(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

單面釬涂刀具自銳性和使用壽命的研究

馬伯江卜凡寧楊廣蕾曹同坤

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

針對刀具如農(nóng)用碎草刀、滅茬刀、豆?jié){機(jī)刀片和谷粒粉碎刀等在使用過程中會逐漸鈍化、不能自銳的難題，在65Mn表面釬涂Ni基和WC的混合粉末制作刀刃單面涂層的刀具，通過不同的熱處理方法改變基體組織，調(diào)節(jié)刀刃兩側(cè)的耐磨性差，研究單面涂層刀具的自銳性。測量砂礫磨損測試(100 h)后刃部曲率，分別為500 μm,120 μm,147 μm。結(jié)合磨損量分析400 ℃回火處理的刀具在耐磨性、自銳性和使用壽命三個方面的綜合性能優(yōu)越，提高刀具的使用壽命。

碳化鎢表面釬涂自銳性使用壽命

0 序 言

碎草刀、滅茬刀、豆?jié){機(jī)刀片、小麥和玉米粉碎刀等刀具是相關(guān)器械的重要零件，同時又是主要損耗件。刀片的性能將直接影響到機(jī)械工作效率、使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。通過熱處理工藝改善工具鋼的組織[1-2]和在刀具表面噴涂耐磨性材料或者釬焊耐磨磨粒[3-5]提高刀具的耐磨性質(zhì)。刀具一直處于摩擦狀態(tài)下，損耗加劇，刀刃鈍化嚴(yán)重。因此除了考慮刀具具有高耐磨性，刃部的鋒利程度是否能夠長時間保持在一個可使用的狀態(tài)也是一個關(guān)鍵點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外做自銳性[6]刀具的研究較少，文中以單面耐磨性涂層刀具的兩個工作面的磨損率不同為出發(fā)點(diǎn)，研究刀具的自銳性能。釬涂是利用釬焊的原理制作涂層的重要方法，通過惰性氣氛爐中高溫短時的釬涂方式，配合不同的熱處理工藝制作刀片，對刀片進(jìn)行硬度測試和耐磨性試驗(yàn)，對比分析不同工藝制作的刀片的性能。初步進(jìn)行了具有自銳性和長使用壽命刀具的表面釬涂工藝的研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 涂層材料選擇及熱處理

釬涂材料為國標(biāo)GB10859—89《鎳基釬料》的釬料BNi1，粒度20～30 μm，成分如表1所示。將WC粉末(20～50 μm)和釬料以質(zhì)量比3∶7的配比方式均勻混合。

用65Mn鋼作為刀具基體，試樣截面如圖1所示。為了避免水淬后的組織產(chǎn)生裂紋，研究選用淬火油作為淬火介質(zhì)。對基體進(jìn)行300 ℃保溫5 min→升溫→850 ℃保溫20 min(氬氣保護(hù))工藝后選擇正火處理、淬火處理和回火處理(400 ℃)。試樣鑲嵌拋光后用4%硝酸酒精溶液浸蝕10 s，用上海光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的4XC-PC型倒置金相顯微鏡觀察試樣組織。

表1 BNi1釬料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 釬涂工藝

將試樣的斜面用砂紙打磨，丙酮清洗吹干，在此面鋪重量為1 g的涂層材料并壓實(shí)，滴加丙烯酸酯和丙酮的混合粘結(jié)劑。選用小型加熱爐(JC-K-220，淄博九辰工貿(mào)有限公司生產(chǎn))加熱的方式進(jìn)行釬涂，加熱溫度根據(jù)DTA曲線得出，如圖2所示。為了保證釬料在短暫的保溫時間內(nèi)可以充分熔化，在固液兩相區(qū)的溫度上沿，最終選定1 080 ℃作為燒結(jié)溫度。通入氬氣，爐中溫度達(dá)到設(shè)定溫度1 080 ℃時，將試樣放入爐中，保溫30 s，取出試樣放入另一個氬氣氣氛的室溫容器中冷卻。

燒結(jié)后的試樣用氫氟酸∶硝酸=1∶26的浸蝕液浸蝕30 s，觀察WC顆粒的分布情況、涂層燒結(jié)組織。

圖1 試樣截面尺寸示意圖

1.3 硬度和摩擦磨損測試

對正火組織、淬火組織、淬火后回火組織和WC釬涂層分別做洛氏硬度測試和摩擦磨損試驗(yàn)。測量洛氏硬度使用的萊州華銀試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的HBRV-187.5型布洛維硬度計，使用金剛石錐形壓頭，150 kg加載力。摩擦磨損試驗(yàn)使用蘭州中科凱華科技有限公司生產(chǎn)的HSR-2M高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。所用參數(shù)：SiN磨頭(直徑6 mm)，50 N加載力，電機(jī)轉(zhuǎn)速500 r/min，摩擦?xí)r間60 min，磨痕長度5 mm。

