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硬质合金刀具扩散磨损的数值模拟及 成分优化设计 摘要 硬质合金刀具不但硬度、机械强度、弹性模量高，而且线膨胀系数小，抗 腐蚀性、耐磨性、抗氧化性好，所以它是当代最广泛应用的一种刀具材料。目 前硬质合金刀具几乎覆盖了所有刀具的品种，进一步取代高速钢刀具。随着材 料科学与制造技术的发展，硬质合金刀具的性能得到了很大的改善，特别是近 十几年来，涂层技术等的迅速发展，。技硬质合金刀具的性能有了重大的改善， 应用范围日益广大。 在硬质合金刀具切削难加工材料( 如高温铡、不锈钢) 时，由于切削力很大， 在切削过程中，被切削材料产生了较大的塑性变形，刀具与工件间存在着较大 的摩擦，因此产生大量的切削热，由于难加工材料的导热系数低，大部分切削 热集中在切削区，使得切削温度急剧升高。由于切削力大、切削温度高，这就 为刀具与工件之间发生扩散磨损创造i 条件。 针对硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢粘刀现象严重的问题，利用热力学软 件t h e r m o c a l c 中的t c c 模块和d i c t r a 模块模拟了硬质合金刀具与被切削工 件之间发生的原子扩散。主要对f e c o 、c r - c o 、n i c o 、m n c o 、元素之间的相 互扩散以及c 在刀具表面的富集情况进行数值模拟。证实了刀具与工件之间发 生的原子间相互扩散是发生粘刀现象的主要原因。 针对硬质合金在烧结时w c 晶粒容易长大导致合金的综合性能下降的问 题，通过添加晶粒抑制剂可以有效地抑制晶粒长大。找出了不同抑制剂n b c 、 t a c 、v c 、c r 3 c 2 、t i c 细化细粒的效果，并且说明了添加不同抑制剂时对硬质 合金物理机械性能的影响，从硬质合金材料的角度找出提高硬质合金刀具机械 性能的方法和规律。 采用混合粒度的方法制备硬质合金是目前刀具材料方面新的发展方向。在 实验室条件下，制各出的混合粒度硬质合金试样在物理机械性能上都明显优于 单一粒度的试样，并根据晶体的致密度原理找出两种不同粒度w c 粉末搭配的 百分配比。通过扫描电镜分析国内外著名品牌的刀具材料，发现这些刀具材料 之所以性能优越，一一个很重要的原因就是采用了混合粒度的制备方法。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 通过通用多功能数理统计和数学模型处理软件系统- d p s ( d a t ap r o c e s s i n g s y s t e m ) 软件，利用回归分析的方法，分析了添加抑制剂时硬质合金试样的w c 含量、n b c 含量、抗弯强度、硬度、密度、晶粒度等参数之间的相互影响作用， 有助于合理地进行合金优化设计，在今后试验中进一步提高硬质合金的综合性 能。 关键词1 1 1 e r n l o c a l c & d i c t r a ；扩散磨损；晶粒抑制剂：混合粒度；统计学 软件d p s 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd i f f u s i o n f a i l u r eo fc e m e n t e dc a r b i d ea n d o p i t i m i z e dd e s i g no fc t t i n gt o o l s c o m 【p o s i t i o n a b s t r a c t i h ec e m e n t e dc a r b i d eh a sa d v a n t a g e so fh i g hh a r d n e s s r e s i s t a n tt oe l e v a t e d t e m p e r a t u r e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n ta n dg o o dw e a r r e s i s t a n c ew h i c hi s ac u t t i n gt o o l w i d e l yu s e d n o wh a r da l l o yc u t t i n gt o o l si n v o l v e da l lk i n d so fc u t t i n gt o o l sa n dt a k e t h ep l a c eo fh i g h - s p e e ds t e e l s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a ls c i e n c ea n d p r o d u c i n gt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to fc o a t i n gt e c h n o l o g y , t h e p e r f o r m a n c eo fc u t t i n gt o o l sh a sb e i n gi m p r o v e d w h e nc e m e n t e dc a r b i d ec u t t i n gh i 出t e m p