硬質合金刀具與Ti-6Al-4V鈦合金的化學性能匹配研究.pdf

1、鈦合金材料的導熱系數(shù)小、高溫化學活性大、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。本文通過理論分析與試驗研究相結合的方式,模擬和研究了切削加工鈦合金(Ti-6Al-4V)時不同硬質合金刀具材料與工件材料的溶解-擴散情況,系統(tǒng)研究了硬質合金刀具材料與鈦合金之間的化學性能相互匹配關系。最后,通過Ti-6Al-4V鈦合金的銑削實驗,驗證并分析了在切削加工Ti-6Al-4v時不同硬質合金刀具的氧化磨損和溶解-擴散磨

2、損,建立了硬質合金刀具材料與鈦合金之間的化學性能匹配關系,從而為選擇合適刀具材料切削加工鈦合金提供了依據(jù)。
　　 利用熱力學溶液理論,計算了硬質合金刀具材料中的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。通過對菲克擴散定律的分析,得到了適合硬質合金刀具材料和Ti-6Al-4V之間的元素溶解-擴散濃度表達式和擴散通量表達式。根據(jù)元素溶解-擴

3、散的濃度表達式,進一步得到了計算刀具材料和鈦合金之間各元素擴散系數(shù)的方法,從而為合理解釋和分析溶解-擴散試驗的結果提供了理論依據(jù)。同時,對硬質合金刀具材料與Ti-6Al-4V之間元素擴散的微觀機理進行了探討。
　　 利用物質吉布斯自由能函數(shù)法對硬質合金刀具材料和Ti-6Al-4V鈦合金可能發(fā)生的氧化反應進行了熱力學計算,從理論上對氧化反應能否發(fā)生及其氧化產物進行了分析。溫度為1000 K時的熱力學計算結果表明:硬質合金刀具材料和

4、Ti-6Al-4V在空氣中都能發(fā)生氧化反應,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也會被氧化并生成相應的氧化產物；鈦合金中的Ti與刀具材料中的WC會發(fā)生置換反應,生成TiC和W。
　　 選用YT5、YT15、YG6、YG6X和YG8五種硬質合金刀具材料與Ti-6Al-4V進行元素溶解-擴散試驗。通過試驗,全面分析了在相同溶解-擴散條件下不同刀具材料與Ti-6Al-4

5、V的元素溶解-擴散,系統(tǒng)考察了擴散溫度和擴散時間對元素溶解-擴散的影響。試驗表明:相同擴散條件下,YT類硬質合金刀具材料與Ti-6Al-4V之間的元素溶解-擴散程度比YG類的嚴重；Co含量多的YG類硬質合金刀具材料與Ti-6Al-4V的元素溶解-擴散程度嚴重；細晶粒的刀具材料與Ti-6Al-4V的元素溶解-擴散程度輕微；五種硬質合金刀具材料與Ti-6Al-4V之間的元素溶解-擴散劇烈程度按由大到小的順序排列為:YT15>YT5>YG8>

6、YG6>YG6X;擴散溫度對元素溶解-擴散的影響很大,溫度越高,刀具材料與鈦合金之間的元素溶解-擴散越劇烈；擴散時間對元素溶解-擴散影響表現(xiàn)為:溶解-擴散時間越長,元素的溶解-擴散深度越大,當擴散時間達到1.5 h左右時,溶解-擴散基本達到一個穩(wěn)定的狀態(tài),即使繼續(xù)延長擴散時間,元素的擴散深度增加很小。
　　 對元素擴散后的刀具材料進行了硬度測試,試驗得出:未發(fā)生溶解-擴散的刀具硬度基本沒有變化；發(fā)生溶解-擴散的刀具硬度有明顯變化

7、,在靠近擴散界面處,刀具的硬度值明顯低于其正常硬度值,遠離擴散界面一定距離后,刀具的硬度逐漸恢復至正常水平。雖然刀具材料與鈦合金之間的元素溶解-擴散深度只有幾個微米,但元素的溶解-擴散流失對刀具材料硬度的影響深度超過幾十個微米。
　　 通過五種硬質合金刀具材料的氧化試驗,系統(tǒng)研究了不同硬質合金刀具材料的抗氧化性能好壞。研究表明:溫度為800 K時,硬質合金刀具材料在空氣中開始發(fā)生氧化反應；溫度為900 K時,刀具材料中的WC已經

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

9、,實驗結果顯示:YT類硬質合金刀具的磨損程度遠遠大于YG類刀具的磨損程度,溶解-擴散磨損和氧化磨損是刀具的主要磨損機理:五種硬質合金刀具的氧化磨損程度按由強到弱的順序排列為:YT15>YT5>YG6>YG8>YG6X；切削加工過程中,鈦合金切屑容易粘結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-擴散,五種刀具材料的溶解-擴散磨損程度按由強到弱順序排列為:YT15>YT5>YG8>YG6>YG6X。
　　 通過