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　　图 2 硬质合金刀具的前刀面磨损 SEM 照片和 EDS分析图 刀面磨损 SEM 照片和 EDS 分析图 . 分析图 1 和图 2,可以看出 : 硬质合金刀具高速干切削加工 Ti2 l2 6A 4V 时 ,刀具的后刀面和前刀面都出现明显的磨损 , 其中在刀具前刀面还出现大块刀具材料剥落的现象 [图 1 ( a )和图 2 ( a ) ]; 由于钛合金材料化学活性高 , 与刀具材料的亲和力强 ,在切削过程中 ,刀具的前刀 面和后刀面都粘结大量的钛合金材料 [图 1 ( b )和图 2 ( b ) ] ,随着切屑 、 工件材料与刀具之间的不断相对 运动 ,刀具材料的某些晶粒会粘结到切屑和工件材 [5] 料中 ,被切屑和工件材料带走 , 造成刀具前后刀 面严重的粘结磨损 . 2. 2 氧化磨损 在刀具前后刀面的摩擦磨损区内未发现氧元 素 . 这主要是由于切削加工过程中 ,切屑与刀具的前 刀面 ,工件材料与刀具的后刀面在高压下剧烈摩擦Biblioteka Baidu、 紧密接触 ,空气无法渗入进去 . 而在刀具前后刀面的

　　刀面 2 点处的氧元素含量为 14. 86%. 这主要是由 于车削加工时 ,前刀面的切削温度比后刀面的切削 [ 11 ] 温度高 ,刀具前刀面的氧化磨损较后刀面严重 . 此外 ,在刀具前刀面的剥落区除了刀具材料本身的 元素成分外 ,也出现氧元素 [图 2 ( d ) ].

　　本文通过分析刀具前后刀面粘结层的截面来实 现刀具的扩散磨损研究 . 图 3 示出了刀具前后刀面 粘结层截面的 SEM 照片 . 由于刀具后刀面的磨损为

　　结构 ,并使得刀具材料和钛合金的亲和性更强 ,粘结 [ 11 ] 更牢固 ,从而促使扩散的进一步发生 . 所以 ,在高 速切削加工钛合金时 , 刀具的粘结磨损和扩散磨损 同时发生 ,并相互影响相互促进 . 图 5 示出了刀具前刀面的粘结层 SEM 照片和 元素扩散曲线 可见 ,刀具的前刀面上紧紧粘

　　图 4 刀具后刀面的粘结层 SEM 照片和元素扩散曲线 元素扩散曲线 . 在刀具材料和后刀面粘结层边界两 侧处取几个点 ,对这几个点分别进行元素的 EDS分 析 ,得到每个点所含元素的质量百分比 Q ,将各点中 同一种元素的百分含量绘制在一条曲线上 , 从而得 到此元素在刀具材料和粘结层边界处的扩散曲线 ( b ) 为刀具材料和后刀面粘结层边界处 W 、 Co 和 Ti三种主要元素的扩散曲线 的元素扩散曲线可以发现 , 在刀具材 料和后刀面粘结层边界处 , 刀具材料中的 W 、 元 Co 素向粘结层中发生了扩散 . W 的扩散深度为 1 μm 左右 ,而 Co 的扩散深度小于 0. 5 μm. 从 Co 元素的 扩散曲线上发现 ,即使在边界左侧大于 1 μm 处 , Co 元素的含量仍明显低于刀具材料中原本 Co 的含 量 . 这可能是由于 Co 的熔点较低 , 在高的切削温度

　　及元素扩散作用下 ,造成了刀具中 Co 元素的流失 . 刀具材料中 W 和 Co 元素的扩散 , 降低了刀具的硬 [ 11 ] 度和韧性 ,从而加快刀具的磨损 . 从 Ti元素的扩 散曲线上也可以发现 ,粘结层中的 Ti元素向刀具方 向也发生了扩散 ,扩散深度小于 1 μm. 粘结层中 Ti 元素向刀具材料中的扩散 , 破坏了刀具原本的组织

　　作者简介 : 邓建新 ,男 , 1966 年生 ,博士 ,教授 ,博导 ,目前从事切削加工 、 可靠性及陶瓷材料摩擦学等方面的研究 .

　　摘要 : 使用硬质合金刀具材料进行钛合金 ( Ti2 l2 )的高速干车削试验 . 采用电子扫描显微镜 ( SEM ) 观察刀具的磨 6A 4V 损形貌 ,通过能谱分析 ( EDS)分析磨损表面的元素分布 ,并对刀具的主要磨损机理进行了分析 . 研究结果表明 ,使用硬 质合金刀具材料高速干车削 Ti2 l2 时 ,刀具的磨损机理主要为粘结磨损 、 6A 4V 氧化磨损和扩散磨损 . 硬质合金刀具的氧 化磨损主要发生在刀具前刀具和后刀面的磨损边缘区 . 由于车削过程中刀具前刀面的切削温度比后刀面的切削温度 高 ,导致刀具前刀面的氧化磨损 、 粘结磨损和扩散磨损较后刀面严重 . 关键词 : 钛合金 ; 高速切削加工 ; 粘结磨损 ; 氧化磨损 ; 扩散磨损 中图分类号 : TG501 文献标志码 : A