e r a t u r es t e e l so rs t a i n l e s ss t e e l s ， c u t t i n gf o r c ei sh i g ha n dt h ew o r k p i e c eh a sh i g hp l a s t i cd e f o r m a t i o n t h e r ea r eh i 曲 f r i c t i o na n dc u t t i n gh e a tb e t w e e nt o o l sa n dw o r k p i e c e s s i n c et h et h e r m a lc o n d u c t i o n m o d u l u si sl o wa n dt h ec u t t i n gh e a fc o n c e n t r a t ei n c u t t i n ga r e a ，t h ec u t t i n g t e m p e r a t u r er a i s er a p i d l y s ot 1 1 eh i g hc u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gt e m p e r a t u r ep r o v i d e 。! c o n d i t i o no fd i f l u s i o nf a i l u r e a c c o r d m g t h a tt h ef a c tt h a ts t i c k i n go fc u t t i n gt o o l si ss e r i o u sw h e nu s i n gt h e h a r da l l o yc u t t i n gt o o l st oc u ta u s t e h i t en o n c o r r o s i v es t e e l s t h i sa r t i c l eu s et h e d i c t r am o d u l ei nt h e r n l o d v n a m i cs o f t w a r et h e r m o - c a l et os i m u l a t et h ea t o m d i f f u s i o nb e t w e e nt h eh a r d a l l o yc u t t i n g t o o l sa n dc u tw 0 r k - p i e c e a t o m i n t e r - d i f f u s i o n sa r es i m u l a t e db e t w e e nf e c o 、c r - c o 、m n c o 、n i c oa n d 也e b e n e f i c i a t i o no fco nt h es u r f a c eo ft h ec u t t i n gt o o l s ，t h ec o n c l u s i o nt h a ta t o m i n t e r - d i f l u s i o nh e t w e e nt h ec u t t i n gt o o l sa n dw o r k - p i e c ei st h ep r i m er e a s o no f s t i c k i n go fc u t t i n gt o o l si se x p l a i n e d a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c e so f h a r da l l o yc u t t i n gt o o l sd e c l i n i n gb yt h eg r a i n o fw c g r o w i n gr a p i d l y , a d d i n gg r a i ni n h i b i t o r sc a nr e s t r a i nt h eg r o w i n go ft h eg r a i n r e s t r a i n i n ge f f e c t so f n b c 、1 a c 、v c 、c r 3 c 2 、t i ca l ef o u n do u ta n d t h ei n f l u e n c e s 堕垒堡塞三查兰三耋堡圭兰堡鎏塞 t ot h em e c h a n i c a la n dp b y s i c a lp r i o r i t i e sb yu s i n gg r a i ni n h i b i t o r sa r ee x p l a i n e d t h e m e t h o d sa n dr u l e so fi m p r o v i n gp e r f o r m a n c e so fc e m e n t e dc a r b i d ef r o mt h ea s p e c t o fm a t e r i a l so fc u t t i n gt o o l sa r ei l l u s t r a t e d t h ea d o p t i o no ft h em e t h o d so