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             電火花沉積制備涂層高速鋼鉆頭研究
                                  張世芳,陳志強
             
            (摘 要:用電火花沉積工藝在高速鋼麻花鉆頭上沉積了WC硬質合金沉積層。分析了沉積層的金相組織,顯微硬度。在干式切削條件下,對鑄鐵和45#鋼進行了切削性能對比試驗。試驗結果表明沉積鉆頭切削壽命大幅提高,磨損速度顯著減緩,鉆孔質量明顯提高。
            關鍵詞: 涂層鉆頭 電火花沉積 WC 高速鋼麻花鉆頭
            1引言
            鉆削是切削金屬的最重要的加工方法之一,約占整個金屬切削加工的33%[1]。隨著切削加工不斷向高速、高效、高精度發展,刀具新材料、新品種不斷涌現,其中涂層刀具的發展尤為迅速,有效改善了高速鋼鉆頭的切削性能,提高效率,延長使用壽命[2]。
            近十幾年來,表面涂層技術發展迅速,而表面涂層技術的應用大約83%應用于切削刀具處理[3]。電火花沉積技術(Electron-Spark Deposition,簡稱ESD)是近十幾年迅速發展的表面技術之一,是直接利用具有高能量密度的電能對工件表面進行沉積處理,它通過火花放電作用將作為電極的導電材料熔滲進金屬工件表層,形成合金化的表面沉積層,從而使工件的物理、化學和機械性能得到改善[4],是介于焊接、噴鍍或元素滲入等工藝的一種工藝,是兼有這些工藝的一些特點,又有熱輸入量小,沉積層與母材有冶金結合等獨特的優點,是一項經濟、簡便、實用、有效的表面處理工藝方法。
              
            2涂層高速鋼鉆頭制備工藝
            2.1麻花鉆的磨損形式
            麻花鉆是一種形狀較復雜的雙刃孔加工刀具,其切削部分由一尖(鉆芯尖)、五刃(兩個主切削刃、一個橫刃和兩個副切削刃)組成。在鉆孔中,麻花鉆主切削刃的前、后刀面和副切削刃(刃帶)以及橫刃都會產生磨損。一般在孔加工過程中,最早出現的是后刀面磨損和橫刃磨損。在鉆削中,橫刃時刻都在對工件進行擠壓和副前角磨損,因而在橫刃的兩側會很快磨出三角形亮帶,同時伴有橫刃鈍化。刃磨損是刀具喪失切削能力的重要原因之一。 采用高速鋼( HSS)標準麻花鉆鉆削45#調質鋼(HRC25-30),其主要的磨損形式是后刀面磨損、橫刃磨損、主切削刃磨損和橫刃變鈍,其它形式的磨損不甚明顯[5]、[6]。根據上述麻花鉆的磨損特點,應用電火花沉積制備涂層高速鋼鉆頭只需在兩個后刀面和前刀面上沉積涂層即可有效提高鉆頭的耐磨性。
            2.2實驗設備及材料
                  電火花沉積/堆焊機,輸出功率8檔可調,(最高1400W,最小100W);輸出電壓分兩檔(高壓110V,低壓60V);放電脈沖頻率400- 1 600 Hz連續可調;電火花沉積槍額定轉速 N=2400r/min;采用氬氣保護。電極采用直徑為2.4的WC電極。鉆頭采用直徑為6mm的高速鋼麻花鉆頭。
            2.3涂層鉆頭制備工藝
            為降低沉積層表面粗糙度,分兩次電火花沉積,所用工藝參數分別為小功率沉積(工藝A)和大功率沉積(工藝B),沉積時先大功率沉積,用砂紙輕微打磨沉積層表面后再小功率沉積。工藝參數見表一。沉積時電極伸出長度5mm。操作時保持電極與刀面成300~400夾角。為獲得較均勻的強化層,時工具電極應以1~3mm/s的速度沿小圓環軌跡勻速移動
            工藝參數   功率/W    電壓/V    頻率/Hz    保護氣流量/ L·min-1   保護氣
            工藝A      300       60       600~700          8                氬氣
            工藝B      800       60       600~700          8                氬氣
            表一 沉積操作工藝參數
            具體操作工藝如下
            (1)將鉆頭工作部分(已磨損鉆頭應先修磨)及電極用200目砂紙打磨,用丙酮溶液清洗去處油污。
            (2)調整沉積設備工藝參數為工藝B,并進行沉積操作;每個
             
