鋼結(jié)硬質(zhì)合金ELID磨削表面的AFM分析

1、鋼結(jié)硬質(zhì)合金ELID磨削表面的AFM分析作者：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 朱波 袁哲俊 趙清亮一、前言 鋼結(jié)硬質(zhì)合金是一種以硬質(zhì)化合物(WC或TiC等)為硬質(zhì)相，以合金鋼作為粘結(jié)相的復(fù)合材料，它既吸收了硬質(zhì)合金的高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性的特點(diǎn)，也具有鋼的塑性、韌性、可加工性等特點(diǎn)，同時(shí)克服了硬質(zhì)合金高脆性、鋼的低強(qiáng)度、低硬度等缺點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于航天、航空等領(lǐng)域，成為一種應(yīng)用前景廣泛的新型材料。但由于鋼結(jié)硬質(zhì)合金零件表面粗糙度要求較高，而材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又決定了其本身的加工制造較困難，尤其一般的磨削加工很難達(dá)到工藝要求。本文以在線電解修整(ELID)磨削方法磨削鋼結(jié)硬質(zhì)合金(GT35)，并應(yīng)用原子力顯微鏡對(duì)其

2、進(jìn)行了微觀表面形貌分析，研究了鋼結(jié)硬質(zhì)合金難加工機(jī)理及其表面缺陷形成機(jī)理。 二、鋼結(jié)硬質(zhì)合金難加工機(jī)理 本文研究磨削的鋼結(jié)硬質(zhì)合金零件的材料為GT35，合金成分及硬度值見表1。 表1 試驗(yàn)用鋼結(jié)硬質(zhì)合金的成分 代號(hào) 化學(xué)成分% 硬度值HV10 TiC C Cr Mo Fe GT35 35 0.5 0.2 2.0 余量 933由表1可以看出，其既有硬質(zhì)合金的高硬度、高耐磨性，又有熔煉鋼的可加工性。 圖1是GT35 微觀表面形貌，應(yīng)用美國DI公司生產(chǎn)的Nanoscaping-IIIA原子力顯微鏡(AFM)對(duì)GT35表面80×80µm范圍進(jìn)行掃描。其中圖1a為平面圖像，圖1b為其

3、立體圖像，由圖1可看出，鋼結(jié)硬質(zhì)合金中含有大量高硬度TiC硬質(zhì)相凸出在基體表面起抗磨作用。鋼中還有多種碳化物同樣起抗磨作用，其中碳化物相占總重量一半以上，鋼結(jié)硬質(zhì)合金的強(qiáng)韌性靠鋼基體中碳和合金元素作用。但是上述強(qiáng)化結(jié)構(gòu)也造成淬火后的鋼結(jié)硬質(zhì)合金的精密加工十分困難。因?yàn)榻M成強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的兩相具有差異懸殊的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，其中一相硬度高，一相韌性好。因此，在機(jī)械加工過程中，鋼基體因硬度低易去除，而碳化物硬度高不易去除，造成加工表面高低不平，不僅造成砂輪磨耗加快，而且通常得不到良好的加工表面。 圖1 鋼結(jié)硬質(zhì)合金AFM形貌掃描圖(80×80µm)三、ELID 精密鏡面磨削鋼結(jié)硬

4、質(zhì)合金 ELID 磨削技術(shù)成功地解決了鑄鐵纖維、鑄鐵結(jié)合劑超硬磨料進(jìn)行在線電解修整磨削的技術(shù)，解決了鑄鐵基砂輪整形、修銳等難題，而且使得超微細(xì)金剛石、CBN磨料(粒徑為幾微米至5nm)能夠應(yīng)用于超精密鏡面磨削。其平面磨床系統(tǒng)原理圖見圖2。 圖2 ELID磨削原理示意圖在修整過程中鑄鐵基砂輪作為陽極，工具作為陰極，在砂輪外圓表面和電極的間隙中通過有電解能力的磨削液，在電源作用下，利用電解過程中的陽極溶解效應(yīng)，對(duì)砂輪表層的金屬基體進(jìn)行電解去除，使金剛石磨粒逐漸露出砂輪表面，從而形成對(duì)砂輪的修整作用。在電解修整過程中，砂輪表層形成一層有絕緣作用的氧化膜，該膜的厚度對(duì)電導(dǎo)率有直接的影響，可以減緩和阻止

5、進(jìn)一步的電解，使電解速度降低，以免使砂輪損耗過快。該層氧化膜組織較疏松，能夠使磨鈍磨粒及時(shí)脫落，減少砂輪的堵塞，降低磨削力與磨削溫度。當(dāng)砂輪表面的磨料磨損后，出刃高度降低，由于工件材料的刮擦作用，使氧化膜變薄，導(dǎo)電性恢復(fù)，金屬基體電解過程加快，使磨料出刃高度增加，氧化膜變厚。由于這種非線性電解作用的結(jié)果，可以使這種修整作用對(duì)磨削過程有一定的自適應(yīng)能力，砂輪表面與金屬基體的去除速度與磨料消耗的速度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，最終使得砂輪表面結(jié)合劑基體不斷地被電解，新的磨料不斷露出，以保證金屬基砂輪在磨削過程中的銳利性，不會(huì)造成砂輪的堵塞現(xiàn)象，非常有利于微細(xì)粒度砂輪和提高磨削表面質(zhì)量。而砂輪也不會(huì)過快消耗，能充