fm i x e d g r a i n i n g i san e wd i r e c t i o no f d e v e l o p m e n t i n c u r i n g t o o l s u n d e rt 1 1 ec o n d i t i o no ft h el a b o r a t o r y , t h e m i x e d - g r a i n i n gc u t t i n gt o o l s a l ep r e p a r e dw h o s ep e r f o r m a n c e sa r em o r ee x c e l l e n t t h a nt h es i n g l eg r a i nc u t t i n gt o o l s ，a n dh o wt oa r r a n g et h et w od i f f e r e n tg r a i l t s t o g e t h e rb yu s i n gc o m p a c t i o np r i n c i p l ei s f o u n do u t ，a f t e rr e s e a r c h i n go nt h ef i v e f a m o u sh a r da l l o yc u t t i n gt o o l s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ep e r f o r m a n c e so f t h e s et o o l si s e x c e l l e n tb yu s i n gm i x e dg r a i n s b yu s i n gt h e s o f t w a r e - d a t ap r o _ e e s s i n gs y s t e ma n dm e t h o do fr e g r e s s i n g a n a l y s i s ，t h er e l a t i o n s h i p s a r ef o u n do u tb e t w e e nt h ec o m p o s i t i o no fw c ， c o m p o s i t i o no fn b c ，吼，h a r d n e s s ，d e n s i t ya n dg r a i ns i z eo f h a r da l l o yc u t t i n gt o o l s ， a n dt h eo p t i m i z i n gd e s i g n so fa l l o y sr e a s o n a b l ya r ep r o v e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c e s o fc e m e n t e dc a r b i d ei nt h el a t e re x p e r i m e n t sa r ei m p r o v e d k e y w o r d s t h e n n o c a l c & d i c t r a ；i 。, d i f f u s i o nf a i l u r e ；g r a i ni n h i b i t o r ：m i x e d g r a i n s ；d p s i v - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 ：、人郑j 叵声 叭此处所提交的硕士学位论文硬质合金刀具扩散縻损的数仇 模拟及成分优化没汁，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻滇硕：p 学位 期间独立进行研究： 作所取得的成果。据本人所知，论文巾除已注明部分外不包 禽他人已发表或撰丐过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 i i 存史小： j 确，j l 泞明。本声明的法律结戳将完全山本人承担。 化一箍名： 蚕 寿甬 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 蛳西质介金7 j f 坤、。散脐损的数值模拟及成分优化设汁系本人在哈尔滨_ f _ f i t1 ： 夫学攻绩顺卜学化j f 川间在导师指导下完成的硕，i4 学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨哪一r 人学所有，本沦文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完个 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向订荚部 门提交沦文和巾了版本，允许论文被奄阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采川! 拙l 、缩印! ，妣他复制手段保存论文，可以公靠论文的全部或部分内容。 本学能论文腻下 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密回。 ( i 甫竹以! ? _ _ l j 虹力框内打4 ) 导师签名 孝一桶 翮遂 同；嬲：2 0 0 6 年3 月3r 7 同期：2 0 0 6 年3 月3 同 哈尔滨理 大学工学硕+ 学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 硬质合金是以难熔的金属碳化物( w c 、 t i c 等) 为基体，以铁族金属为粘结 剂，用粉末冶金方法制造的一种多相组合材料。硬质合金是在本世纪2 0 年代问 世的。1 9 2 3 年德国人k s c h r o t e r 用粉末冶金的方法研制成w c - c o 硬质合金，并 以专利形式公告于世；1 9 2 6 年德国克虏伯( k r u p p ) 公司开始生产并以商标“维迪 亚”( w i d i a - n ) 出售w c c o 硬质合金。随后，欧美、苏联和日本相继研制和生产 了硬质合金。我国的硬质合金工业发展较晚，近年来产量和品种不断提高，现 在已经成为世界上主要的工业生产国家之一。 硬质合金的特点是：( 1 ) 硬度高，耐磨性好。( 2 ) 机械强度高。( 3 ) 弹性模量高。 ( 4 ) 耐腐蚀性和抗氧化性好，耐酸、耐碱。( 5 ) 线膨胀系数小，导电率和导热率与 铁和铁合金相近。由于硬质合金上述的特点，使得它在现代工具材料、耐磨材 料、耐腐蚀和耐高温材料等方面占据着重要地位。硬质合金的出现，引起了金 属切削加工工业的技术革命，它被看作是工具材料发展中，继碳素工具钢和高 速钢之后的第三阶段的标志“一。 1 2 硬质合金刀具材料发展现状及趋势 硬质合金是很受欢迎的一种刀具材料。它所切下切屑的比重高达6 8 以上。 有的国家有9 0 以上的车刀，5 5 以上的铣刀都采用了硬质合舍制造，而且这 种趋势还在增加。它还是制造钻头、端铣刀等通用刀具的常用材料。同时，铰 刀、立铣刀、加工硬齿面的中、大模数齿轮刀具、拉刀等复杂刀具使用硬质合 金的也日益增多。 我国常用的硬质合金为碳化钨( w c ) 基硬质合金。随着生产发展的需要，近 些年来，又出现了碳化钛( ，n c ) 基硬质合金、超细晶粒硬质合金、表面涂层硬质 合金等新品种。下面分别介绍各类硬质合金刀具材料的发展与应用“1 。 1 2 1 碳化钨基硬质合金 碳化钨基硬质合金主要有钨钻( w 叫o ) 类硬质合金( y g ) 、钨钛钴 ( w ( i 琊c c o ) 类硬质合金( y i ) 、钨钛钽( 铌) 钴( w c i _ m c 砀c ( n b c 卜o ) 类 i 哈尔滨理工大学t 学硕+ 学位论文 硬质合金( y w ) - - 类，它们各有优缺点，但其主要成分均为w c 。 y g 类合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料，与y t 类合金相比， 有较高的抗弯强度和冲击韧性，同时导热性较好。y t 类合金适合于加工塑性材 。 料如钢材。y t 类合金具有较高的硬度，特别是较高的耐热性。高温时的硬度和 抗压强度比y g 类高，抗氧化性能好。另外，n i 钢材时，y t 类合金有很高的 耐磨性。但y t 类不宜于加工钛合金、硅、铝合金。y w 类合金兼具y g 、y t 类合金的大部分最佳性能，它既可用于加工钢料，又可用于加工铸铁和有色金 属，常被称为通用合金。 1 2 2 碳( 氮) 化钛基硬质合金 碳( 氮) 化钛( t i c 0 0 ) 硬质合金通常是以t i c 为主要成分的t i c - n i m o 合金。 这类合金具有硬度高( 一般可达9 1 9 3 5 h r a ，个别的为9 4 9 5 h r a ，达到了 陶瓷刀具的硬度水平) 、耐磨性好和理想的抗月洼磨损能力，高速切削钢料时有 较低的磨损率。此外，它还有较高的抗氧化能力、耐热性好( 1 l o o 1 3 0 0 高温 下尚能进行切削) 、化学稳定性好等优点。t i c 0 田基硬质合金具有接近于陶瓷的 硬度和耐热性，但抗弯强度却比陶瓷高得多，可用来制作高速精加工用的刀具 材料，填补了w c 基硬质合金与陶瓷材料之间的空白。它不仅用作精加工，而 且也扩大到半精加工、粗加工和间断切削o ，。 1 2 3 超细晶粒硬质合金 超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度兼备的硬质合金。硬质合金通过 晶粒细化可以改善其切削性能。超细硬质合金晶粒极细( 小于0 5 t t r a ) ，它具有硬 质合金的高硬度和高速钢的强度。超细晶粒硬质合金适合于在高速钢刀具耐磨 性不够及由于振动引起传统的硬质合金磨损或因切削速度过低而不宜使用传统 硬质合金的情况下使用。对于一些涂层刀片不能发挥其优越性的情况下，这种 材料更能显示其独特的效果。因其具有高的硬度、强度和耐磨性，与加工材料 的相互吸附扩散作用也较小，适用于加工航空工业的超级合金、耐热合金、 高强度合金和其他难加工材料。许多新牌号硬质合金用于加工喷涂( 焊) 件都取得 了很好效果。此外，还可以用于低速切削和精密刀具”。 1 2 4 涂层硬质合金刀具 在韧性较好的硬质合金基体上，通过c v d ( 化学气相沉积) 、p v d ( 物理气相 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 沉积) 、h v o f h 1 ( h i g hv e l o s i t y o x yf u e lt h e r i a ls p r a ) r i n g ) 等方法涂覆一层很薄 的耐磨合属化合物，可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金 刀具的综合性能。