深冷处理提高YW1硬质合金刀片耐磨损性能的机理研究

HEATS

 

深冷处理工艺作为提高工模具寿命的一种有效手段，已在国内外得到广泛应用。试验表明，YW1硬质合金车刀片经深冷处理后，其耐磨损性能显著提高。本文对深冷处理提高刀片耐磨损性能的内在机理进行了试验分析和理论探讨。

1 YW1刀片耐磨损性能试验

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采用某厂同一批次生产的YW1硬质合金三角形可转位车刀片进行切削试验。其中部分刀片在深冷处理设备中以70 ℃/h的速度降温至-184℃ ，保温18小时后，再以70 ℃/h的速度升至室温；另一部分刀片则未经深冷处理。在相同的切削条件下(切削速度v_c=110m/min，切削深度a_p=0.5mm，进给量f=0.1mm/r)，分别用经过深冷处理和未经深冷处理的两种刀片在C6132车床上切削45钢，并通过测量后刀面平均磨损值VB，比较两种刀片的耐磨损性能。根据试验结果绘出的两种刀片的磨损曲线如图1 所示。
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图1 经过深冷处理和未经深冷处理的YW1刀片磨损曲线

由图1可知，经过深冷处理的刀片较未经深冷处理的刀片耐磨损性能显著提高。 0 w! S; T" I: B

2 YW1刀片的硬度分析

硬质合金刀片的耐磨损性能与其硬度值密切相关。为此，分别测量了经过深冷处理和未经深冷处理两种刀片的显微硬度(HV)和洛氏硬度(HRA)，测量结果见表1。 f8 Y* k& t Q2 h. M1 P+ ~+ A5 A( x; T9 O5 X' T( S/ `) B6 T+ }8 C' \! A% c0 L8 x0 o! A$ z! j# A3 W4 R$ b4 E# a. N/ |& J+ W3 P+ H* B- N: q' X, A* [. y6 N- q) @' X( h! m* U. [$ Y9 ^

表1 深冷与未深冷YW1刀片硬度值

刀片类型	显微硬度(HV)	洛氏硬度(HRA)
未经深冷处理	1764.0	90
经过深冷处理	2263.7	92

由表1可知，经过深冷处理刀片的硬度值较未经深冷处理刀片有一定程度提高，这表明两种刀片的微观组织结构存在一定差异。

3 YW1刀片的微观组织结构分析

YW1硬质合金的主要成分为WC(84%)、粘结相Co(6%)及少量的TiC和TaC，其主要性能取决于WC和粘结相Co的特性(见表2)。 9 J% z3 {! g4 O2 s* y% Y# U' n3 V0 s% T1 K2 ^5 r5 u- r3 @

5 r) O+ W4 \8 E1 }; B- a7 S3 ?3 U& v1 R& ~+ e% s5 n6 O2 V3 }6 X! N- t8 x! R# Z& R4 z$ w# r+ L; o6 V" A2 c* y+ z1 ~: j8 m- e# {& e8 t0 e' G) F/ d6 B6 C$ y0 W q) q8 e1 i- r& q; e+ Q( o. } r2 R4 d- N3 c! N/ k9 X2 }* a3 P7 G( a4 s" M5 a& A& n; A( q( i5 e3 n' Z, A+ a2 u' {; j I; C9 E. h! }# u. n; d0 ~0 H& E, {7 s. P6 f- D* |4 Y 表2 YW1主要成分特性 特性 WC Co 晶格类型 a—六方形 b—面心立方 a—密排六方 b—面心立方 晶格常数(Å) a—六方形 b—面心立方 a=2.9063 c=2.8368 a=2.248 a=2.5075 c=4.0698 a=3.5442 线性热膨胀系数(×10-6/K) 4.4 14.2 298K比电阻(UW·cm) 25 5.8

$ A% w0 c. a0 W/ U4 f" T/ l Y2 t B* V( w; c! L" Y& C) p$ U; i# O' {6 v# C" x1 F. X" } S* \9 K. N! C9 D0 p2 L" E4 P I- T: U. b+ @4 x; ~" d# @8 S5 f6 k7 y* o' h' p9 K: C9 Q. u+ t/ m1 @4 {; y( Q k& E) `! \2 |3 F4 \0 T9 m' G0 `& R( Z# l( s: L/ T9 z+ j" t9 H+ R) T' W# k& I; n; p9 B" V' w5 A8 S S$ I+ B4 H( u p' W0 h3 s' W2 a/ w) W9 r7 }' Q' Q8 k) n: W. f3 p* \; V$ M 表3 YW1中WC和粘结相Co的晶格常数 YW1刀片 经过深冷处理 未经深冷处理 晶格 常数 Co Hex(六方) Cubic(立方)+ Hex(六方) WC a 2.9080 2.9087 c 2.8394 2.8370 TiC 4.3301 4.3294

