碳钢干车削后无涂层和镀锡WC/ co -硬质合金刀具的磨损表层状态

摘要

分析WC/ co -硬质合金切削刀片的磨损机理和面层的发展规律，对金属切削加工具有重要意义。在加工过程中，通过了解刀具表面层的相关过程，可以影响加工参数的选择，从而获得刀具的低磨损和高刀具寿命。刀具磨损明显影响刀具寿命和工件表面完整性(残余应力、表面质量、加工硬化等)，因此优化工艺参数的选择具有重要意义。众所周知，在碳化钨/ co -硬质合金切削刀片上的蒸汽沉积涂层可以提高加工性能和刀具寿命，但这些改进背后的机理尚未完全了解。摘要研究了在不同加工参数下，在恒定的材料去除条件下，工业镀锡和未镀锡碳化钨/ co -硬质合金切削刀片与标准SAE 1045钢工件之间的相互作用。用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和EDX分析评估刀具磨损情况。采用金相切片法研究了涂层的表层状态。通过扫描电子显微镜(SEM)和电火花分析(EDX)研究了切削区的摩擦过程引起的微观组织变化和材料转移。

1.介绍

在加工金属时，重要的是要了解切割工具的磨损行为。由于机加工工件的表面完整性受工具磨损的影响，因此这一重要性产生了1,2]。在这种情况下，表面完整性由三个主要参数描述：表面粗糙度，残余应力状态和表面区域中的工作化硬化[1]。为了进一步提高刀具磨损行为的知识，磨损刀具的表面层状态对于区分不同的磨损机制在切削区起作用是重要的。研究切削参数(如切削速度、进给率和切削深度)的磨损的一种可能性是Lim和Ashby提出的磨损机理图[3.]。在这里，根据磨损试验中变化的参数(滑动速度、压力等)显示了磨损的最重要方面(痉挛、分层磨损、轻度磨损、严重磨损等)。磨损图方法也应用于金属加工，因此磨损显示为切削速度的函数和进给速率[4,5]。在这项工作中，目的是为了更好地理解不同切削参数和不同刀具材料的磨损特性，从而获得在切削区作用的磨损过程的更深层次的知识。主要讨论了金属加工过程中在未涂层刀具和镀锡刀具中产生的表面层状态。这些表面层状态对导致刀具退化的磨损机制是重要的。通过了解这些表面层状态，可以实现基于知识的金属切削操作。现在，一些比锡涂层更复杂的涂层也被用于普通碳钢的金属切削(如TiAlCN、AlCrN + TiAlCN涂层等)。通过金相方法和扫描电镜检查，镀锡层可以更好地表征表层状态[6]。

2.实验装置

实验选用的工件材料为正火状态下的sae1045普通碳钢。工件材料为铁素体-珠光体组织，铁素体和珠光体的平均晶粒尺寸为16μm.用维氏硬度测试法测得钢的硬度为194hv1。表中给出了工件材料的化学成分1。

工件是长度为100mm，直径为58mm的圆柱体。机械加工是由干平原下降到直径24毫米。干平原车削是由Heller MC 16加工中心进行的。实验所用刀具为工业细粒度刀具(WC粒度为0.5)μm)在无涂层状态和镀锡状态下，含94体积-% WC和6体积-% Co的硬质合金(K10)。镀锡层(厚度3μ直接沉积在硬质合金基体上。该工具的名称是根据DIN ISO 1832标准的SNMA 120408，不带任何断路器，以提供更好的磨损测量。该刀具具有方形几何形状和楔形角度90°。角落半径剪刃半径是0.8 mm吗这些切削工具中有30个μm.主切削刃与进给方向之间的进入角是45°，并使用过的间隙角度前倾角是7度吗−7°。实验中使用的不同切削参数(切削速度和进给率)见表2。

根据ISO规范3685的标准，用光学显微镜对不同的切割长度进行磨损测量[7]。用扫描电镜(SEM)和化学分析(EDX)对膜的表面状态进行了检测。为了进一步检查，使用金刚石线锯将刀具在磨损区进行切片，以获得金相切片。并对样品进行了扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDX)。

结果

3.1。不同切削参数下无涂层刀具的磨损检测

表中列出了不同切削参数组合在不同切削长度后的磨损情况2。在图1有一个显示磨损演变的参数米/分钟,毫米/牧师,毫米。详细检查磨损测量的原因是适当确定刀具磨损曲线[8,9并得到将刀具的磨损与所产生的工件表面的表面层状态联系起来的可能性。