它是提高刀具材料耐磨性而不降低其韧性的有效途径之一， 也是解决刀具材料发展中的一对矛盾( 材料硬度和耐磨性愈高，强度及韧性就愈 低) 的很好方法。涂层硬质合金刀具有比基体更高的硬度及耐磨性，有高的耐热 性( 可达8 0 0 1 0 0 0 ) 。如在常温时的硬度为h v 2 0 0 0 ，在1 0 0 0 时仍能保持 h v l 0 0 0 ，而未涂层硬质合金却下降到h v 5 0 0 。涂层硬质合金刀具比未涂层硬质 合金耐用度高( 一般可提高l 3 倍，高的可达5 l o 倍) ，切削速度高，进给量 及切削深度大。涂层硬质合金的另一优点是通用性广，一种涂层刀片可代替几 种非涂层刀片使用，因而可大大减少硬质合金品种和库存量，简化刀具管理和 降低刀具成本。 我国于7 0 年代初就开始研究涂层刀片，至1 9 9 2 年，先后开发出一系列涂 层硬质合金刀具，见表1 1 呻“。 表1 - 1 国产涂层硬质合金刀具结构与性能 t a b l e1 - lt h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo f c o a t i n gh a r dc u t t i n gt o o l s 涂层厚度表面硬度粘结强度 牌号涂层材料颜色 ( p m ) 0 - i v ) ( 1 c g ) c n l 5舢l o1 9 0 0 2 4 0 0 c n 2 5 t 4 1 0 。1 9 0 0 - 2 2 0 0 均为金 c n 3 5 t i c - t i ( c h 0 - t i v 4 - l o1 9 0 0 2 2 0 0 黄色 c n l 64 83 0 0均为3 - 5 c n 2 64 - 83 0 0 c n l 54 82 8 0 0 c n 2 5 t i c - a 1 2 0 3 灰黑色 4 82 8 0 0 1 2 5 稀土硬质合金 稀土硬质合金具有独特的化学性能，是用途极广的合金添加剂，其氧化物 是优良的弥散强化剂。在硬质合金中添加稀土元素可以定程度上抑制w c 晶 粒的不均匀长大从而强化合金。提高其性能。稀土元素是指化学元素周期表中 的原子序数5 7 7 1 ( 从l a 到l u ) ，再加上2 l 和3 9 ( s c 和共十七种元素。据原 东德专利介绍，往硬质合金粘结剂中添加0 2 c e 混合金属，其抗弯强度提高 2 0 ，并使合金具有极高的硬度、韧性和极好的耐磨性。在y t l 4 、y w l 硬质 合金中加入c e 、y 等稀土元素后，形成了稀土硬质合金y t l 4 r 、y w l r 。y t l 4 r 用于铸铁和有色金属的半精加工；y w l r 则为通用牌号，可用于各种工件材料 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 的半精加工。经过测试，在添加稀土元素前后，硬质合金的机械、物理性能列 于表1 2 中“”。由表可见，添加稀土元素后硬质合金的组织比较致密，室温硬度 有所改善；断裂韧性显著提高，分别提高2 0 和1 0 以上“。 表1 2y t l 4 和y t l 4 r 、y w i 和y w i r 的机械、物理性能对比 t 曲l el - 2t h ec o n t r a s tb e t w e e ny t l 4a n dy t l 4 r 、a n dy w l r 牌号 密度( g ，c m 3 ) 抗弯强度( m p a )室温硬度( h r a ) y t l 41 1 5 31 4 7 99 0 8 y t l 4 r1 1 5 91 7 2 69 1 o y w l1 3 2 71 3 7 99 2 1 y w l r1 3 2 81 5 5 99 2 5 1 2 6 钢结硬质合金 钢结硬质合金是以钢为粘结剂，以硬质化合物作为硬质相，通过粉末冶金 方法制成的一种钢基复合材料。其组织特点是硬而耐磨的硬质相均匀分布于钢 基体中，钢基体赋予合金广泛的工艺特性，而硬质相则使得合金的硬度和耐磨 性大幅度提高，这样，钢结硬质合金就兼有了硬质相和钢的优点，其综合性能 处于普通硬质合金和钢之间，填补了他们之间的空白“”。 1 2 7 高韧性硬质合金， 日本采用独特的制造方法研制出一种硬度与韧性兼优的新型硬质合金刀具 材料k 3 1 3 。由于制造过程中尽量使合金粉细化，再通过热压烧结从而得到无气 泡、高密度、组织致密的k 3 1 3 合金。该合金有很高的硬度( 9 3 h r a ) 和韧性，抗 弯强度高达3 0 9 6 8 m p a 。性能优于日本工业标准( j i s ) 的p 种和k 种硬质合金以 及超细硬质合金。试验证明，在相同的切削加工条件下，k 3 1 3 合金刀具刀具寿 命高于普通超细合金、金属陶瓷、涂层工具等材料，而且在提高切削速度、加 大进给量等方面也优于陶瓷、c b n 和金刚石刀具2 “。 1 3 刀具破损机理 1 3 i 硬质点磨损 这主要是由于工件材料中的杂质、材料基体组织中所含的碳化物、氦化物 和氧化物等硬质点以及积屑瘤的碎片等所造成的机械磨损，他们在刀具表面上 划出一条条沟纹。各种切削速度下的刀具都存在硬质点磨损，但是它是低速钢 刀具磨损的主要原因。