4 ^5 X1 ^$ B `% ?* W+ i4 Z6 i

用X射线衍射仪对WC和粘结相Co的晶格常数进行测量，测量结果见表3 。 , [5 _. z8 l+ H" X; f1 [

由表3可知，在经过深冷处理和未经深冷处理的刀片中，WC晶格常数的差异并不明显。由此可知，深冷处理可改善YW1刀片耐磨损性能的主要原因并不是由于深冷处理对WC的微观结构有所改变。

X射线分析结果表明，经过深冷处理的YW1刀片中只发现有密排六方Co(e-Co)在(1 0 2)晶向的衍射峰值1.476 ；而在未经深冷处理的YW1刀片中既有密排六方Co(e-Co)在(1 0 2)晶向的衍射峰值1.48，也有面心立方Co(a-Co在(2 2 2)晶向的衍射峰值1.0233，这表明经过深冷处理后，YW1中的金属Co发生了马氏体转变且转化较为完全。

硬质合金性能受粘结相影响较大。金属Co在417℃时发生同素异性结构转变，高温时以面心立方结构(a-Co)的形式存在，低温时以密排六方结构(e-Co)的形式存在，a→e多型性转变是一种马氏体型转变，马氏体可在液氮温度下形成。在室温条件下，Co也会发生马氏体转变，粘结相与WC界面上有相应量的a-Co向e-Co转变而马氏体化，但室温条件下的这种转变是不完全的。

密排六方金属通常具有较低的摩擦系数。低摩擦系数有利于减小刀具在切削过程中的摩擦力，从而可降低切削温度，减小刀具在切削过程中的磨料磨损和扩散磨损，提高刀具耐磨损性能。在YW1成分中，e-Co的摩擦系数很低(约为0.36) ，因此a-Co相变为e-Co后可使YW1的耐磨损性能提高。此外，密排六方金属具有比体心和面心金属更低的粘着磨损特性，a-Co相变为e-Co后，将减小切削过程中的粘着磨损。

因此，深冷处理工艺能够提高硬质合金耐磨损性能的关键原因在于其能够促进a-Co向e-Co的马氏体型转变，并使这种转变完全化。 1 u9 c/ O2 w [) U4 I1 T! N

有资料认为：Co的热膨胀系数比WC大两倍，而粘结相是硬质合金的主要破坏相，存在于Co相中的较大热应力是影响硬质合金性能的不利因素。深冷处理能使WC—Co系硬质合金获得较理想的表面残余压应力，从而提高硬质合金的耐磨损性能。为了验证上述论点的正确性，作者测量了经过深冷处理和未经深冷处理的YW1的表面残余应力值，测量结果见表4 。 ! n, X( D; v, ^/ R9 i$ q0 Z! X, G b# A6 ?" d. P9 F# s( Q% N9 y* j- K1 l6 @: D0 p" Z8 H$ J; v [. x) M9 j% n5 w+ B! f/ y; P0 i/ _+ Y7 r# C3 N0 b) n3 d2 o& W+ p* l& B+ _9 \/ |6 [+ F, w2 k5 u' i% n# I+ }

表4 深冷与未深冷YW1的表面残余应力值

YW1	经过深冷处理	未经深冷处理
表面残余应力(MPa)	4192.297(压应力)	4858.665(压应力)
相对差值D	D=13.72%

由表4可见，经过深冷处理的YW1表面压应力值比未经深冷处理时还小。而通常压应力值越大，对刀具抗磨损性能越有利。由此可见，深冷处理提高YW1耐磨损性能的主要原因并不在于改善了其表面残余压应力值，而是由于促进了a-Co→e-Co的马氏体相变并使这一过程完全化。

4 结论

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1. 合理的深冷处理工艺可显著提高YW1硬质合金刀片的耐磨损性能。
2. 经深冷处理后，YW1刀片的显微硬度和洛氏硬度明显提高，表明深冷处理可使YW1的微观组织结构发生改变。
3. X射线衍射分析结果表明，YW1经深冷处理后发生了较完全的粘结相Co的a→e转变，这是一种多型性的马氏体转变，是使YW1硬质合金刀片耐磨损性能提高的主要原因。