深冷處理提高YW1硬質(zhì)合金刀片耐磨損性能的機(jī)理研究

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：4170

 

深冷處理工藝作為提高工模具壽命的一種有效手段，已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。試驗(yàn)表明，YW1硬質(zhì)合金車刀片經(jīng)深冷處理后，其耐磨損性能顯著提高。本文對深冷處理提高刀片耐磨損性能的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)分析和理論探討。

1 YW1刀片耐磨損性能試驗(yàn)


采用某廠同一批次生產(chǎn)的YW1硬質(zhì)合金三角形可轉(zhuǎn)位車刀片進(jìn)行切削試驗(yàn)。其中部分刀片在深冷處理設(shè)備中以70 ℃/h的速度降溫至-184℃ ，保溫18小時后，再以70 ℃/h的速度升至室溫；另一部分刀片則未經(jīng)深冷處理。在相同的切削條件下(切削速度vc=110m/min，切削深度ap=0.5mm，進(jìn)給量f=0.1mm/r)，分別用經(jīng)過深冷處理和未經(jīng)深冷處理的兩種刀片在C6132車床上切削45鋼，并通過測量后刀面平均磨損值VB，比較兩種刀片的耐磨損性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪出的兩種刀片的磨損曲線如圖1 所示。





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圖1 經(jīng)過深冷處理和未經(jīng)深冷處理的YW1刀片磨損曲線


由圖1可知，經(jīng)過深冷處理的刀片較未經(jīng)深冷處理的刀片耐磨損性能顯著提高。

2 YW1刀片的硬度分析


硬質(zhì)合金刀片的耐磨損性能與其硬度值密切相關(guān)。為此，分別測量了經(jīng)過深冷處理和未經(jīng)深冷處理兩種刀片的顯微硬度(HV)和洛氏硬度(HRA)，測量結(jié)果見表1。














表1 深冷與未深冷YW1刀片硬度值
刀片類型 顯微硬度(HV) 洛氏硬度(HRA)
未經(jīng)深冷處理 1764.0 90
經(jīng)過深冷處理 2263.7 92

由表1可知，經(jīng)過深冷處理刀片的硬度值較未經(jīng)深冷處理刀片有一定程度提高，這表明兩種刀片的微觀組織結(jié)構(gòu)存在一定差異。

3 YW1刀片的微觀組織結(jié)構(gòu)分析


YW1硬質(zhì)合金的主要成分為WC(84%)、粘結(jié)相Co(6%)及少量的TiC和TaC，其主要性能取決于WC和粘結(jié)相Co的特性(見表2)。




























表2 YW1主要成分特性
特性 WC Co
晶格類型 a—六方形
b—面心立方		 a—密排六方
b—面心立方
晶格常數(shù)(Å)
a—六方形
b—面心立方		 a=2.9063
c=2.8368
a=2.248		 a=2.5075
c=4.0698
a=3.5442
線性熱膨脹系數(shù)(×10-6/K) 4.4 14.2
298K比電阻(UW·cm) 25 5.8

























表3 YW1中WC和粘結(jié)相Co的晶格常數(shù)
YW1刀片 經(jīng)過深冷處理 未經(jīng)深冷處理
晶格
常數(shù)		 Co Hex(六方) Cubic(立方)+ Hex(六方)
WC a 2.9080 2.9087
c 2.8394 2.8370
TiC 4.3301 4.3294