因为此时切削温度较低，其他各种形式磨损还不显著。 般认为，由硬质点磨损产生的磨损量与刀具和工件相对滑动距离或切削路程 成正比。 1 3 2 粘结磨损 粘结是指刀具与工件材料接触到原子间距离时所产生的结合现象。它是在 摩擦面的实际接触面上，在足够大的压力和温度下，产生塑性变形而发生的所 谓冷焊现象，是摩擦面塑性变形所形成的新鲜表面原子间吸附力所造成的结果。 两摩擦表面的粘结点因相对运动，晶粒或晶粒群受剪或受拉而被对方带走，是 造成粘结磨损的原因。 粘结磨损在两材料接触面上。不论在软材料一边，还是硬材料一边，都可 能发生一般来说，粘结点的破损多发生在硬度较低的一方，即工件材料上。 但刀具材料往往有组织不均匀、存在内应力、微裂纹以及空隙、局部软点等缺 陷，所以刀具表面也常常发生破裂而被工件材料带走，形成粘结破损。高速钢、 陶瓷刀具、立方碳化硼和金刚石刀具都会因粘结而发生磨损。硬质合金的晶粒 大小对粘结磨损地速度影响很大，刀具材料与工件材料相互粘结时的温度对粘 结磨损剧烈程度影响很大。其他因素如刀具、工件材料的硬度比，刀具表面形 状与组织，以及切削条件和工艺系统刚度等，都影响粘结磨损。 1 3 3 扩散磨损 由于切削时的高温，而且刀具表面始终与被切出的新鲜表面相接触，有巨 大的化学活泼性，所以两摩擦面的化学元素有可能相互扩散到对方中去，因而 使两者的化学成分发生变化，削弱刀具材料的性能，加剧磨损过程。扩散磨损 随切削温度升高而增加。对一定的刀具材料，随温度上升，扩散速度开始增加 较慢，然后越来越快。不同元素的扩散速度是不同的，因而扩散磨损剧烈程度 与刀具材料的化学成分关系很大此外，扩散速度还与切屑底层在刀具表面的 流动速度有关，也就是和切屑流过前刀面的速度有关。流动速度慢，扩散速度 也慢。图1 1 是w c c o 类硬质合金的扩散磨损表明碳化钨w c 和钴c o 已融解 溶解在钢的表层中，而该表层在界面上也已经熔化。图中，上层是钢，下层是 硬质合金，中层白色的是熔化层，它是处于局部熔化的区域之中，w c 晶粒就 哈尔滨理仁大学t 学硕七学位论文 被包围在其中。由于前刀面上的月牙洼处温度较高，故扩散速度高，磨损快。 同时由于温度上升到一定程度就发生粘结，因此扩散磨损和粘结磨损往往同时 发生，极易形成月牙洼。 图l - lw c - c o 类硬质合金的扩散磨损 f i g 1 - lt h ed i f f u s i o nf a i l u r eo f w c c o c e m e n t e dc a r b i d e 1 3 4 化学磨损 化学磨损是在一定温度忑，刃具材料与某些周围介质( 如空气中的氧，切削 液中的极压添加剂硫、氯等) 起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合 物，而被切屑带走，加速刀具磨损：或者因为刀具材料被某种介质腐蚀，造成 刀具磨损。 刀具正常磨损主要有硬质点磨损、粘结磨损、扩散磨损和化学磨损等，他 们之间还有相互作用。对于不同的刀具材料，在不同的切削条件下，加工不同 工件材料时，其主要磨迥原因可能属于其中一，二种 4。， ， 1 4 计算机科学在材料科学中的应用 随着材料科学研究的深入和广泛的生产应用，使材料科学在指导工业生产 中占有越来越重要的地位。计算机模拟技术的出现，为材料科学研究和生产提 供了新的发展工具，把材料科学的发展速度提高到新阶段。计算机模拟技术的 介入使得试验条件大为改观，精确的试验数据、即时的数据分析及反馈和立即 指导现场等特点，给材料科学的研究和工程生产带来了极大的方便。而且，随 着科学技术的不断进步，人们对功能材料性能的要求越来越高，尤其是超细晶 粒性能的青睐，使得计算机模拟技术在材料设计中发挥了巨大潜力，应用越来 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 越广泛，计算机模拟技术在材料科学中占有重要的地位” 1 4 1 材料的合成和制备与计算机模拟 无论是对现有材料的合成与制备过程的改进，还是对新材料合成与制备的 研究，仍然在很大程度上需要参照现有同类材料的合成与制备经验这就使得各 类材料的数据库，特别是各种材料的化学和物理化学性质的数据库显得非常重 要。例如，一种新陶瓷材料的合成，一种新型晶体材料的生长，如果能得到有 关相图方面的信息，就可以大大减少工作中的盲目性，减少工作量。这时，计 算机及其相关技术就成为必不可少的工具，依据材料科学的知识系统，将大量 丰富的实验与模拟计算资料贮存起来以形成综合数据库。目前，各国的材料研 究机构已经建立了许多不同类型的数据库，如合金系相图，晶体结构参数和物 理性质、相和组织的力学性能图等。材料设计是研究材料的合成和制备问题的 最终目标之一咖。 1 4 2 材料的组成和结构与计算机模拟 现今材料的组成和结构表征研究主要采用各种大型分析设备进行，例如扫 描电镜( s e m ) 、透射电镜( t e m ) 、分析电镜( a e m ) 、扫描探针显微镜( s p m ) 等； 各种谱仪如可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、原子吸收光谱、等离子体发射光 谱、荧光光谱等；各种衍射仪如x 射线衍射、电子衍射、中子衍射等嘲。这些 大型分析设备几乎无一例外地是在计算机的控制之下完成分析工作的。