超细晶硬质合金刀具切削高温合金试验研究

张好强，赵 颂，李 超，侯锁霞

（华北理工大学机械工程学院，河北 唐山 063210）

1 引言

高温合金具有优异的高温强度，良好的断裂韧性、抗疲劳性、抗氧化性和耐热腐蚀性等，常用于航空、航天、石油、化工、核能、船舶等重要领域。GH2132（A286）是一种铁基高温合金[1]，具有良好的热稳定性、热强性和塑性，广泛用于燃气涡轮喷气发动机、增压器、涡轮、转子叶片和紧固件等[2]。但GH2132的导热系数小，高温硬度、强度较高，以及在切削过程中易发生快速加工硬化现象，材料的加工性很差[3]。文献[4]对GH2132 合金进行了外圆车削试验，分析了切削参数变化对切削力和表面粗糙度的影响。文献[5]使用新型涂层硬质合金刀具，研究了该刀具车削GH2132 过程中刀具磨损和刀具耐用度，为改善加工工艺提供了参考数据。文献[6-7]研究了切削GH2132时硬质合金中钴含量和晶粒度对刀具磨损的影响。文献[8]研究了切削GH2132时的最小量润滑和最小量冷却润滑，结果在改进的最小量冷却润滑条件下，刀具寿命提高了200%。文献[9]进行了GH2132 的铣削研究，测量并分析了加工后的工件表面性能和疲劳寿命，结果证明切削参数能够显著影响工件表面完整性和机械性能。超细晶硬质合金其硬度和耐磨性比普通硬质合金提高很多，目前已广泛应用于加工钛合金、高温合金等难加工材料，其优良的物理性能需要进一步的研究[10]。

选用了两种具有相同钴含量的WC-Co基硬质合金YG8（平均晶粒尺寸：1.92μm）和YG8UF（平均晶粒尺寸：0.22μm）刀片对GH2132高温合金进行了切削试验，对比了两种刀具在不同切削速度条件下的切削力和刀-屑摩擦系数，测定了刀具后刀面的平均磨损宽度VB值，借助扫描电镜观察了刀具后刀面的磨损形貌，同时对刀具的磨损机理进行了分析。

2 试验部分

使用WC-Co类硬质合金刀片，牌号为YG8和YG8UF，刀片型号为31303C，刀具形状，如图1所示。刀具材料表面形貌，如图2所示。刀具几何参数，如表1所示。刀具材料的机械物理性能，如表2所示。工件材料为高温合金GH2132，直径φ60mm，其化学成分，如表3所示。在CK6140e数控车床上以外圆纵向车削方式干切削，如图3所示。选定的切削用量，如表4所示。

图1 31303C车刀片Fig.1 31303C Cemented Carbide Blade

图2 两种硬质合金刀片的表面形貌Fig.2 Surface Morphology of YG8 and YG8UF

图3 CK6140e型数控车床Fig.3 CK6140e CNC Lathe

表1 刀具几何参数Tab.1 Geometric Parameters of Tool

表2 刀具材料的机械物理性能Tab.2 Mechanical and Physical Properties of Tool Material

表3 GH2132的化学成分（w%）Tab.3 Chemical Compositon of GH2132（w%）

表4 试验切削参数Tab.4 Cutting Amount in Experiment

使用瑞士Kistler9257B测力系统测量切削力，切削力测量示意图，如图4所示。以切削后刀片后刀面的平均磨损宽度VB值为0.3mm作为刀具的磨钝标准，使用Zeiss研究级体式显微镜测量刀具后刀面的VB值，借助日本日立公司生产的S-4800场发射扫描电子显微镜（SEM）观察后刀面磨损区的微观形貌，采用美国Thermo Fisher公司的Noran7型X射线能谱仪（EDS）对刀具后刀面的磨损区域进行能谱分析。

图4 切削力测量示意图Fig.4 Sketch of Cutting Force Measurement

3 试验结果与分析

3.1 切削力结果与分析

切削力测量结果和刀-屑平均摩擦系数计算结果，如图5所示。其中刀-屑平均摩擦系数计算公式[6]为：

式中：f—刀-屑平均摩擦系数；γo—刀具前角；Fz—主切削力；Fx—进给力。

在切削用量三要素中，背吃刀量对各切削力的影响最大，进给量次之，最后是切削速度。从图5可以看出，当背吃刀量和进给量保持不变时，两种刀具的切削力随切削速度的提高均有减小的趋势，从切削速度对切削力的影响来看，超细晶硬质合金刀具YG8UF的切削合力小于普通晶粒硬质合金YG8，YG8UF的变化幅度要低于YG8；YG8刀具切削时的刀—屑间平均摩擦系数基本保持不变，YG8UF刀具切削时的刀—屑间平均摩擦系数有增大的趋势，YG8UF刀具的刀—屑间平均摩擦系数低于YG8刀具。

图5 不同切削速度条件下的切削合力和刀-屑平均摩擦系数Fig.5 Cutting Force and Tool-Chip Average Friction Coefficient at Different Cutting Speeds

切削力是评价刀具切削性能的一项重要指标。在材料的切削过程中，影响切削力的因素非常多，如工件材料、刀具材料、刀具几何形状、刀具角度、切削参数、刀具磨破损和切削方式等等。刀具表面与工件材料之间的摩擦系数直接影响着切削力的变化。普通晶粒度YG8刀具的磨损为严重的磨料磨损、粘着磨损和疲劳剥落磨损等。由于晶粒细化，YG8UF刀具材料的硬度得到了提高，刀具的耐磨性增加，在相同的切削条件下，超细晶YG8UF刀具的磨料磨损和粘着磨损程度均低于YG8刀具，故YG8UF刀具的刀—屑间平均摩擦系数要小于YG8刀具，导致YG8UF刀具的切削力要比YG8刀具小。