            圖二WC涂層金相照片
             
             
            白亮層
             
             
            過渡層
             
             
            熱影響區
             
             
            基體
             
            刀面沉積2min。用砂紙輕微打磨沉積層表面并用丙酮清洗;調整
            沉積設備工藝參數為工藝A,每個刀面再沉積1min。
            (3)用油石打磨沉積層表面至光滑。
            3沉積層性能分析
            本試驗用MH-6微光學顯微鏡及其拍照系統觀察拍攝涂層金相
            ,用MH-6微光學顯微鏡硬度計系統進行涂層硬度分析并測量
            涂層厚度
            3.1涂層組織觀察
            圖二為放大倍數400的高速鋼鉆頭經電火花沉積WC硬質合金
            涂層的截面金相圖片,金相經5%硝酸乙醇溶液腐蝕。經電火花沉
            積WC硬質合金涂層后,在高速鋼表面出現了與基體金相組織不同
            的三層組織,有表到里分別是白亮層,過渡層,熱影響區,在往
            里是基體的原始組織。
            白亮層在涂層的外表面,抗腐蝕性好,為被硝酸乙醇溶液腐
            蝕,其成分主要來自電極材料以及部分由電極旋轉工作時帶入的
            基體材料。
                圖三涂層顯微硬度壓痕
             
                過渡層緊靠白亮層,是由WC電極材料中的元素
            擴散到基體材料中形成的。電火花沉積過程中,熔池
            的形成和凝固都伴隨著復雜的和金化過程,并且電極
            工作中與基體接觸并施加一定壓力,電極材料在這些作用下很易溶滲進基體金屬表層。
                熱影響區由于電火花沉積的淬火效應形成的。電火花沉積時,接近表層的基體金屬迅速的升到高溫,然后又迅速冷卻,相當于再次被淬火。電火花沉積的淬火效應使接近表層的基體金屬超細晶粒的奧氏體組織(A),大幅度提高了基體表層金屬的硬度。
                涂層中白亮層,過渡層,熱影響區之間不存在明顯的分界,涂層與基體之間不是簡單的機械結合而是冶金結合,結合力強,涂層不會發生剝落現象。
            3.2涂層硬度及厚度分析
            本試驗在MH-6微光學顯微鏡硬度計系統砝碼為100g條件下對涂層打壓痕,涂層顯微硬度壓痕如圖三。
            圖三鉆頭壽命對比圖
             