这些分 析设备提供有不同的分析模拟软件以及相应的数据库，而且这些分析模拟软件 的功能非常强大，大大减轻了数据处理的工作量，可以给出能够直接用于发表 的各种图表。 1 4 3 材料性能测试和分析与计算机模拟 材料性能的测定大多使用专门的测试设备和仪表。有时为了测定某些较为 特殊的性能，也常用一些通用的测试设备和仪表组成比较复杂的测试系统。在 组建的测试系统中，如果使用计算机来控制整个系统，使其协调运行，进行数 据采集和数掘处理，通常都能使整个系统的功能得到飞跃性的增强。计算机化 的材料性能测试系统( c a t 系统) 是提高材料研究水平的重要手段1 。由于计算机 灵活的编程方式，强大的数据处理能力和很高的运算速度，使得c a t 系统可以实 现手动方式不能完成的许多测试工作，提高了材料试验研究的水平和测试的精 度。在材料性能分析方面，计算机的应用也非常广泛。 1 5 改善刀具性能的方法 由于硬质合金刀具材料的耐磨性和强韧性不易兼顾，因此使用者只能根据 具体加工对象和加工条件在众多硬质合金牌号中选择适用的刀具材料，这给硬 质合金刀具的选用和管理带来诸多不便。为迸一步改善硬质合金刀具材料的综 合切削性能，目前的研究熟点主要包括以下几个方面： 1 5 1 细化晶粒 通过细化硬质相晶粒度、增大硬质相晶间表面积、增强晶粒问结合力，可 使硬质合会刀具材料的强度和耐磨性均得到提高。当w c 晶粒尺寸减d , n 亚微 米以下时，材料的硬度、韧性、强度、耐磨性等均可提高，达到完全致密化所 需温度也可降低。普通硬质合金晶粒度为3 5 p , m ，细晶粒硬质合金晶粒度为 l 1 5 p , m ( 微米级) 超细晶粒硬质合金晶粒度可达o 5 1 t m 以下( 亚微米、纳米级) 。 常用的晶粒细化工艺方法主要有物理气相沉积法、化学气相沉积法、等离子体 沉积法、机械合会化法等。由于上述晶粒细化工艺方法仍不够成熟，因此在硬质 合金烧结过程中纳米晶粒容易疯长成粗大晶粒，而晶粒普遍长大将导致材料强 度下降，单个的粗大w c 晶粒则常常是引起材料断裂的重要因素。另一方面，细晶 粒硬质合金的价格较为昂贵，对其推广应用也起到一定制约作用”。 1 5 2 表面、整体热处理和循环热处理 对强韧性较好的硬质合金表面进行渗氮、渗硼等处理，可有效提高其表面 耐磨性。对耐磨性较好但强韧性较差的硬质合金进行整体热处理，可改变材料 中的粘结成分与结构，降低w c 硬质相的邻接度，从而提高硬质合金的强度和 韧性。利用循环热处理工艺缓解或消除晶界间的应力，可全面提高硬质合金材 料的综合性能” ” h7 1 5 3 添加稀有金属 在硬质合金材料中添加t a c 、n b c 等稀有金属化物，可使添加物与原有硬 质相w c 、t i c 结合形复杂固溶体结构，从而进一步强化硬质相结构，同时可起 到抑制硬质相晶粒长大、增强组织均匀性等用，对提高硬质合金的综合性能大 有益处。在o 标准的p 、k 、m 类硬质合金牌号中，均有这种添了t a ( n b ) c 的硬 8 - 针对硬质合金在烧结时w c 晶粒容易长大导致合金的综合性能下降的问 题，通过添加晶粒抑制剂可以有效地抑制晶粒长大。此外，通过研究分析文献 和国内外知名的硬质合金刀片发现采用不同粒度的w c 混合制备硬质合金刀 片，在各个方面都具有优异的性能，因此根据现有的不同粒度的w c 粉末，设 计了将两种粒度w c 粉末混合制备硬质合金的方案，经过物理性能测试，性能 良好。 根据添加抑制剂的硬质合金试样的各项指标和混合粒度硬质合金试样的各 项指标，通过统计分析软件d p s ( d a t ap r o g r e s s i n gs y s t e m ) 数据处理系统，利用 均匀设计方法分析各个指标之间的相互影响关系，有助于合理进行刀具材料的 优化设计。最后，通过扫描电镜分析了国内外知名硬质合金刀片的成分和性能， 分析其性能优越的主要原因。 1 7 课题来源及研究内容 本课题来源于黑龙江省重大科技攻关项目，大型复杂零部件用现代刀具系 列产品化与开发研究。本文主要工作内容如下： 1 通过热力学软件t h c r m o - c a l c 中的t c c 模块和d i c l l 认模块模拟了硬 质合金刀具与被切削工件之间发生的原子扩散。找出f c c o 、c r - c o 、n i c o 、 m n - c o 元素之间的相互扩散规律，以及c 在刀具表面富集情况的规律。 2 通过添加晶粒抑制剂抑制硬质合金w c 晶粒的长大，以及将不同粒度 w c 粉末混合制备硬质合金试样，从而改善硬质合金刀具的机械性能。 3 通过冲击韧性试验、扫描电镜检测分析了z p 2 0 、日立c y 2 5 0 1 、t g s l 3 、 y t l 4 平刀片、z k 2 0 u f 等刀片的基体成分、涂层成分、组织结构，通过与自制 的硬质合金试样性能进行对比，分析其性能优越的主要原因。 4 利用均匀设计d p s 数据处理系统，在实验的基础上对合金成分进行了 堕玺鎏翌三奎兰：耋璧圭兰警丝耋 均匀设计，可以有效地分析出合金成分、密度、抗弯强度、硬度、晶粒度之间 的相互影响关系，有助于合理地进行合金设计，在今后试验中进一步提高硬质 合金的综合性能。 芝兰堡耋：奎兰三：竺：竺兰兰 第2 章硬质合金刀具扩散磨损的数值模拟 2 1 引言 硬质合金刀具的切削部位承受着很高的应力与温度，刚切出的切屑底面与 工件表面是一个化学活泼性很强的“新鲜”表面；而刀具表面的氧化层或其它吸 附层，在切削过程中会逐渐被磨擦去，因此在刀具与工件材料之间造成了粘结 与扩散等相互作用的条件。