3.2 刀具磨损结果与分析

YG8 和YG8UF 两种刀具的磨损曲线，如图6 所示。图6 四种切削速度条件下的磨损曲线可以显示：当后刀面平均磨损宽度VB值低于0.3mm时，超细晶硬质合金刀具YG8UF的后刀面磨损量明显低于普通晶粒度刀具YG8，可见超细晶硬质合金刀具的耐磨性优于普通晶粒度硬质合金刀具。对普通晶粒度硬质合金刀具YG8来说，当切削速度为60m/min，刀具的使用寿命最长，随着切削速度的增加，后刀面的磨损速度变快，使用寿命快速减小，而超细晶硬质合金刀具YG8UF的磨损和使用寿命变化幅度很小。当切削速度达到65m/min以后，YG8刀具的平均寿命不足3min，而YG8UF的平均寿命为9min，超细晶硬质合金刀具YG8UF的使用寿命是普通晶粒度硬质合金刀具YG8的（3～4）倍。由此可见，在高速切削条件下，超细晶硬质合金比普通晶粒度硬质合金具有更好的耐热性和耐磨性，使用寿命更长。

图6 不同切削速度条件下的刀具后刀面磨损Fig.6 Wear Value of Flank Faces at Different Cutting Speeds

在切削速度为60m/min切削条件下，YG8和YG8UF刀具切削2min后的后刀面磨损形貌，如图7所示。

图7 YG8、YG8UF刀具后刀面磨损形貌Fig.7 Wear Morphology of Flank Faces of YG8 and YG8UF Blades

从图7中可以看出两种刀具后刀面均有不同程度的划痕和粘结剥落产生，两种硬质合金刀具都产生了磨料磨损和粘着磨损。YG8 刀具后刀面表面产生了较为严重的划痕和粘结剥落，YG8UF划痕深度较浅，且数量少，可见YG8UF超细晶硬质合金刀具的抗磨料磨损和粘结磨损的能力要优于普通YG8刀具。磨料磨损、粘着磨损、扩散磨损等是硬质合金刀具产生磨损的主要原因。在干式切削GH2132高温合金过程中，磨料磨损是硬质合金刀具低速切削时产生的最主要的磨损。当切削速度较高时，由于刀具与工件之间接触面积较小，摩擦剧烈，切削热量集中，温度高，在分子吸附引力的作用下，刀具与工件的接触表面之间就会产生粘结现象。随着切削过程的进行，粘结点不断的形成，并且粘附在工件表面随工件运动，被工件带走，致使刀具的后刀面出现被撕裂现象，形成粘着磨损。随着切削热的累积及切削温度的升高，粘着磨损和扩散磨损等会逐渐成为主要磨损形式。与YG8刀具相比，YG8UF刀具有更好地抗磨料磨损、粘着磨损和剥落磨损的能力。采用美国Thermo Fisher公司的Noran7型X射线能谱仪对两种刀具后刀面的磨损微区进行能谱分析，两种刀具切削后各元素的能谱分析，如图8所示。各元素的百分含量（重量比），如表5所示。

图8 YG8、YG8UF刀具切削后的能谱分析Fig.8 EDS Results after Cutting of YG8 and YG8UF Blades

表5 刀具后刀面主要化学成分（w%）Tab.5 Chemical Composition on Flank Faces of Blades（w%）

从表5中可以看出，对比切削前的表面元素，两种刀具磨损后的元素发生了变化，其中Co和W元素减少了，而C元素增加了，同时磨损后的刀具表面出现了O、Ti、Cr、Mn、Fe和Ni等元素，刀具产生了扩散磨损和氧化磨损。YG8刀具的扩散磨损和氧化磨损的程度均高于YG8UF，可见晶粒细化有助于提高硬质合金刀具防扩散磨损、氧化磨损的能力。在一定温度下，刀具和工件中的化学元素发生相互扩散行为，刀具表面W、Co减少，刀具硬度强度降低，同时工件材料表面化学元素扩散到刀具表面，只要接触区的刀具表面和工件表面保持着扩散元素的浓度梯度，扩散现象就会持续进行。从图2可以看出，与普通晶粒硬质合金相比，超细晶硬质合金刀具YG8UF由于晶粒细化，Co粘接相的分布更加均匀，且在Co中W的固溶增加，Co的强度和韧性提高。材料表面边角曲折增多，表面坑洼不平等缺陷相对增多，工件表面的化学成分向刀具表面的扩散难度增加，WC晶粒不易脱落，能够减少切削过程中表面元素的扩散。晶粒的细化使表面裂纹扩展的难度加大，同时在一定程度上抑制了裂纹的产生，材料表面局部剥落现象减少，因而提高了刀具的抗磨料磨损、粘着磨损和扩散磨损的能力。

4 结论

（1）切削力的结果显示，超细晶硬质合金刀具的切削力明显小于普通刀具，晶粒细化可以使切削力降低，刀—屑间平均摩擦系数减小。（2）超细晶硬质合金刀具具有更好的耐磨性和耐热性，在以后刀面磨损量VB=0.3mm为刀具的磨钝标准时，当切削速度达到65m/min 后，超细晶硬质合金刀具YG8UF 的使用寿命是普通晶粒度硬质合金刀具YG8的（3～4）倍。（3）硬质合金刀具切削GH2132高温合金，刀具会出现磨料磨损、粘结磨损和扩散磨损，与普通晶粒硬质合金相比，超细晶硬质合金刀具具有更优的抗磨料磨损、粘着磨损和扩散磨损性能。