采用試樣在砂礫中轉(zhuǎn)動的方式研究不同基體組織與涂層搭配時的刀刃自銳性情況。試樣固定在曲軸上，旋轉(zhuǎn)半徑50 mm，用杭州西湖臺鉆廠生產(chǎn)的Z4116立式鉆床驅(qū)動。砂子目數(shù)為500～800 μm，試樣在砂礫的深度為100 mm，鉆床轉(zhuǎn)速365 r/min，磨削時間100 h(每5 h為一個磨削周期，停機(jī)冷卻；每20 h進(jìn)行一次清理和測量)。每種搭配3個試樣，在試樣背面距離刃部10 mm的位置打點(diǎn)用來做測量點(diǎn)，用分辨率為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量試樣厚度和長度方向的削減量，同一點(diǎn)5次測量取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 65Mn鋼基體的熱處理組織性能

正火處理后的組織，在晶界處析出鐵素體和滲碳體，晶粒大小均勻，根據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定法》中面積法測得平均晶粒級別數(shù)為10.5級屬于細(xì)晶粒。正火處理是65Mn彈簧鋼常用的熱處理方式，得到的組織有一定的強(qiáng)度和韌性，表2為正火組織的硬度為36～39 HRC。淬火組織是細(xì)針狀的馬氏體，夾有少量鐵素體和殘余奧氏體。用淬火油淬火的馬氏體細(xì)小均勻，裂紋傾向性低，硬度為58～60 HRC?；鼗鸾M織為回火托氏體，由針狀α相和無共格聯(lián)系的細(xì)粒狀滲碳體組成。硬度為45～47 HRC。

表2 65Mn不同組織及涂層的硬度 HRC

2.2 釬涂后宏觀形貌及微觀組織

加熱后的試樣，表面涂層平整，在基體表面鋪展均勻未聚集。基體側(cè)面邊緣處只有少量蔓延。說明釬涂材料在1 080 ℃的保溫溫度結(jié)合30 s的保溫時間的加熱工藝下能夠充分熔化。圖3a為碳化鎢粉末在400倍光學(xué)顯微鏡下的照片，所用碳化鎢顆粒細(xì)小，在20～50 μm之間，顆粒形狀不規(guī)則，具有棱角和凹凸不平的表面形貌。圖3b為200倍光學(xué)顯微鏡下的涂層組織的微觀形貌，圖中白亮色、顆粒較大、呈多邊形的相即涂層中的碳化鎢顆粒，分布均勻，聚集傾向性低。冷卻過程中釬料依附于顆粒表面形成細(xì)小的等軸晶。圖3c為基體和涂層界面附近的金相組織，冷卻時界面處能量較高，釬料在基體表面開始生長，形成較大的晶粒，隨著離界面的距離越來越大，晶粒逐漸變小。結(jié)合層的寬度為20～25 μm。

2.3 正壓力加載下的磨損測試

每種工藝進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)測量磨損量并取平均值，磨損結(jié)果記錄見表3，在試驗(yàn)?zāi)p參數(shù)下，正火組織、淬火組織、回火組織和涂層的磨損量分別約為0.280 mm3，0.09 mm3，0.210 mm3和0.074 mm3。在磨損過程中，磨痕逐漸變寬變深，磨頭和試樣之間的接觸增大，接觸面壓強(qiáng)降低。磨頭也會出現(xiàn)損耗，曲率逐漸降低，降低了磨頭對材料的去除能力。因此時間越長，單位時間的去除量越低。表中所得結(jié)果是磨損1 h后測量所得，能夠客觀地反映材料的耐磨性。對基體而言，淬火組織最耐磨，其與涂層的耐磨性能相當(dāng)，耐磨性差距最小。正火組織與涂層的耐磨性差距最大。耐磨性的差距給自銳性提供了基礎(chǔ)。

圖3 光學(xué)顯微鏡下WC粉末形貌及釬焊涂層組織

磨損對象磨痕寬度d/mm磨痕深度h/μm磨損量v/mm3正火組織1.603960.30.280淬火組織1.257635.00.090回火組織1.427749.00.210涂層1.058329.70.074

2.4 砂礫磨削試驗(yàn)結(jié)果分析

砂礫磨削示意圖如圖4所示。測量并計算正火處理、淬火處理和回火處理的試樣在長度方向上的平均縮短量，結(jié)果分別為0.707 3 mm，0.432 0 mm，0.589 0 mm。如圖5所示，在第一個測量周期里三種試樣都產(chǎn)生了大量的去除，這是由于初始刃部較薄，在與砂礫的碰撞時容易去除。后面的每個磨削周期，去除量相對穩(wěn)定，存在逐漸減少的趨勢，第一個周期里的現(xiàn)象不再出現(xiàn)。隨著刃部的后移，刃前方的曲面越來越寬，在砂礫碰撞磨削過程中，曲面兩側(cè)最先去除，使刃部呈現(xiàn)弧形。因?yàn)楹穸茸兇螅L度方向每去除一個單位需要的時間會變長。

