硬質(zhì)合金刀具與Ti-6Al-4V鈦合金的化學(xué)性能匹配研究.pdf

1、鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)小、高溫化學(xué)活性大、彈性模量低、與其他金屬材料摩擦系數(shù)大等特性使它成為一種典型的難加工材料。本文通過(guò)理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方式,模擬和研究了切削加工鈦合金(Ti-6Al-4V)時(shí)不同硬質(zhì)合金刀具材料與工件材料的溶解-擴(kuò)散情況,系統(tǒng)研究了硬質(zhì)合金刀具材料與鈦合金之間的化學(xué)性能相互匹配關(guān)系。最后,通過(guò)Ti-6Al-4V鈦合金的銑削實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證并分析了在切削加工Ti-6Al-4v時(shí)不同硬質(zhì)合金刀具的氧化磨損和溶解-擴(kuò)散磨

2、損,建立了硬質(zhì)合金刀具材料與鈦合金之間的化學(xué)性能匹配關(guān)系,從而為選擇合適刀具材料切削加工鈦合金提供了依據(jù)。
　　 利用熱力學(xué)溶液理論,計(jì)算了硬質(zhì)合金刀具材料中的WC、TiC和Co在Ti中的溶解度。刀具材料中的WC、TiC和Co在Ti中的溶解度都受溫度的影響較大:溫度越高,其在Ti中的溶解度越大。通過(guò)對(duì)菲克擴(kuò)散定律的分析,得到了適合硬質(zhì)合金刀具材料和Ti-6Al-4V之間的元素溶解-擴(kuò)散濃度表達(dá)式和擴(kuò)散通量表達(dá)式。根據(jù)元素溶解-擴(kuò)

3、散的濃度表達(dá)式,進(jìn)一步得到了計(jì)算刀具材料和鈦合金之間各元素?cái)U(kuò)散系數(shù)的方法,從而為合理解釋和分析溶解-擴(kuò)散試驗(yàn)的結(jié)果提供了理論依據(jù)。同時(shí),對(duì)硬質(zhì)合金刀具材料與Ti-6Al-4V之間元素?cái)U(kuò)散的微觀機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　 利用物質(zhì)吉布斯自由能函數(shù)法對(duì)硬質(zhì)合金刀具材料和Ti-6Al-4V鈦合金可能發(fā)生的氧化反應(yīng)進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算,從理論上對(duì)氧化反應(yīng)能否發(fā)生及其氧化產(chǎn)物進(jìn)行了分析。溫度為1000 K時(shí)的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明:硬質(zhì)合金刀具材料和

4、Ti-6Al-4V在空氣中都能發(fā)生氧化反應(yīng),其中刀具材料中的WC、TiC和Co分別被氧化成WO3、TiO2和Co3O4；而鈦合金中的Ti、Al、V也會(huì)被氧化并生成相應(yīng)的氧化產(chǎn)物；鈦合金中的Ti與刀具材料中的WC會(huì)發(fā)生置換反應(yīng),生成TiC和W。
　　 選用YT5、YT15、YG6、YG6X和YG8五種硬質(zhì)合金刀具材料與Ti-6Al-4V進(jìn)行元素溶解-擴(kuò)散試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn),全面分析了在相同溶解-擴(kuò)散條件下不同刀具材料與Ti-6Al-4

5、V的元素溶解-擴(kuò)散,系統(tǒng)考察了擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間對(duì)元素溶解-擴(kuò)散的影響。試驗(yàn)表明:相同擴(kuò)散條件下,YT類(lèi)硬質(zhì)合金刀具材料與Ti-6Al-4V之間的元素溶解-擴(kuò)散程度比YG類(lèi)的嚴(yán)重；Co含量多的YG類(lèi)硬質(zhì)合金刀具材料與Ti-6Al-4V的元素溶解-擴(kuò)散程度嚴(yán)重；細(xì)晶粒的刀具材料與Ti-6Al-4V的元素溶解-擴(kuò)散程度輕微；五種硬質(zhì)合金刀具材料與Ti-6Al-4V之間的元素溶解-擴(kuò)散劇烈程度按由大到小的順序排列為:YT15>YT5>YG8>

6、YG6>YG6X;擴(kuò)散溫度對(duì)元素溶解-擴(kuò)散的影響很大,溫度越高,刀具材料與鈦合金之間的元素溶解-擴(kuò)散越劇烈；擴(kuò)散時(shí)間對(duì)元素溶解-擴(kuò)散影響表現(xiàn)為:溶解-擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng),元素的溶解-擴(kuò)散深度越大,當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間達(dá)到1.5 h左右時(shí),溶解-擴(kuò)散基本達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),即使繼續(xù)延長(zhǎng)擴(kuò)散時(shí)間,元素的擴(kuò)散深度增加很小。
　　 對(duì)元素?cái)U(kuò)散后的刀具材料進(jìn)行了硬度測(cè)試,試驗(yàn)得出:未發(fā)生溶解-擴(kuò)散的刀具硬度基本沒(méi)有變化；發(fā)生溶解-擴(kuò)散的刀具硬度有明顯變化

7、,在靠近擴(kuò)散界面處,刀具的硬度值明顯低于其正常硬度值,遠(yuǎn)離擴(kuò)散界面一定距離后,刀具的硬度逐漸恢復(fù)至正常水平。雖然刀具材料與鈦合金之間的元素溶解-擴(kuò)散深度只有幾個(gè)微米,但元素的溶解-擴(kuò)散流失對(duì)刀具材料硬度的影響深度超過(guò)幾十個(gè)微米。
　　 通過(guò)五種硬質(zhì)合金刀具材料的氧化試驗(yàn),系統(tǒng)研究了不同硬質(zhì)合金刀具材料的抗氧化性能好壞。研究表明:溫度為800 K時(shí),硬質(zhì)合金刀具材料在空氣中開(kāi)始發(fā)生氧化反應(yīng)；溫度為900 K時(shí),刀具材料中的WC已經(jīng)

8、被部分氧化成WO3,Co元素被氧化成Co3O4；刀具材料中的TiC,在溫度達(dá)到1300 K時(shí)才發(fā)現(xiàn)其氧化產(chǎn)物TiO2；YT類(lèi)硬質(zhì)合金刀具的抗氧化性一般比YG類(lèi)的好；刀具成分相同時(shí),晶粒尺寸是影響刀具抗氧化性能的關(guān)鍵因素,晶粒越小,刀具的抗氧化性能越好。通過(guò)Ti-6Al-4V的氧化試驗(yàn),可以得出:在1100K時(shí),Ti與空氣中的O2和N2發(fā)生氧化反應(yīng),生成TiO2和Ti4N3。
　　 在相同切削參數(shù)下進(jìn)行Ti-6Al-4V的銑削實(shí)驗(yàn)

9、,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:YT類(lèi)硬質(zhì)合金刀具的磨損程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于YG類(lèi)刀具的磨損程度,溶解-擴(kuò)散磨損和氧化磨損是刀具的主要磨損機(jī)理:五種硬質(zhì)合金刀具的氧化磨損程度按由強(qiáng)到弱的順序排列為:YT15>YT5>YG6>YG8>YG6X；切削加工過(guò)程中,鈦合金切屑容易粘結(jié)在刀具表面并在高溫和元素濃度梯度作用下與刀具材料發(fā)生元素的溶解-擴(kuò)散,五種刀具材料的溶解-擴(kuò)散磨損程度按由強(qiáng)到弱順序排列為:YT15>YT5>YG8>YG6>YG6X。
　　 通過(guò)