黃園園, , , , , ,

(臺州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院, 浙江 臺州 318000)

高壓水射流技術(shù)清洗刀具的研究

黃園園,付亞波,孟志來,史宇峰,蔚桑桑,楊飛君,諸艷云

(臺州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院, 浙江 臺州318000)

高壓水射流; 清洗; 刀具; 氧化物

0 前 言

刀具是機(jī)械制造中用于切削加工的工具.古人云:“工欲善其事,必先利其器”,刀具在機(jī)械制造業(yè)的切削加工中占有重要地位[1].刀具從選材到包裝,需要經(jīng)過30多道工序才能完成.制造刀具的一般工藝流程[2]為:選材→加熱→ 鍛打→化學(xué)熱處理→鍛打→淬火→打磨.在熱處理過程中,刀具難免會產(chǎn)生許多質(zhì)量缺陷,有時甚至?xí)驗槟撤N嚴(yán)重缺陷而報廢.刀具熱處理產(chǎn)生的缺陷有:硬度低、脫碳、變形、開裂、過熱、過燒、腐蝕、萘狀斷口、表面皺紋和表面蒸鍍等[3].由于加熱時的氧化性氣氛(如空氣、氣氛中的O2、CO2、H2O等)氧化刀具,在刀具表面形成FeO、Fe2O3和Fe3O4等氧化物.圖1為熱處理后表面氧化的刀具.由于沒有進(jìn)行有效的表面清洗,刀具表面已被嚴(yán)重氧化,生成鐵銹,嚴(yán)重影響了刀具的使用性能.

圖1 未清洗的刀具表面圖片F(xiàn)ig.1 Surface image of cutting tool without cleaning

化學(xué)清洗存在成本較高,容易腐蝕金屬和排除的廢液會造成環(huán)境污染等缺點.超聲波清洗技術(shù)一次性投資大,且清洗時零件擺放位置要求高[4].激光清洗不適用于大尺寸零件,且成本較高,技術(shù)尚不完善.

高壓水射流是以水為介質(zhì),通過高壓發(fā)生設(shè)備增壓獲得巨大能量,經(jīng)一定形狀的噴嘴噴出的一股能量集中的高速水流.應(yīng)用范圍由采礦、破巖、鉆孔、清洗、除垢發(fā)展到金屬和超硬材料切割、表面處理、研磨等方面.高壓水射流清洗技術(shù)相對上述幾種清洗技術(shù)具有不會損傷基體、不會造成二次污染、成本低、工作效率高、用途廣泛,易于實現(xiàn)自動化和機(jī)械化等優(yōu)點[5-6].

本文將研究高壓水壓力、流速及噴嘴尺寸對刀具的清洗效果,為高壓水射流技術(shù)在刀具清洗方面的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù).

1 試驗參數(shù)

試驗使用型號為DBG-1850Fg3的清洗機(jī)清洗,其參數(shù)見表1.試驗刀具為熱處理后的9SiCr4合金,各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù):C為0.85%～0.95%,Si為1.20%～1.60%,Mn為0.30%～0.60%,Cr為4.155%～4.171%,W為1.54%～1.58%,S<0.009%,P<0.034%.

表1 DBG-1850Fg3型清洗機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameter table of DBG-1850Fg3 washing machine

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD檢測結(jié)果

2.2 SEM試驗結(jié)果分析

圖3為S4800 SEM觀察到的氧化后的刀具表面形貌.觀察發(fā)現(xiàn)刀具表面有大量片狀物質(zhì).通過能譜儀對刀具基體進(jìn)行成分分析,發(fā)現(xiàn)刀具中主要含有C、Fe、O、Cr、W和V等元素.Fe是刀具基體材料的主要元素,因此,Fe元素的含量最高.

圖2 XRD圖譜Fig.2 XRD patterns

圖3 氧化后刀具表面的SEM圖像Fig.3 SEM image on the surface of cutting tool after oxidation

圖4是圖3中選定區(qū)域的片狀物放大后的圖像.圖4中區(qū)域1處Fe和O的含量較高,由此可推斷該區(qū)域主要為Fe的氧化物.區(qū)域2和區(qū)域3處Na和O的含量較高,可以推測這些區(qū)域含有較多的鈉類氧化物,其中區(qū)域3的O含量略高于區(qū)域2.

圖4 放大6 000倍后的SEM圖像Fig.4 SEM image after magnified 6 000

圖5為刀具表面聚集許多呈棒狀的顆粒物質(zhì)圖像,通過能譜分析,得到各元素的含量見表2.

圖5 刀具表面形貌及能譜測量點Fig.5 Micrograph and energy spectrum measurement point of toool surface

表2 各元素的質(zhì)量和原子分?jǐn)?shù)Tab.2 Mass and atomic percentage of each element

由表2可知,O元素所占的比例最高,說明刀具表面含有較多的氧化物,還含有一定量的Na、Ca和C元素.比較基體材料和表2成分可以推斷出:表面存在鹽類物質(zhì)是導(dǎo)致刀具表面氧化的原因.基體不含Na,說明有外來物附著在了刀具表面上.結(jié)合刀具的生產(chǎn)過程,可以推斷鹽類物質(zhì)來自于刀具的鹽浴熱處理工藝.根據(jù)XRD試驗結(jié)果中的物相分析,發(fā)現(xiàn)刀具表面的氧化物主要為NaNO3、Na3H(CO3)2·2H2O、Fe2O3和Fe3O4等物質(zhì),SEM觀察到了這些物質(zhì)的形貌.這些附著物不僅會降低刀具表面的性能;而且這些表面附著物和基體表面結(jié)合得比較牢固,一般清洗技術(shù)(如超聲波)較難清洗干凈.為此,研究一種合理的清洗技術(shù)顯得尤為重要.