随着切削长度的增加，刀具的凹口磨损深度增加，侧面和凹口磨损增加。另一个磨损特性是工件材料与刀具之间的良好附着力。在图1构建边缘的形成是可见的，并且显示了一些内置层区域。由于钢和硬质合金之间的良好粘附趋势，那些是存在的。这些内置边缘（或死区）的碎片在根本上描述的[10,11]也可见在芯片表面和工件表面上。这些层在工件上产生相对粗糙的表面，具有严重变形的微观结构。对于100米/分钟的恒定切削速度，进料速率根据表而变化2。磨损测量结果如图所示2。随着进给率的增加，磨损强度有所增加。

对于恒定进给速率0.2 mm/rev和可变切削速度也进行了同样的测量。结果如图所示3.。

对于不同的切削速度，随着切削速度的增加，磨损强度也有增大的趋势。对于100 m/min的切削速度有一个轻微的最小值，考虑到相同数量的材料去除后刀具的最终磨损状态。

3.2。磨损切削刀具的磨损检查

为比较涂层刀具和镀锡刀具，选择了四组参数(进给率和切削速度)。这些参数集也显示在表中2标有符号*。

在图4通过四个参数中的一个，比较了无涂层刀具和镀锡刀具的磨损情况。可见，镀锡层极大地改善了硬质合金刀具的磨损性能。镀锡刀具在切削过程中没有形成边，磨损强度比未镀锡刀具小得多。对于镀锡工具，只有很少的磨损可见的数字4。

还在镀锡切削工具的情况下测量磨损，并显示在图中5切削参数:切削速度和进给率在侧磨地宽度VB的三维视图中也匹配了切削长度和最终磨损状态。从图5我们可以清楚地看到，镀锡层在干平原车削应用中极大地提高了刀具的耐磨性。特别是在较高的切削速度(150 m/min)条件下，在自行选择的切削参数下，镀锡层能在很大程度上改善磨损性能。

图中虚线“linear fit TiN”5锡涂层刀具的线性回归曲线是否与参数一致米/分钟,毫米/牧师。图中实线“linear fit WC/Co”5对于具有相同参数的未涂层切削工具，线性磨损状态的线性回归线为直到8000μm的切割长度。

并利用扫描电镜对切削过程最终状态的磨损进行了检测。测试了两种不同的状态，一种是较低(100 m/min)的切削速度，另一种是较高(150 m/min)的切削速度。

在图6给出了未涂层刀具磨损前刀面的表面结构。在坑形磨损区，最重要的磨损机制是工件材料对前刀面的粘附和碳化钨晶粒拉头的粘附。这是由于钢与硬质合金有很强的粘附倾向。这种强烈的粘接效果也负责形成组合边。与数字比较6(一)在金属切削过程中应用的较高切削速度导致在坑形磨损区域出现更光滑的磨损表面，如图所示，该区域的磨损倍数更高6 (b)。

镀锡切削工具的耙面，如图所示7比未涂层的切割工具更少于磨损。仅在边缘旁边的区域中，假设芯片流动最高强度的情况下，有一些没有锡涂层的区域。在耙面的这些部件中，粘合的碳化物衬底是可见的。耙面上的能量分散X射线光谱（EDX）进一步检查提供磨损表面的一些化学信息。在图8有一张图片显示从耙面剥离锡涂层结构和EDX线扫描显示化学分析的磨损表面。在磨损刀具(WC/Co基板)较亮的区域，有强烈的铁与工件粘合的趋势(高强度铁的峰值)。镀锡区域(图中较暗的部分)8(一个))在EDX光谱中显示没有这样强的Fe峰。因此，铁与镀锡层的附着力较弱。

在图8 (b)两个重要的强度曲线从一个EDX线扫描显示。黑色闭合符号表示钛峰强度，开放符号表示Fe的强度。在没有镀锡的区域有高强度的铁，由于镀锡层的磨损，工件材料在前角表面有很强的附着力。

3.3。无涂层刀具和镀锡刀具的表面层状态检查

为检验刀具表层状态，进行了金相切片[6[那里，通过使用金刚石线锯仔细切割磨损的工具，并通过金刚石方法制备。将切割的切削刀具嵌入在热固性树脂中，用于金相研磨和抛光。用这些方式制备的金相部分的一些示例如图所示9和10。

在图9在未涂层状态下磨损的WC-Co硬质合金刀具的概述显示了在切削刃上的组合边。在金相切片中可以检测到坑形磨损、侧面磨损和材料从工件转移。

在图10示出了磨损的表面状态，并且借助于后散射电子检测器（BSE），在内置层和未涂覆的切削工具之间的界面中可见一些小的WC晶粒片段。关于作用用于未涂层切削工具的磨损机制，发现了WC颗粒的微裂纹。这些小颗粒由于其硬度而导致磨料磨损。这种研磨磨损是由界面区域中的小磨损碎片引起的。

