危衛(wèi)華，徐九華，傅玉燦

（1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210037；2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

鈦合金具有高比強(qiáng)度（強(qiáng)度/重量比）、耐熱性強(qiáng)、耐腐蝕和良好的低溫性能等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有發(fā)展前途的航空結(jié)構(gòu)材料；但因其切削加工性差、刀具磨損劇烈、切削效率低等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約著鈦合金材料的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。于是圍繞改善鈦合金切削加工性而開展的新工藝和新技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)[1,2]。鈦合金熱氫處理技術(shù)（也稱置氫）是以氫作為臨時(shí)合金化元素，通過(guò)控制鈦氫系統(tǒng)中置氫量、存在狀態(tài)及相變過(guò)程，實(shí)現(xiàn)鈦氫系統(tǒng)最佳組織結(jié)構(gòu)，從而改善鈦合金加工性能的一種新工藝、新方法[3]。

鈦合金材料切削加工時(shí)，由于其本身的材料特性（粘塑性強(qiáng)等）以及其與刀具材料間較強(qiáng)的化學(xué)親和性（化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散等），使硬質(zhì)合金刀具在切削時(shí)的高溫和高應(yīng)力條件下很容易快速磨損直至失效[4]。鈦合金通過(guò)適量置氫后可以有效提高刀具耐用度[5,6]，但目前關(guān)于置氫鈦合金切削過(guò)程中的刀具擴(kuò)散磨損機(jī)理的研究還不夠深入。本文嘗試采用電鏡和元素能譜分析方法，深入研究刀具的擴(kuò)散磨損機(jī)理，為鈦合金熱氫處理技術(shù)在切削加工中的實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試件制備和試驗(yàn)方案

1.1 置氫鈦合金試件制備

鈦合金母材選用Ti-6Al-4V（國(guó)內(nèi)牌號(hào)TC4），其組成元素及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)見表1。置氫過(guò)程采用高溫氣相充氫法在自制的管式氫處理爐內(nèi)進(jìn)行。將TC4棒料經(jīng)表面處理后（先用細(xì)砂紙打磨表面，然后用丙酮超聲清洗），裝入管式氫處理爐，抽真空至10-3Pa后加熱至800℃，然后充入高純氫氣，待爐內(nèi)氫分壓趨于穩(wěn)定時(shí)隨爐冷卻至室溫。合金中的氫含量通過(guò)在充氫系統(tǒng)中調(diào)節(jié)充氫壓力來(lái)控制，實(shí)際氫含量通過(guò)稱量置氫前后試樣的質(zhì)量變化而得到（即稱重法）。本試驗(yàn)中采用的鈦合金為60mm×100mm的棒料，置氫量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w(H)）分別為0%（未置氫）、0.3%（置氫量大小由前期研究結(jié)果確定）[6]。

表1 置氫TC4鈦合金母材主要化學(xué)成分(wt.%)

1.2 試驗(yàn)條件與方法

車削試驗(yàn)采用干切削，在國(guó)產(chǎn)CA6140車床上進(jìn)行，輔以CHF100-7R5G/011P-4型變頻器實(shí)現(xiàn)了該車床的無(wú)級(jí)調(diào)速。刀具采用肯納公司生產(chǎn)的非涂層WC-Co類硬質(zhì)合金機(jī)夾刀片，材質(zhì)及ISO樣本代碼分別為K313和SNMG 120408 MS，切削時(shí)主偏角：45°，副偏角：45°，前角：5°，后角：8°，刀尖圓弧半徑0.8mm，該刀片材料抗變形能力特強(qiáng)，耐磨性好。切削速度v取90m/min，進(jìn)給量f取0.1mm/r，切削深度ap取1mm。刀具磨損量采用三維視頻顯微鏡測(cè)量獲得，磨損照片由三維視頻顯微鏡或掃描電鏡拍得，元素掃描分析采用電鏡自帶的EDS分析獲得。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 刀具耐用度分析

取刀具后刀具磨損量VB=0.3mm作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，獲得的刀具耐用度柱形圖如圖1所示。由圖可知，在90m/min切削速度下，未置氫鈦合金車削時(shí)刀具耐用度為12.5min，而置氫鈦合金對(duì)應(yīng)刀具耐用度為40.2min，相對(duì)未置氫時(shí)增加了27.7min，約增加了2.2倍。

圖1 置氫量為0.3%與未置氫鈦合金刀具耐用度對(duì)比

2.2 擴(kuò)散磨損分析

由于高速切削時(shí)溫度較高，加之刀具表面始終與被切出的新鮮表面相接觸，兩摩擦面材料的化學(xué)元素可能就會(huì)相互擴(kuò)散到對(duì)方材料中去，從而改變接觸層附近兩種材料的化學(xué)成分，削弱刀具材料的性能，加劇刀具的磨損，因而擴(kuò)散磨損是由于刀具材料與工件材料在高溫下相互擴(kuò)散而引起的一種磨損。采用硬質(zhì)合金高速切削鈦合金時(shí)，硬質(zhì)合金刀具材料中的W、C、Co元素和鈦合金工件材料中的Ti、Al、V元素在接觸面處元素的濃度差較大，刀具/工件接觸摩擦區(qū)中的高溫、大塑性變形和咬合（粘結(jié)）等作用，大大地促進(jìn)了刀具和被加工材料的相互溶解擴(kuò)散[7]。刀具材料擴(kuò)散引起的刀具體積磨損W為：

式中：C為常數(shù)；E為擴(kuò)散過(guò)程的活化能（每摩爾固溶體）；R為氣體常數(shù)；θ為絕對(duì)溫度（K）。由上式可以看出，擴(kuò)散磨損與溫度關(guān)系極大，溫度越高擴(kuò)散越快，故在高溫下刀具的擴(kuò)散磨損顯著加劇。