用X射線衍射儀對WC和粘結(jié)相Co的晶格常數(shù)進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表3 。
由表3可知，在經(jīng)過深冷處理和未經(jīng)深冷處理的刀片中，WC晶格常數(shù)的差異并不明顯。由此可知，深冷處理可改善YW1刀片耐磨損性能的主要原因并不是由于深冷處理對WC的微觀結(jié)構(gòu)有所改變。
X射線分析結(jié)果表明，經(jīng)過深冷處理的YW1刀片中只發(fā)現(xiàn)有密排六方Co(e-Co)在(1 0 2)晶向的衍射峰值1.476 ；而在未經(jīng)深冷處理的YW1刀片中既有密排六方Co(e-Co)在(1 0 2)晶向的衍射峰值1.48，也有面心立方Co(a-Co在(2 2 2)晶向的衍射峰值1.0233，這表明經(jīng)過深冷處理后，YW1中的金屬Co發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變且轉(zhuǎn)化較為完全。
硬質(zhì)合金性能受粘結(jié)相影響較大。金屬Co在417℃時發(fā)生同素異性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，高溫時以面心立方結(jié)構(gòu)(a-Co)的形式存在，低溫時以密排六方結(jié)構(gòu)(e-Co)的形式存在，a→e多型性轉(zhuǎn)變是一種馬氏體型轉(zhuǎn)變，馬氏體可在液氮溫度下形成。在室溫條件下，Co也會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，粘結(jié)相與WC界面上有相應(yīng)量的a-Co向e-Co轉(zhuǎn)變而馬氏體化，但室溫條件下的這種轉(zhuǎn)變是不完全的。
密排六方金屬通常具有較低的摩擦系數(shù)。低摩擦系數(shù)有利于減小刀具在切削過程中的摩擦力，從而可降低切削溫度，減小刀具在切削過程中的磨料磨損和擴(kuò)散磨損，提高刀具耐磨損性能。在YW1成分中，e-Co的摩擦系數(shù)很低(約為0.36) ，因此a-Co相變?yōu)閑-Co后可使YW1的耐磨損性能提高。此外，密排六方金屬具有比體心和面心金屬更低的粘著磨損特性，a-Co相變?yōu)閑-Co后，將減小切削過程中的粘著磨損。
因此，深冷處理工藝能夠提高硬質(zhì)合金耐磨損性能的關(guān)鍵原因在于其能夠促進(jìn)a-Co向e-Co的馬氏體型轉(zhuǎn)變，并使這種轉(zhuǎn)變完全化。
有資料認(rèn)為：Co的熱膨脹系數(shù)比WC大兩倍，而粘結(jié)相是硬質(zhì)合金的主要破壞相，存在于Co相中的較大熱應(yīng)力是影響硬質(zhì)合金性能的不利因素。深冷處理能使WC—Co系硬質(zhì)合金獲得較理想的表面殘余壓應(yīng)力，從而提高硬質(zhì)合金的耐磨損性能。為了驗(yàn)證上述論點(diǎn)的正確性，作者測量了經(jīng)過深冷處理和未經(jīng)深冷處理的YW1的表面殘余應(yīng)力值，測量結(jié)果見表4 。













表4 深冷與未深冷YW1的表面殘余應(yīng)力值
YW1 經(jīng)過深冷處理 未經(jīng)深冷處理
表面殘余應(yīng)力(MPa) 4192.297(壓應(yīng)力) 4858.665(壓應(yīng)力)
相對差值D D=13.72%

由表4可見，經(jīng)過深冷處理的YW1表面壓應(yīng)力值比未經(jīng)深冷處理時還小。而通常壓應(yīng)力值越大，對刀具抗磨損性能越有利。由此可見，深冷處理提高YW1耐磨損性能的主要原因并不在于改善了其表面殘余壓應(yīng)力值，而是由于促進(jìn)了a-Co→e-Co的馬氏體相變并使這一過程完全化。

4 結(jié)論



  1. 合理的深冷處理工藝可顯著提高YW1硬質(zhì)合金刀片的耐磨損性能。
  2. 經(jīng)深冷處理后，YW1刀片的顯微硬度和洛氏硬度明顯提高，表明深冷處理可使YW1的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。
  3. X射線衍射分析結(jié)果表明，YW1經(jīng)深冷處理后發(fā)生了較完全的粘結(jié)相Co的a→e轉(zhuǎn)變，這是一種多型性的馬氏體轉(zhuǎn)變，是使YW1硬質(zhì)合金刀片耐磨損性能提高的主要原因。

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