施加了相同的用于检查切割工具表面层状态的镀锡切削工具的凝固态，用于切割参数集米/分钟,毫米/牧师,毫米。

在图9（a）侧翼磨损和火山口均均可见。在图中的右侧9（b）有一张详细的图片，显示了更高放大率的内置边缘。

在图10 ()陨石坑磨损是可见的与一个大的工作材料的累积层。在图10 (b)硬质合金基体与腐蚀的sae1045组合层之间的界面如图所示(蚀刻剂:Nital)。

在图11结果表明，镀锡层对刀具的磨损性能有保护作用。刀具基体上仅局部有工件碎片附着，锡涂层磨损，硬质合金基体与工件材料接触。

4.讨论

对未涂层WC /共切削工具的表面层状态的检查是本文的一个重要目标。表中所有所选参数的主要磨损机制2有粘结磨损和三体磨料磨损为无涂层刀具。进一步的研究也显示了黏合剂和三体磨料磨损[12]。其他磨损机制也是可能的[13,14]。为降低切削速度和进给率，前刀面上的凹坑磨损形貌如图所示6，这可以解释为由于实验中选择的切削深度较小而导致的切屑侧流。这些芯片呈现出一种卷曲的结构，因此它们可以产生类似凹坑的磨损。

对镀锡刀具表层状态的检测是本文研究的另一个重要目的。从图5可见，镀锡层极大地改善了硬质合金刀具的磨损性能。在最高切削速度下，磨损强度降低了20倍，这是因为在图中线性磨损状态下，为了比较最高切削速度(150 m/min)，涂上了锡涂层5(通过对图中侧刃磨损分布的线性回归，计算出随着每切削长度侧刃磨损地宽度VB的磨损强度5)。这可以通过不同的原因解释。锡有更高的硬度（2300 hv0.05 [15])，而硬质合金(细粒硬质合金94体积-% WC, 6体积-% Co (1850 HV30) [16])。锡的导热系数较低(29 Wm)^-1K^-1[16]）比水泥碳化物（68.9瓦米）^-1K^-1[16])。因此，通过芯片和工件材料进行更多的热量，并且镀锡切削工具将看到较低的温度。

然而，未涂层和镀锡工具的磨损行为之间最重要的差异是工件和工具之间的粘附性。在钢工件的情况下，这种对硬质合金底物的粘附性远比锡涂层强大。粘合剂磨损与工件材料的不同原子之间的不同材料的原子键合，并且切削刀具材料和光滑表面是必要的[17]。作用在切割区中的不同磨损机构是磨损和粘附性。

从图中可以看出，工作材料对锡涂层的粘附作用较小。当用镀锡工具转动时，磨损机制作用，没有详细检查。有一些进一步的可能的原因，为什么锡有更好的磨损性能。在TiN和AlCrN涂层上发现或假设了一些保护性附着层[6,18]。在磨损的锡层上一些元素（Al，Si等，见表1)从工件材料中发现(见图12)。这些也可以在切割过程中形成保护层。

锡涂层在金属切割过程中从粗糙的表面改变其表面结构，该表面结构分别归因于芯片流动的磨损，工具工件相互作用（见图13)。在图13锡涂层的破旧区域具有比未磨损的锡涂层更平滑的表面结构。

在图13时，通过扫描电子显微镜可以观察到侧翼面的一小部分凹槽磨损。有三个主要部分的刀具区域:周围的部分是由未磨损的锡涂层。这一沉积涂层比刀具的磨损部分有一个更粗糙的表面结构，在芯片/工件和刀具之间滑动发生。在这里，滑动过程导致锡涂层的平滑。在磨损区域的中间，涂层完全磨损。可见硬质合金基体(图中较亮的区域)13)，并可检测粘附工件材料(Fe)。这种缺口磨损可以归因于切削过程开始时，当切削刃进入工件时的高磨损强度。

5.结论/总结

刀具载荷的增加(更高的进给率或更高的切削速度)导致相对于侧刃磨损的磨损率增加。

检测未涂层硬质合金刀具的累积边、累积层和死区的形成。造成这种情况的原因是钢(工件材料)与硬质合金有很强的附着力。

通过金相组织检验，发现其磨损机理为粘着磨损和磨损。

提高镀锡硬质合金刀具的磨损性能是由于所选工件材料(SAE 1045)对镀锡涂层的低附着力。因此，在镀锡层上没有形成累积边或累积层。分别在脱层时，完全磨损的镀锡层对硬质合金基体有很强的附着力，并观察到局部磨损率的增加。

承认

作者非常感谢OC Oerlikon Balzers公司对锡涂层的沉积。

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