為了比較和判斷刀具是否存在擴(kuò)散現(xiàn)象，在切削加工前對(duì)硬質(zhì)合金刀具前刀面進(jìn)行了元素能譜掃描，結(jié)果如圖2所示?？梢奒313刀具材料主要由W、Co、C元素組成，并且硬質(zhì)相WC約占96%，而粘結(jié)相鈷約為4%。刀具切削完成后，采用由氫氟酸、硝酸和水按一定比例配置的腐蝕液將刀具磨損區(qū)粘結(jié)物腐蝕干凈，清洗后采用電鏡對(duì)刀具磨損區(qū)進(jìn)行元素掃描分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，當(dāng)切削未置氫TC4時(shí)，刀具前刀面磨損區(qū)除了包含刀具自身的C、W和Co元素外，還有TC4材料中的Ti、Al和V元素，且含Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5.32%。圖3(b)呈現(xiàn)的磨損區(qū)也含有TC4材料中的Ti、Al和V元素，含Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3.05%。由此初步說(shuō)明，在該切削條件下，未置氫試件和置氫量為0.3%試件切削加工時(shí)對(duì)應(yīng)刀具切削區(qū)均有擴(kuò)散磨損發(fā)生。

圖2 原始刀具材料元素掃描

圖3 刀具前刀面磨損區(qū)元素掃描

為了進(jìn)一步證實(shí)擴(kuò)散磨損的存在，并對(duì)刀具磨損區(qū)擴(kuò)散磨損的擴(kuò)散深度進(jìn)行比較，下面通過(guò)分析刀具磨損區(qū)的主剖面來(lái)探索刀具的擴(kuò)散磨損現(xiàn)象及磨損深度。采用工具磨床將磨損后的刀具緩慢磨至后刀面最大磨損處，即圖4(a)所示黑粗線處，從而可以獲得包含刀具前、后刀面磨損區(qū)域的刀具主剖面。圖4(b)即為通過(guò)后刀面最大磨損處的刀具主剖面SEM照片。在圖4(b)中作垂直于后刀面磨損面的垂直線（即虛線AB），和鈦與刀具界面相切于C點(diǎn)。過(guò)C點(diǎn)沿垂直于AB線方向作跨鈦與刀具界面的線掃描分析線（圖中CD線）。鑒于鈦合金車削時(shí)主要以前刀面月牙洼磨損為主，這里僅研究前刀面元素的擴(kuò)散情況。圖5為刀具主剖面上沿CD線元素變化情況，即沿前刀面元素?cái)U(kuò)散深度方向線掃描結(jié)果。由圖可知，沿著CD方向，鈦合金材料元素（Ti、Al、V）逐漸減少和刀具材料元素（C、W、Co）逐漸增加，再次證明了刀具和鈦合金之間在高溫下擴(kuò)散現(xiàn)象的存在，并且可以獲得擴(kuò)散層的深度。1）由圖中W元素的變化規(guī)律可知，刀具材料中W元素向粘結(jié)層發(fā)生了擴(kuò)散，這將會(huì)降低刀具的硬度和韌性，從而加快刀具的磨損；從Ti元素的變化規(guī)律也可以發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)層中的Ti元素向刀具材料也發(fā)生了擴(kuò)散，由于粘結(jié)層中Ti元素向刀具材料中擴(kuò)散，會(huì)破壞刀具原本的組織結(jié)構(gòu)，并會(huì)使刀具材料和鈦合金的親和性更強(qiáng)，粘結(jié)更加牢固，從而促使擴(kuò)散現(xiàn)象的進(jìn)一步發(fā)生[4]。所以，在高速切削加工鈦合金時(shí)，刀具的粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損同時(shí)發(fā)生，并相互影響相互促進(jìn)。2）未置氫試件對(duì)應(yīng)刀具前刀面擴(kuò)散層深度約為1.37μm，置氫量為0.3%試件對(duì)應(yīng)刀具擴(kuò)散深度約為0.63μm，可見切削置氫量為0.3%試件時(shí)，刀具前刀面磨損區(qū)的擴(kuò)散層深度明顯下降。究其原因，一方面是由于二者切削加工時(shí)刀具前刀面磨損區(qū)切削溫度的差異[8]；另一方面，由于鈦合金TC4適量置氫后，材料組織、力學(xué)性能和物理性能發(fā)生變化，從而引起其與刀具材料之間化學(xué)親和力的改變[9,10]。

圖4 刀具粘結(jié)層主剖面

圖5 主剖面CD線上元素變化

3 結(jié)論

1) 在切削速度為90m/min的條件下，切削置氫量為0.3%試件時(shí)，對(duì)應(yīng)刀具的耐用度相對(duì)于切削未置氫試件時(shí)提高了2.2倍。

2) 刀具腐蝕后前刀面磨損區(qū)的元素能譜掃描結(jié)果表明，切削未置氫和置氫量為0.3%的鈦合金TC4時(shí)，前刀面均有擴(kuò)散磨損發(fā)生；結(jié)合刀具主剖面上線掃描元素變化規(guī)律，再次證實(shí)了擴(kuò)散磨損的存在，并且未置氫鈦合金對(duì)應(yīng)刀具前刀面的擴(kuò)散層深度相對(duì)較深。

3) 置氫0.3%后鈦合金TC4對(duì)應(yīng)刀具耐用度和擴(kuò)散磨損程度的差異，其主要原因是磨損區(qū)切削溫度的差異；以及由鈦合金TC4適量置氫后，其組織、力學(xué)性能、物理性能變化而引起的鈦合金與刀具材料之間化學(xué)親和力的改變。

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