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　　图 5 刀具前刀面的粘结层 SEM 照片和元素扩散曲线 结一层钛合金 ,而在前刀面的表层组织中 ,上面有一 层超过 10 μm 厚的疏松层 [图 5 ( a ) ] , 1 点 EDS 元 素分析结果表明 ,这一疏松层的元素成分和刀具相 同 [图 5 ( b ) ] , 但 Co 元素含量仅为 4. 36%. 这可能 是由于车削加工时 , 前刀面的切削温度比后刀面的 切削温度高 ,在高温和元素扩散作用下使得前刀面 Co 元素大量快速流失 ,从而使得刀具前刀面表层材 料疏松 . 在刀具前刀面的粘结层中还发现许多白点 , 通过对其进行 EDS元素分析发现 ,白点中有含量较 高的 W 、 元素 [图 5 ( c ) ]. 这可能是由于刀具前刀 C 面出现疏松层 ,切屑将部分 WC 颗粒轻易粘结带走 所造成的结果 . 所以 ,刀具前刀面的粘结磨损比后刀 面的粘结磨损要严重 . 分析刀具前刀面的 W 和 Co 元素扩散曲线同样 可以发现 ,在刀具材料和前刀面粘结层边界处 ,刀具 材料中的 W 、 元素向粘结层中发生了扩散 . W 元 Co 素的扩散深度已经大于 2 μm , 而 Co 元素的扩散深 度小于 0. 5 μm. 同时 ,在边界左侧 2 μm 左右处 , Co 元素含量仍明显低于刀具材料中原本 Co 含量 . 从 Ti元素的扩散曲线上可以发现 ,粘结层中的 Ti元素 也向刀具方向发生了扩散 ,扩散深度大于 1 μm. 比较刀具前后刀面的元素扩散曲线 ,可以发现 , 刀具前刀面的元素扩散程度要明显比后刀面的元素 扩散程度大 [图 4 ( b ) 和图 5 ( d ) ] ,即刀具前刀面的 扩散磨损比后刀面的扩散磨损严重 , 这是由于扩散 温度所引起的 . 切削过程中 ,刀具前刀面的切削温度

　　图 3 刀具前后刀面粘结层截面的 SEM 照片 抛物线形状 ,因此首先使用工具磨床将刀具缓慢磨 至后刀面最大磨损处 , 即图 3 ( a ) 所示白线处 , 以获 得刀具的纵截面 . 图 3 ( b )为纵截面的 SEM 照片 . 图 4示出了刀具后刀面的粘结层 SEM照片 和

　　图 1 所示为硬质合金刀具的后刀面磨损 SEM 照片和 EDS 分析图 , 图 2所示为硬质合金刀具的前

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　　钛合金材料所具有的比强度高 、 热强度高 、 抗腐 [ 12 ] 2 蚀性好等优良特性 , 使其在航天 、 航空等领域获 得广泛关注 . 但钛合金材料所具有导热系数小 、 高温 化学活性大 、 弹性模量低 、 与其它金属材料对摩时摩 [ 32 ] 4 擦系数大等特性 , 又导致其加工性能差 . 钛合金 的切削加工通常都在低速 、 低效和大量使用冷却液 的条件下进行 ,这与当前高速 、 高效和环保的加工趋 势不相符 . 因此 ,钛合金的高速 、 、 高效 绿色切削加工 成为国内外研究的热点 . 目前普遍认为 , 切削加工钛合金时切削速度大 [5] 于 60 m /m in 即为高速切削 . 国外学者对钛合金的 高速切削加工进行了大量地研究 . A. Jawaid、 H. C. Che 2 Hardon 等人使用细晶粒钨钴类 ( YG) 硬质合金 刀具进行了高速切削加工钛合金的研究 ; C. H. Che Haron等人还使用涂层刀具进行了高速干铣削 [7] 钛合金的研究 ; Z A. Zoya 和 R. Krishnamurthy 使 . [8] 用 CBN 刀具进行钛合金的高速切削加工研究 . 国 内学者苏宇和何宁等人使用了涂层刀片在冷却和润 滑的条件下进行了高速铣削钛合金的研究 . 大量 的研究结果都表明 : 刀具的快速磨损是制约高速切 削加工钛合金最主要的因素 . 本文采用硬质合金刀具材料进行高速干车削加 工钛合金 ( Ti2 l2 )的试验 ,通过对刀具的磨损形 6A 4V 貌进行观察分析 ,系统揭示高速干车削加工钛合金 时刀具的磨损机理 ,以期为高速 、 绿色切削加工钛合

　　磨损边缘区 ,空气容易渗入 ,在高温作用下与刀具材 料发 生 氧 化 反 应 . 刀 具 材 料 的 氧 化 物 质 软 而 疏 [ 10 ] 松 ,切削过程中很容易被切屑和工件材料摩擦破 坏掉 ,此后又重新氧化 ,又不断被摩擦掉 ,周而复始 , 造成了刀具的氧化磨损 . 分析图 1 和图 2 可以看出 , 在刀具前后刀面磨 损边缘区除了粘结少量的钛合金材料外 , 还发现了 氧元素 [图 1 ( c )和图 2 ( c ) ] ,通过 EDS元素定量分 析发现 ,后刀面 2 点处的氧元素含量为 13. 24% , 前