进行重型硬质合金刀片切削筒节材料仿真，切削参数为v_c=60m/min，a_p=20mm，f=1.6mm/r.通过图3的仿真结果可知，仿真过程中切削区域最高切削温度可达1000℃以上，切削力最大可达3.56t.这就为刀一屑的粘结提供了物理条件，

在切削力的作用下，切屑在前刀面不断的流动和摩擦，破坏了刀片表面的涂层.而光滑的金属表面在微观范围内也是非常粗糙的，由于切削力的作用，切削区域工件与刀片接触界面上的凸起发生相互接触、摩擦和挤压，局部的压力引起材料塑性流动，使材料露出新鲜的表面，则刀片与工件材料以化学纯净的表面直接接触，就为材料间的元素扩散提供了条件，很高的切削温度会加速元素的扩散，最终使切屑与刀片在切削区域形成了冷焊层，从而使切屑与硬质合金刀片粘结.

图3重型切削简节材料过程仿真

切削筒节用的是YT15硬质合金刀片，YT15硬质合金主要是由硬质相WC、TiC与粘结相Co组成的，粘结相Co的浓度决定着硬质合金的强度，同时也决定了工件材料与刀片材料之间的亲和力大小. Fe元素是工件材料中的主要元素，它与刀片材料的中的粘结相Co属于同族的过渡元素，所以它们具有较大的亲和性，容易形成固溶体，如图4所示，通过对刀一屑粘结处进行能谱分析，除了刀片材料的主要元素外，能谱分析图中还存在大量的工件材料扩散元素，如Fe、V、Mo、Cr等，其中也存在刀片材料中的Ti元素（工件材料化学成分如表1所示）.

刀片材料与工件材料之间的元素扩散是刀片粘结破损的主要原因之一.有必要对元素扩散进行定量分析，从而为深入研究刀一屑粘结层形成机理及强度提供基础.因此，进行刀片与工件材料的元素扩散实验，对粘结过程中的元素进行定量分析.

2 刀-屑元素扩散实验

2.1 工件材料与刀片材料的元素扩散实验

进行2.25Cr-lMo-0.25V钢材料与硬质合金刀片材料的元素扩散实验，所需实验设备如表2所示.切削过程中前刀面受到的压力和实验过程中试块受到的压力对元素扩散会有一些影响，但是影响不大，尤其是固体之间的元素扩散，所以在实验过程中忽略了压力的影响，没有控制压紧力.元素扩散过程中压力的作用是使两种材料在微观条件下紧密接触，为了达到这个目的，对试块接触表面进行了金相抛光，在压板的压力下，两种材料可以紧密接触，首先，通过线切割机床等将硬质合金棒和工件切割成较小试块（硬质合金棒：φ16xl0mm；工件材料：20×20×10mm），用磨床磨平，然后用金相砂纸抛光，并且用硝酸酒精清洗试块，最后通过压板与螺栓将工件材料和刀片材料试块压紧在一起，如图5（a）所示，

将压紧的试件放入坩埚电阻炉（额定温度1000℃）加热，坩埚炉有温度控制仪，将温度设定为800℃并且保持这个温度持续加热1h，实验如图5（b）所示.

2.2 扩散元素浓度测量

用线切割机床将加热扩散后的硬质合金棒沿轴线纵剖，然后对硬质合金棒剖面进行磨平、金相抛光和超声波清洗，通过SUPRA 55 SAPPHIRE扫描电子显微镜进行硬质合金棒剖面的能谱分析，分析T件材料向刀片材料扩散元素的种类、质量分数及扩散的距离等，实验如图6所示.图6（b）为硬质合金棒剖面放大4000倍后的测量点布置图，能谱测量点相隔约1μm左右，先分别对各个测量点进行了能谱分析，然后对图中所示距离进行了线扫描，从而获得在此距离内元素含量的连续变化趋势，如图6（c）所示.

3 实验结果分析

通过能谱分析得到元素百分含量表，发现扩散元素有V、Cr、Fe等元素，根据5个测量点和线扫描的能谱分析数据，可知元素扩散距离与扩散距离内的元素含量变化规律，如图7（a）是3种T件材料元素在刀片材料中的扩散距离.v元素的扩散距离为3μm，Fe元素的扩散距离为15μm左右，Cr元素的扩散距离为7μm. Fe元素的初始浓度较高，扩散距离最长，图7（b）是Fe在硬质合金中质量分数随扩散距离的变化规律，随着扩散深度的增大，质量分数明显下降，

通过对扩散元素的定量分析，可以得到刀一屑粘结层元素种类、浓度和扩散梯度，研究粘结层强度及其对刀片材料的剪切作用，为刀片新材质开发提供一定的基础.

4 结语

进行了重型切削筒节材料硬质合金刀片粘结破损机理分析，并对刀片材料和工件材料元素扩散进行了实验研究，得到的结论如下：

1）刀一屑粘结是因为刀片与工件材料在切削区域形成冷焊层，其形成实质类似于金属材料之间的压力焊.

2）进行了筒节材料的重型切削仿真分析，仿真过程中切削区域最高切削温度可达1000℃以上，切削力最大可达3.5t，使刀片与工件切削区域材料在筒节重型切削过程中发生塑性流动，并以新鲜化学表面接触，在元素扩散的作用下，在切削区域形成冷焊层，最终导致刀一屑粘结.

3）设计并进行了刀片与工件材料的元素扩散实验，通过对硬质合金试块剖面进行的扩散元素能谱分析，发现工件材料向刀片材料扩散元素有V、Cr、Fe等元素，它们的扩散距离分别为3μm，15μm和7μm左右，实验数据为深入研究刀一屑粘结层强度和刀片新材质开发提供了一定的依据.