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              PCBN刀具切削鎳基合金時的氧化與擴散磨損分析*

              關鍵詞 PCBN刀具 , 切削 , 鎳基合金|2020-05-19 13:47:22|來源 工程雜志
              摘要 胡小龍1,邵芳2,王仁偉3(1.貴州大學機械工程學院,貴陽550025)(2.貴州理工學院,貴陽550003)(3.山東大學機械工程學院,濟南250100)摘要通過切削試驗研究PC...

              胡小龍1, 邵 芳2, 王仁偉3

              (1.貴州大學 機械工程學院, 貴陽 550025)(2.貴州理工學院, 貴陽 550003)(3.山東大學 機械工程學院, 濟南 250100)

              摘要 通過切削試驗研究PCBN刀具切削鎳基合金的磨損機理,結合物質吉布斯自由能函數法分析了刀具前、后刀面氧化磨損的反應發生機理的差異性,得出發生氧化磨損的主要氧化反應方程式;并運用熱力學溶解理論模型計算氮化硼在鎳基合金不同元素中的溶解度,得出前、后刀面擴散磨損過程發生機理的差異性。結果表明:刀具的前、后刀面都發生嚴重的氧化磨損和擴散磨損,元素的擴散溶解加劇了擴散磨損的發生。

              關鍵詞 PCBN刀具; 鎳基合金; 熱力學; 氧化磨損; 擴散磨損

              由于PCBN刀具具有優異的綜合性能,如強度高,耐熱性好,對高溫合金具有良好的導熱性和化學惰性等,使其適合用來高速加工材料,但刀具磨損的機理隨著速度和溫度的升高而變得復雜[1-4]。PCBN刀具的磨損較大程度地影響了零件表面的加工質量,是切削加工領域較為突出的關鍵問題。因此,給出可行性較強的控制刀具磨損的方法至關重要。

              WAN等[5]研究了高速切削加工中刀具的磨損及損壞機理,得出切削溫度和熱應力對刀具磨損和損壞的影響規律,發現高速切削加工與傳統切削加工的本質不同,刀具的失效機理也更復雜。CHEN等[6]研究了PCBN刀具表面的磨損與材料的磨損性能之間的關系,對預測刀具磨損、提高刀具壽命具有重要參考價值。ZHU等[7-8]論述了PCBN刀具切削加工鎳基合金的失效機理,揭示了基于非平衡熱力學理論預測刀具壽命的原理,并在切削實驗中得到了較好的印證。SHAO等[9]利用熱力學理論研究了PCBN刀具在高速切削過程中的磨損機理,發現隨著速度和溫度升高,刀具磨損的機理變得更加復雜。因此,由于PCBN刀具具有的獨特化學和機械性能,在加工過程中能有較高的材料去除率,且能加工堅硬的工件材料(如不銹鋼和高溫合金等),有必要充分了解PCBN刀具的磨損性能,這樣才能有效地開發刀具的潛在能力,用來加工硬質材料并提高生產效率和經濟效益。

              我們進行了PCBN刀具切削鎳基合金試驗,運用熱力學理論預測并分析試驗現象,通過掃描電鏡和能譜儀觀測分析刀具表面的磨損形貌,研究刀具發生擴散、氧化磨損的本質與規律,以及PCBN刀具中BN元素在鎳基合金中的元素擴散及溶解度等。

              1 試驗方法及條件

              在PUMA300LM數控機床上編程后進行鎳基合金棒外圓切削試驗,選用美國GE 公司生產的刀具BZN8200(其前角為3o,后角為7o),工件材料為GH907鎳基合金棒料,直徑28 mm,鎳基合金主要元素質量分數如表1所示。加工過程中的切削工藝參數為:切削速度v=300 m/min,進給量f=0.2 mm/r,切削深度ap=0.5 mm。

              表1 鎳基合金元素質量分數

              Tab.1 Mass fraction of elements in nickel-base alloy

              1589867055471111.jpg

              為探究刀具磨損前后的元素含量變化,在切削2200 m后分別對刀具前刀面(圖1a)和后刀面(圖1b)的切削磨損表面進行SEM線掃描。前刀面掃描距離為225 μm,后刀面掃描距離為280 μm。

              1589867090826210.jpg

              2 氧化磨損分析

              由于PCBN刀具高速切削產生的局部高溫使氧氣在其中發揮主要作用,導致氧化產物在刀具表面堆積形成層狀薄膜,而使刀具的氧化磨損進一步加劇并復雜化[9]。由熱力學知識可知,化學反應的進行與平衡取決于其吉布斯自由能的變化。物質的吉布斯自由能函數公式為:

              ΔG=ΔH-TΔS

              (1)

              其中:ΔG為反應的吉布斯自由能變,J/mol;T為反應時的溫度,K;ΔS 為反應的熵差,(J·mol-1·K-1);ΔH為反應焓變,J/mol。

              吉布斯自由能變ΔG表明了函數G做功的能力,若ΔG<0,反應自發進行,此時不可逆;ΔG=0 反應可以進行,亦可逆;ΔG>0,反應不能進行。

              試驗前,預測刀具材料與工件材料可能發生的4個氧化反應[10]是:

              4BN+3O2=2N2+2B2O3

              (2)

              2B4C+7O2=4B2O3+2CO

              (3)

              2Fe+O2=2FeO

              (4)

              Si+O2=SiO2

              (5)

              根據文獻[11]可得式(2)~式(5)的4種氧化反應在不同溫度時的吉布斯自由能如表2所示。由表2值可計算出4個氧化反應的吉布斯自由能變均小于0,表明4個氧化反應均可能發生;反應式(3)的吉布斯自由能變的絕對值最大,且遠遠高于其他反應式的,說明其氧化反應最有可能發生,即產生較多量的B2O3。

              表2 4個可能發生化學反應的吉布斯自由能

              Tab.2 Four Gibbs free energies of possible chemical reactions

              1589867123643497.jpg

              對圖1a中的刀具前刀面磨損區域進行能譜(EDS)分析,得到圖2的能譜分析圖和其元素半定量分析結果(表3)。表3中的結果除PCBN刀具本身的元素外,還含有大量的O元素,證明前刀面磨損區域含有某種氧化物;由于檢測結果中含有大量硼原子和氧原子,說明檢測區域生成了B2O3,這與理論推測結果吻合。生成的B2O3大量黏結在刀具表面,降低了刀具的切削性能,同時產生刀具磨損。

              微信圖片_20200519134332.jpg

              表3 前刀面磨損區的元素含量

              Tab.3 Element contents of the rake face wear zone

              1589867169847726.jpg


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