硬质合金加工20CrMnTi 渗碳淬硬钢刀具磨损机理研究

2021-10-26王西彬朱宇宏

机电产品开发与创新 2021年5期

文武，王西彬，夏青，朱宇宏，王营

（1.中机生产力促进中心，北京 100044； 2. 北京理工大学机械与车辆工程学院，北京 100081）

0 引言

淬硬钢[1-2]（硬度HRC55～65）是典型的耐磨结构材料[3-4]（包括淬火钢、模具钢、轴承钢等），广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件。这类工件材料经淬火后具有较高硬度，强度高，脆性大，导热性差，切削加工性极差，属于难加工材料，通常采用磨削工艺[5]进行半精加工和精加工，而磨削工序加工效率低，成本高，砂轮及磨削液消耗量大，粉尘和废液污染程度严重。

本文以某设备关键零件所用的20CrMnTi[6-7]渗碳淬硬钢为加工对象，针对现行加工效率低、产品质量难以保证的切削与磨削工序，通过高效低成本的干切削，优化加工工艺，试图研究出无污染（或污染轻）、高效率的切削加工工艺技术[8]，以提高现行加工效率、加工质量，减少加工污染。

1 试验条件

1.1 硬质合金刀具的选择

硬质合金是目前车削加工主要的刀具材料，硬质合金含有大量的碳化物，这些碳化物具有熔点高、硬度高、耐热性和化学稳定性好的特点，又具有高的抗拉强度和断裂韧性，因此适合于硬切削时作刀具材料。根据各种硬质合金刀具的性能和20CrMnTi 渗碳淬硬钢的加工特点，选择的硬质合金刀具其主要性能指标如表1 所示。

表1 所选硬质合金刀具牌号及性能

1.2 刀具角度的选择

前角γ0及倒棱的选择：淬硬钢的硬度和强度都很高，为加强刀刃强度，使刀具有较高的耐用度，必须选择零度前角，甚至负前角，本次取刀具的前角为γ0=0°，倒棱宽为bγ1=0.2mm，倒棱前角γ01=-10°。

后角α0的选择：为了提高刀具耐用度，选用较大后角，以减小刀具的磨损，本次选择刀具后角α0=10°。

主偏角κr的选择：考虑到加工淬硬钢时径向分力Fy大，为减小Fy宜选用较大的主偏角，试验中取刀具的主偏角κr=75°。

刃倾角λs的选择：加工淬硬钢应采用负的刃倾角，以使刀刃强度和实际前角增加，并保护刀尖不受冲击，试验中取刀具的刃倾角λs=-6°。

1.3 其它加工条件

机床：C6130 卧式车床（无级调速）；

20CrMnTi 试件尺寸：Φ90mm×400mm；

试件硬度：HRC58-62；

润滑状态：干式切削。

2 实验结果

图1 是硬质合金刀具YT726 的磨损曲线，取磨钝标准为vB=0.3mm，当切削速度V=25m/min 时，刀具的耐用度为16 min；当切削速度提高到30m/min 时，刀具的耐用度为10 min；当切削速度达到35m/min 时，刀具的耐用度为7 min，可见切削速度对刀具耐用度的影响较大，且切削速度提高YT726 刀具的耐用度下降较快。

图1 硬质合金刀具YT726 磨损曲线（切削用量：ap=0.3mm、f=0.15mm/r）

图2 是在扫描电子显微镜下拍摄到的硬质合金刀具YT726 前刀面上的磨损形貌，磨损区表面很光滑，其它磨损区有加工纹理，前刀面磨损宽度在0.3～0.40mm 之间，长度约为1mm，磨损深度较小，且整个磨损区磨损深度变化不大，月牙洼形态不明显，有这种较特殊磨损形貌是因为材料硬度大，切削温度高，硬质合金的耐热性不够，使得参与磨损的所有区域均匀磨损，切屑较长，使得磨损区域较大，图中还可看到有粘结现象发生。

图3 是硬质合金刀具YT726 后刀面的磨损形貌，从图中可以看到后刀面上存在着狭长的以机械磨损为主的磨损带，磨损带上各点的磨损比较均匀，此时刀具正处于正常磨损阶段，磨损量vB 约为0.15mm。

图3 YT726 后刀面的磨损形貌（SEM 200×）

从图4 可以看出硬质合金刀具YT726 的基体上主要含有Ti、Co、C、W 等元素和微量的Cr、Fe 等元素。由图5（a）和表2 可知：硬质合金刀具YT726 前刀面磨损区与刀具基体比较，Cr、Ti 、Fe 等元素的含量都有了较大幅度的提高，分别达到了1.36%、2.28 %和58.65%，出现了0.63%的Mn 元素，而Co、W、C等元素的含量有了大幅度的下降，分别降到了0.95%、35.59%和0.33%。由图5（b）和表2 可知：硬质合金刀具YT798后刀面磨损区与刀具基体比较，Ti、Fe元素的含量有较大幅度的提高，分别达到了3.01%和40.57%，出现了0.81%的Mn 元素，而Co、W、C 等元素的含量有了大幅度的下降，分别降到了2.45%、41.88 %和1.35%。从以上数据可知，刀具的前、后刀面磨损区都发生了严重的扩散磨损，硬质合金中Co、W、C 等元素向切屑和工件中扩散，工件中Cr、Ti 、Fe、Mn 等元素向硬质合金中扩散，形成了新的低硬度、高脆性的复合化合物，又由于Co 的扩散，WC、TiC 等碳化物因粘结剂Co 的减少而降低其与基体的粘结强度，从而加速了刀具的磨损。