            由圖三可明顯看出涂層有里及表硬度逐漸增大, 白亮層硬度最大,為HV1131;過渡層硬度次之,為HV876;基體金屬的熱影響區由于晶粒細化硬度也有顯助提高,為HV605;w硬度僅為HV405,涂層中白亮層硬度接近基體硬度的3倍。
               用MH-6微光學顯微鏡測涂層(白亮層)厚度,最薄處為70,最后處107,平均厚度(測十處不同部位的厚度求均值)88,涂層厚度比較均勻。
            4涂層鉆頭切削試驗試驗
            實驗設備用Z5125立鉆;鉆頭磨損量用30倍的工具顯微鏡靜態觀察測量;試件材料為45#中碳鋼(10mm厚熱軋鋼板,HB207)、鑄鐵(HT15-30,10mm厚)。切削試驗在干式條件下進行,轉速800 r/min,進給量0.1mm/min,鉆頭直徑6mm,鉆通孔。通過測量主切削刃后刀面磨損帶平均最大磨損量(VBmax)評價鉆頭的切削性能;磨鈍標準取VBT=0.35mm,每種實驗重復三次,取其平均值。
            4.1鉆頭壽命對比經電火花沉積WC涂層的鉆頭和未經沉積的鉆頭在相同的實驗條件下分別在鑄鐵和45#中碳鋼上進行切削試驗,磨損到磨鈍標準取VBT=0.35mm時的鉆孔數量如圖三?梢悦黠@看出,經電火花沉積WC涂層的鉆頭切削性能遠高于未沉積的鉆頭。相同鉆削條件下,鉆削鑄鐵涂層鉆頭比未沉積鉆頭壽命提高將近10倍;鉆削45#中碳鋼涂層鉆頭比未沉積鉆頭壽命提高將近13倍。
                4.2鉆頭磨損對比
                圖三和圖四為鉆削45#鋼和高強度鋼時,涂層鉆頭與未沉積鉆頭的磨損曲線。涂層鉆高頭的磨損速度遠低于未沉積鉆頭磨損速度。鉆削時,未沉積鉆頭隨著鉆削孔數增加磨損增長迅速,幾乎未經過正常磨損即達到磨損標準規;而涂層鉆頭鉆削鑄鐵時初期磨損階段較短;進入正常磨損沉積鉆頭隨鉆孔數增加磨損增長比較緩慢,正常磨損階段較長;鉆削鑄鐵時,約鉆削到80孔時涂層鉆頭進入正常磨損,約到900孔時進入劇烈磨損階段。鉆削45#鋼時,約鉆削到8孔時涂層鉆頭進入正常磨損,約到250孔時進入劇烈磨損階段。實驗中涂層鉆頭切削刃上很少形成積屑瘤,未發生崩刃破損,鉆削過程比較平穩。
                4.3鉆屑形態和鉆削質量對比
                   圖四鉆削45#鋼鉆頭磨損曲線
                    
             
            ●未沉積
            ■沉積
             
            鉆孔數(個)
             
                圖三鉆削鑄鐵鉆頭磨損曲線
             
             
            ●未沉積
            ■沉積
             
            鉆孔數(個)
                實驗中觀察發現,未沉積鉆頭鉆削時形成圓錐螺紋狀的連續切屑,常會繞在鉆頭或鉆卡上一起旋轉,并且出現切屑底部在切削刃附近與前刀面粘結現象,排屑困難。而涂層鉆頭鉆削時,切屑呈較短的螺卷狀斷續切屑,排屑順暢,孔表面質量高。對鉆孔質量進行比較,隨著鉆孔孔數的增加,涂層鉆頭與未沉積鉆頭相比,孔徑的擴大量小,加工尺寸較穩定,加工質量明顯得到提高。
              
            5結論
                經上述對電火花沉積WC沉積層性能分析和對比切削實驗表明,經電火花沉積工藝制備的WC涂層高速鋼鉆頭切削性能顯著提高,應用到大型鉆頭上具有較高實用價值,可在實際生產中推廣。
            (1) 沉積層組織較均勻,細密,具有遠高于基體的硬度,與基體呈冶金結合,結合力強,不會脫落。
            (2) 在干式鉆削條件下,鉆削鑄鐵和45#鋼,沉積鉆頭磨損速度明顯減緩,初期磨損較短,正常磨損階段較長,鉆頭壽命分別將近提高10倍、13倍。
            (3) 與未沉積鉆頭相比,沉積鉆頭排屑順暢,加工孔表面質量高,孔徑尺寸較穩定。
             
             
            參考文獻
            [1] When-Chou Chen, Xiao-Dung Liu. Study on the various coated twist drills for stainless sleels drilling[J].Journal of materials Processing Technology, 2000,99:226.
            [2] 張伯霖.高速切削技術及應用[M].北京:機械工業出版社,2003
            [3]Kenneth J,Brookes A,Coatings and material advances continue to drive cutting tools [T].Metal Powder Report,1998,53:(7-8),28-30
            [4]陳鐘燮.電火花表面強化工藝.機械工業出版社.1987: 2-5
            [5]李更生.鉆削狀態在線監測技術的理論與應用研究.南京航空學院博士學位論文,1991. 9.
            [6] 北京永定機械廠群鉆小組
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