圖4 砂礫磨削刀具的示意圖

圖5 長度方向磨削減少量折線圖

因厚度方向上數(shù)值變化較少，只對100 h磨削結(jié)果進(jìn)行測量，結(jié)果分別為正火試樣0.135 3 mm、淬火試樣0.054 7 mm、回火試樣0.082 7 mm。厚度方向上受力及磨損情況相對簡單，壓力大小不變，電機(jī)轉(zhuǎn)動參數(shù)不變。因此假定單位時間的去除量是固定的。經(jīng)計算正火試樣、淬火試樣、回火試樣厚度方向上的去除速率分別為1.353 μm/h,0.547 μm/h,0.827 μm/h，定義此變量為x。

實(shí)現(xiàn)自銳性就要找到刃部兩面合理的耐磨性搭配，結(jié)合圖5將第一個周期的磨損量剔除，假定后80 h的磨損速率是固定的。經(jīng)計算正火組織、淬火組織、回火組織的磨損量分別為3.775 μm/h,0.708 μm/h,2.533 μm/h，定義此變量為y。

分別計算三種試樣磨損后x/y的值，結(jié)果分別為0.358,0.819和0.405。由于刃部會受到碰撞產(chǎn)生較嚴(yán)重的磨損，所以說不能簡單的通過x/y與1/3(最初刃角的正切值)的接近關(guān)系來判定自銳能力大小。結(jié)合圖6磨削后刃部形狀的照片來分析，正火處理試樣、淬火處理試樣和回火處理試樣的刃角曲率依次為500 μm,120 μm,147 μm。

圖6 砂礫磨削后刃部光學(xué)照片

圖6a中正火試樣有較鈍的刃，結(jié)合圖4分析，當(dāng)刃部前端較薄的部分在初始的磨削中磨掉后，刃部的涂層側(cè)和基體一側(cè)受到幾乎相同的磨削，但正火組織的去除速率明顯大于涂層材料，導(dǎo)致刃部基體組織大量去除，涂層依然呈現(xiàn)較大的曲率。若被切削對象不能像砂子一樣受到碰撞可以滾動，刀片刃部受到的沖擊會更大，鈍化現(xiàn)象會明顯。

圖6b和圖6c都有相對銳利的刃部，結(jié)合淬火試樣在長度和厚度方向的去除量考慮，圖6b所示的現(xiàn)象是因?yàn)榛w組織硬度高，耐磨性強(qiáng)，能夠保持較銳利的狀態(tài)。圖6b與圖6c相同的地方為涂層側(cè)都呈現(xiàn)了尖端，區(qū)別在于圖6b的基體由遠(yuǎn)處逐漸靠近刃部時，有較大的弧線。圖6c中這部分則相對平整，呈現(xiàn)較小的角度。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及分析，可知在試驗(yàn)所用的涂層厚度條件下，正火處理的試樣在壽命和自銳性方面都較差。淬火處理后的試樣硬度和耐磨性高，刀具磨損率低?；鼗鹛幚淼脑嚇釉谀湍バ?、自銳性和使用壽命三個方面的綜合性能優(yōu)越，可有效提高單次裝刀或一次性刀具的使用時間和加工效率。

3 結(jié) 論

(1)對于鎳基釬料選用固液兩相區(qū)上沿溫度短時加熱的方式，能夠保證鎳基釬料得到充分熔化。有效降低了碳化鎢在高溫下的分解，涂層的硬度在63 HRC左右。在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測得磨損量為0.074 mm3。

(2)對基體65Mn材料熱處理，得到的組織耐磨性與涂層組織存在差別，這是自銳的前提條件。砂礫磨削試驗(yàn)后，正火處理、淬火處理和回火處理的試樣刃角曲率分別為500 μm,120 μm和147 μm。淬火處理的刀具穩(wěn)定耐磨性好，但自銳性不如回火處理的刀具。

[1] Sobotova J，Jurci P，Dlouhy I. The effect of subzero treatment on microstructure，fracture toughness，and wear resistance of Vanadis 6 tool steel[J]. Materials Science and Engineering A，2016，652: 192-204.

[2] 申慶泰，金 敏，池少英，等. 飼料粉碎機(jī)錘片磨損特征與自磨刃強(qiáng)化處理[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2010，41(9): 229-232.

[3] Badisch E，Kirchga?ner M. Influence of welding parameters on microstructure and wear behaviour of a typical NiCrBSi hardfacing alloy reinforced with tungsten carbide[J]. Surface and Coatings Technology，2008，202(24): 6016-6022.

[4] 王麗娟. WC添加量對Ni60基合金粉末噴焊層耐磨耐蝕性的影響[J]. 熱加工工藝，2010，39(20): 139-141.

[5] Caliskan H，Panjan P，Kurbanoglu C. Hard coatings on cutting tools and surface finish[J]. Reference Module in Materials Science and Materials Engineering，2017(3): 230-242.

[6] Tsai P H，Li T H，Hsu K T，et al. Effect of coating thickness on the cutting sharpness and durability of Zr-based metallic glass thin film coated surgical blades[J]. Thin Solid Films，2016，618: 36-41.

2017-01-19

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2016EEM41,ZR2017MEE076)

TG454

馬伯江，1968 年出生，博士，副教授。主要從事焊接及表面技術(shù)方面的基礎(chǔ)研究，已發(fā)表論文40余篇。