6、分發(fā)揮超硬磨料的磨削能力。 本試驗(yàn)材料采用鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料GT35，采用精密臥軸矩臺(tái)平面磨床MM7120，ELID鏡面磨削多功能高頻脈沖電源JMDMD-I型與W10、W1.5鐵基結(jié)合劑金剛石砂輪進(jìn)行ELID精密磨削加工。使用表面輪廓測(cè)量?jī)x測(cè)量鋼結(jié)硬質(zhì)合金表面粗糙度。并應(yīng)用Nanoscaping-IIIA原子力顯微鏡對(duì)鋼結(jié)硬質(zhì)合金磨削表面進(jìn)行微觀分析。 四、鋼結(jié)硬質(zhì)合金磨削表面AFM分析 1. 鋼結(jié)硬質(zhì)合金表面粗糙度分析 通常使用表面輪廓測(cè)量?jī)x檢測(cè)鋼結(jié)硬質(zhì)合金表面粗糙度，在此情況下，無法分析鋼結(jié)硬質(zhì)合金不同組成相的磨削去除方式。而采用原子力顯微鏡觀察其微觀表面形貌，可以清楚地看出不同相的去除方式

7、。 圖3是采用W1.5鐵基金剛石砂輪ELID磨削鋼結(jié)硬質(zhì)合金表面的微觀形貌。圖3a為平面圖像，圖3b為立體圖像，掃描范圍為20×20µm。由圖3b可以清楚地看出加工表面布滿一致的磨削痕跡，同時(shí)貫穿硬質(zhì)相。即使在兩相結(jié)合處，金剛石砂輪也產(chǎn)生近于相同量的切削作用。而且，光滑的加工表面由眾多排列整齊的、連續(xù)的磨削痕組成，磨削痕跡兩邊的側(cè)向隆起很少或幾乎沒有。同時(shí)，由圖3b可以看出硬質(zhì)相邊緣圓滑，其頂面呈現(xiàn)出平坦的塑性去除方式。由上述分析可知，在ELID精密磨削鋼結(jié)硬質(zhì)合金過程中，砂輪始終保持良好的切削性能，沒有呈現(xiàn)因砂輪堵塞及磨粒磨鈍而未及時(shí)脫落造成硬質(zhì)點(diǎn)呈脆性破裂的特征。由此可

8、見，在砂輪粒度很小的情況下(平均粒度為1.5µm)，采用ELID磨削技術(shù)，在整個(gè)磨削過程，磨粒切削刃能夠均勻一致地對(duì)各種組成相產(chǎn)生切削作用，保證了碳化物硬質(zhì)相以及粘結(jié)相以微小塑性剪切方式去除，同時(shí)也縮小了兩相去除速度不一致的現(xiàn)象。 圖3 ELID磨削鋼結(jié)硬質(zhì)合金AFM表面形貌2. 鋼結(jié)硬質(zhì)合金表面缺陷分析 鋼結(jié)硬質(zhì)合金是采用粉末冶金制造工藝生產(chǎn)的，合金基體組織連續(xù)和致密性不如熔煉鋼，存在較多的缺陷，如孔隙、發(fā)裂、偏析、WC和TiC不均勻聚集及出現(xiàn)碳化物“橋接”等組織缺陷，采用ELID磨削技術(shù)對(duì)鋼結(jié)硬質(zhì)合金(GT35)進(jìn)行精密鏡面磨削，可使其表面粗糙度Ra0.02µm，為采用

9、AFM分析鋼結(jié)硬質(zhì)合金的表面質(zhì)量提供必要條件。 硬質(zhì)合金分布均勻性是鋼結(jié)硬質(zhì)合金的一個(gè)主要問題，WC及TiC顆粒分布均勻，則可以充分發(fā)揮硬質(zhì)相的支撐與強(qiáng)化作用，而WC顆粒發(fā)生嚴(yán)重偏聚，則不但不能提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，而且還會(huì)由于局部區(qū)域脆性增加，裂紋易產(chǎn)生甚至擴(kuò)展。此外，由于組織相的不均勻分布，還會(huì)引起機(jī)械性能、切削加工性及可熱處理性能的嚴(yán)重降低。圖4顯示了鋼結(jié)硬質(zhì)合金裂紋的AFM掃描圖像，圖3a為其平面圖像，圖4b為其立體圖像。由圖4可以清晰看出，此處硬質(zhì)相發(fā)生了偏聚，而且裂紋發(fā)生在硬質(zhì)相與粘結(jié)相的交界處。從裂紋的寬度與深度以及斷裂方向上看，此處裂紋不是由于在磨削過程中產(chǎn)生的，而

10、為材料在粉末冶金過程中由于碳化物發(fā)生偏聚所引起。 圖4 鋼結(jié)硬質(zhì)合金表面裂紋AFM掃描圖像缺陷孔及游離態(tài)石墨的存在是鋼結(jié)硬質(zhì)合金的又一主要缺陷。一般是由在混料和壓制過程中帶入灰塵和其他臟物，導(dǎo)致燒結(jié)時(shí)形成較大尺寸的孔洞。缺陷孔與游離態(tài)石墨的存在會(huì)在鋼基體上產(chǎn)生孔洞，割裂基體，引起應(yīng)力集中，大幅度降低材料的性能。圖5顯示了缺陷孔的微觀形貌，此處孔的尺寸大致為7×7µm，遠(yuǎn)大于硬質(zhì)點(diǎn)的尺寸，由此可斷定，此孔不是硬質(zhì)點(diǎn)自鋼基體脫落而形成的。這從另一個(gè)側(cè)面證明了在磨削過程中砂輪堵塞現(xiàn)象減少。 圖5 鋼結(jié)硬質(zhì)合金表面凹坑AFM掃描圖像五、結(jié)論 通過對(duì)ELID精密磨削鋼結(jié)硬質(zhì)合金磨削機(jī)理的研究，以及通過AFM對(duì)精密磨削后