其结果是刀具容易磨损，般只能切削几十分钟至 几十小时。磨钝的刀具会影响加工表层质量，磨损的快慢影响生产率与成本， 所以研究刀具磨损的机理及规律具有重要的意义。本文论述了使用热力学软件 t h e r m o c a l c 模拟硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢时，工件与刀具之间的相互扩 散过程，对工程实际有一定的意义。 ， ， 2 2 试验材料及方法 实验材料：被加工材料为1 c r l 8 n i 9 ，刀具材料为y w 2 ，其成分如2 - 1 、2 所示： 表2 - 1i c r l s n i 9 切削前的成分 元素 cs im nspc rn i f e 卣分含阜 o 1 21 o2 o o 0 30 0 3 51 7 o 1 9 o8 0 - 1 1 o6 6 8 2 7 1 8 2 表2 - 2y w 2 切削前成分 t a b l e2 - 1t h ec o n t e n to f y w 2b e f o r ec u t t i n g 成分w c c ot i c i t a c n b c 白分含阜8 2 - 8 386l3 - 4 采用牌号为y w 2 的硬质合金刀具切削钢号为1 c r l 8 n i 9 的奥氏体不锈钢。 在切削过程中，粘刀现象非常严重。几乎每次切出后，前刀面上都粘有切屑， 下一次切入时切屑有时会与少量的被粘连的刀具材料一同被剪切掉这样经过数 次地反复，在前刀面接近月牙洼处开始破损。特别是在已破损的新鲜表面上粘 焊现象更严重，切屑条件逐渐恶化，最终导致崩刃。此外，在硬质合金和切屑 之间可以看到一层黑色的富碳层。 ：玺篓! ：奎耋三耋堡：茎竺篓耋 2 3 数值模拟 利用t h e r m oc a l c 软件系统，通过d i c t r a 软件进行非平衡计算，从而模 拟扩散控制的相变过程。图2 一l ，2 分别是t h e r m oc a l c 软件系统的界面和d i c t r a 的模型 3 6 - 3 ”。 图2 1t h e r m o - c a l c 相关的软件， 数据库及界面 f i g 2 - 1t h e r m o - c a l cr e l a t e ds o r w a r e 、 d a t a b a s e sa n di n t e r f a c e s 图2 - 2d i e t r a 模块 f i g 2 - 2m o d e l si nd i c t r a t h e r m o ( a l e 软件系统是基于c a l p h a d 方法，由瑞典皇家工学院的 b o s u n d m a n 等人编写，包括了欧洲共同体热化学科学组( s g t e ) 共同研制的物质 和溶液数据库，热力学计算系统和热力学评估系统的大型热力学计算软件( 图 2 - 1 ) 。目前它可处理4 0 个组元体系的热力学计算。其数据库主要包括含有优化 的2 0 0 多个体系的溶液数据库( s s o l ) ，含有3 0 0 0 多种化合物热力学参数的s s u b 数据库，专用计算钢铁材料相图和热力学性质的数据库( f e d a t 、t c f e ) 以及计 算铁液和炉渣的数据库( s l a g ) 等，从而基本满足了对铁基材料进行分析评价的 要求。t h e r m o c a l c 不仅适用于各种热力学体系的平衡计算，而且可以通过 d i c t r a 软件进行非平衡计算，从而模拟扩散控制的相变过程。d i c t r a 软件 中的模拟过程基于多组元扩散方程的数值计算，目前，只适用于解决简单几何 形状( 包括平面形、圆柱形和球形) 的多组元系统中的扩散问题。d i c t r a 软件的 基本结构见图2 2 ，可以看出d i c l r i 认软件中的热力学参数来自于t h e r m o c a l c ， 而迁移率作为扩散参数储存于自身的m o b 数据库中，结合迁移率和有关的热 力学参数便可计算与温度和浓度有关的扩散系数。此外，中不同的模型都基于 哈尔滨理t 大学丁学硕十学位论文 解多元扩散方程而建立，除单相模型之外所有的模型都需使用t h e r m o - c a l c 中 的相平衡计算，而针对不同的扩散问题可采用不同的模型加以解决。例如，采 用单相模型( o n ep h a s em o d e l ) 可解决合金均匀化及钢的渗碳和脱碳问题；采用胞 模型( c e l lm o d e l ) 可以讨论不同类型颗粒的溶解过程；而采用协同长大模型 ( c o o p e r a t i v eg r o w t hm o d e l ) 贝l j 可对二元或多元系中珠光体的长大过程进行分析。 目前，世界已有越来越多的企业和科研院所利用t h e r m o c a l c 软件系统开发新 材料，建立和完善材料设计的数据库1 。 2 3 1 金属元素在刀具中的扩散 硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢时，切削温度常达到8 0 0 以上，自8 0 0 开始，刀具与工件之间发生扩散磨损，硬质合金中的c o 等元素会扩散到切屑 中去而被带走；而工件中的f e 、c r 、n i 、m n 会向硬质合金中扩散。钴作为硬 质合金中的粘结剂，在4 1 7 以上的相结构是f c c