通過上述分析可知,表面覆蓋物的來源主要有以下幾個方面:鹽浴爐采用NaCl作為熔劑,在熱處理過程中同CO2、H2、O2和N2形成了NaNO3、Na3H(CO3)·2H2O.基體Fe能與H2O、O2形成Fe2O3和Fe3O4.

3 刀具表面清洗參數(shù)研究

本文對高壓水射流的清洗參數(shù)進(jìn)行了研究.由式(1)和式(2)可知,壓力與射流速度成正比,與噴嘴直徑成反比.

射流速度:

(1)

噴嘴直徑:

(2)

式中:V為射流速度,m/s;C為流速系數(shù);P為射流壓力,MPa;Q為液體流量,cm3/s;ρ為液體密度,g/cm3.

根據(jù)企業(yè)實際應(yīng)用的參數(shù),在較小范圍內(nèi)利用正交試驗法研究了以下三種方案.表3為第一種清洗方案,在時間和噴頭直徑均保持一定的條件下,試驗了55 MPa、60 MPa和66 MPa三種壓強(qiáng),比較了不同壓強(qiáng)下的清洗效果.表4為第二種清洗方案,在壓強(qiáng)和噴頭直徑保持一定的條件下,試驗了30 s、60 s和120 s三種時間.表5為第三種清洗方案,在最佳的壓強(qiáng)和噴射時間下,試驗了三種不同噴頭尺寸的清洗效果,噴頭直徑分別為1.2 mm、1.4 mm和2.0 mm.通過比較發(fā)現(xiàn),高壓水壓強(qiáng)為60 MPa、噴頭直徑為1.4 mm和清洗時間為60 s時,刀具表面的氧化物被清除干凈,與沒有清洗的部分有明顯的區(qū)別,如圖6所示.該參數(shù)可有效地清洗刀具表面,清洗效果明顯、成本較低、無污染.

表3 第一種清洗參數(shù)Tab.3 First cleaning patterns

表4 第二種清洗參數(shù)Tab.4 Second cleaning patterns

表5 第三種清洗參數(shù)Tab.5 Third cleaning patterns

用SEM進(jìn)一步觀察清洗后的樣品表面形貌,如圖7所示.EDS檢測發(fā)現(xiàn),清洗前的覆蓋物NaNO3、Na3H(CO3)2·2H2O、Fe2O3和Fe3O4已經(jīng)被清洗掉,只留下了Fe和C等基體材料,說明清洗工藝選擇較為合理.

圖6 清洗后的效果Fig.6 Effect image after cleaning

圖7 刀具清洗后的SEM圖像Fig.7 SEM micrograph of tool after cleaning

4 結(jié) 論

(1) 通過顯微觀察及分析,確定刀具表面覆蓋物為NaNO3、Na3H(CO3)2·2H2O、Fe2O3和Fe3O4,形貌呈棒狀和顆粒狀等.

(2) 高壓水壓強(qiáng)為60 MPa、噴頭直徑為1.4 mm以及清洗時間為60 s的參數(shù)條件下,可以清除覆蓋物.高壓水射流清洗技術(shù)具有高效、環(huán)保特點,是刀具表面清洗的發(fā)展方向.

[1]鄭文虎.刀具材料和刀具的選用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012:1-10.

[2]陳云,杜齊明,董萬福,等.代金屬切削刀具實用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:48-49.

[3]王志杰.高速鋼刀具熱處理缺陷的原因及預(yù)防措施[J].金屬加工(熱處理),2010(1):29-30.

[4]張繼峰.超聲波清洗在生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].金屬制品,2005,31(1):23-24.

[5]盧曉江,何迎春,賴維.高壓水射流清洗技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:18-19.

[6]劉金林,付亞波,崔靜,等.HPb58-3易切削鉛黃銅閥門材料表面變色原因研究[J].上海有色金屬,2013,34(1):24-27.

ResearchonCleaningCuttingToolswithHighPressureWaterJet

HUANGYuan-yuan,FUYa-bo,MENGZhi-lai,SHIYu-feng,WEISang-sang,YANGFei-jun,CHUYan-yun

(SchoolofPhysicsandElecticalEngineering,TaizhouUniversity,Taizhou318000,China)

Cutting tool is widely used for processing cutting in mechanical manufacturing, however,a layer of chemical covering formed on the surface after heat treatment will affect its properties.The cleaning effect by using high-pressure water jet technology to remove the chemical covering on the cutting tool’s surface is studied and presented in this paper.The chemical covering on the cutting tool’s surface was checked and analyzed by SEM and XRD instruments.Analysis show that the covering contains NaNO3,Na3H(CO3)2· 2H2O,Fe2O3and Fe3O4,and the shapes are rod-like and/or grain-like.In order to remove the covering,some cleaning tests were carried out by using cleaning machine—DBG-1850Fg3.The result scanned by SEM shows that the chemical covering was removed when water pressure at 60 MPa,the sprayer head,1.4 mm in diameter and cleaning time 60 s.High pressure water jet cleaning technology has the advantages of high efficiency and environmental protection.It presents the development of the surface cleaning of cutting tools.

high pressure water jet; clearing; cutting tools; surface oxidation

1005-2046(2014)01-0020-04

2013-11-01

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃科技成果推廣項目(2013R428032);臺州市科技計劃項目(131KY02)

黃園園(1989-),女,材料科學(xué)專業(yè),學(xué)士.

付亞波,男,博士,主要從事銅及銅合金及表面清洗等研究.E-mail:Lgdfyb@163.com.

TP69

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