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刘舜尧
(中南大学机电工程学院，长沙410083)
摘　要：利
用扫描电镜与金相观察等分析方法，研究了碳化钛高锰钢结硬质合金在焊接和使用过程中产生裂纹与碎片的成因。结果表明，当硬质相(TiC)之间的粘结相成分
Mn，Fe等元素含量偏低时，则粘结相的相对含量明显减少，粘结效果变差，致使硬质相在烧结过程中发生邻接和聚集长大，晶粒出现不均匀粗化，导致合金微区
强韧性降低，在焊接应力(或外力)作用下容易产生微裂纹，若应力(或外力)进一步增大或作用时间延长，微裂纹将迅速扩展形成宏观裂纹进而脆裂成碎片。提出
了在烧结过程中避免粘结相挥发、流失及硬质相邻接长大的工艺措施，以改善合金的组织与性能，防止产生裂纹与碎片。
关键词：碳化钛；高锰钢结硬质合金；碎裂成因
钢
结硬质合金是利用粉末冶金方法制取的既具有钢的强韧性、又具有金属陶瓷高硬度的新型材料，碳化钛高锰钢结硬质合金即是世界各国材料专家广泛开展研究与开发
应用的一种钢结硬质合金，我国常用牌号有TM52和TM60。近些年来，这类钢结硬质合金的应用范围在不断扩大，制品的形式也在不断增多。由于其产品在焊
接中常产生焊接裂纹，使用过程中常崩裂成碎片，影响产品的质量和使用寿命，造成严重的经济损失。作者采用扫描电镜微区能谱成分分析、断口形貌扫描以及微观
金相组织分析等方法，对产生裂纹与碎片的合金样品进行了实验研究，发现了导致合金脆裂的基本原因。并且根据该系列硬质合金的特点，从烧结温度、升温加热速
度和真空度等方面提出了改善合金的组织与性能、防止产生脆裂的工艺措施，为碳化钛2高锰钢结硬质合金的制备与应用提供了参考依据。
1　实验方法
TM52和TM60的钢基体是锰含量较高(9%～11%Mn，质量分数)的一类钢结硬质合金，并含适量的Ni，Mo等合金元素，其牌号和成分如表1所示。它的基体不同于一般的高锰钢，是一种改型高锰钢，含10%锰左右的合金相图如图1所示。
图1　含10%Mn的铁碳合金相图的垂直截面
由
图1可见，在一定的温度和成分范围合金为单相奥氏体，在室温下为多相组织。这说明合金需通过水韧处理才能获得单相奥氏体。实际生产中，烧结这类钢结硬质合
金使用的真空烧结炉一般都具有快速冷却的功能，合金经真空烧结后，随炉在真空下冷却就能获得单一的奥氏体组织，不需另外进行水韧处理。
表2所示是碳化钛高锰钢结硬质合金的性能。可以看出，合金应具有足够高的强度和硬度。但在实际生产过程中，强度性能往往难以达到表2所列的指标，并且在焊接和使用中，该类型钢结硬质合金容易产生裂纹与碎片。
在
有裂纹或已产生碎片的合金中切取试样，与没有缺陷的合格产品试样进行对比分析，采用电子显微镜的能谱方法分析粘结相中的成分变化，观察合金断口的形貌特
征，再结合金相组织分析等方法，进行综合判断。实验中使用的主要仪器有KYKY22800电子显微镜与HR2150A洛氏硬度计等。
2　结果分析
2.1　扫描电镜能谱分析
对TM52合金的碳化钛颗粒之间的粘结相进行了微区电镜能谱成分分析，能谱分析结果见图2和图3，碳化钛晶粒之间的能谱分析成分见表3。
     图2  碎片合金中碳化钛晶粒之间粘结相的成分能谱分析 图3　合格合金中碳化钛晶粒之间粘结相的成分能谱分析
由
图2，3与表3可以看出，碎片合金中硬质相有明显的邻接和长大现象，碳化钛晶粒之间的硬质相成分的峰值很高。这表明在合金烧结过程中，硬质相TiC已扩散
至粘结相中；粘结相成分的峰值很低，Mn，Fe元素的含量与合格态合金相差甚远，只相当于合格合金的50%左右，就是说，碎片合金某些硬质相之间粘结相的
相对量比合格合金硬质相之间粘结相的相对量要少，这必然导致粘结效果差，微观区域的强韧性低。若此处的应力超过其强度值时，即很容易产生微裂纹，当应力进
一步增大或作用时间延长，微裂纹将会扩展为宏观裂纹甚至碎裂，这就是合金在焊接或使用过程中产生裂纹以及碎片的主要原因。
2.2　合金断口形貌的扫描电镜分析
对碎片合金与正常合金进行了断口扫描电镜分析，结果见图4和图5。
      图4　 碎片合金断口形貌 图5　合格合金断口形貌
在扫描电镜观察过程中，几乎所有碎片断口都未发现韧性断裂痕迹，属脆性断裂(图4)。而合格产品的断口主要是韧性断裂(图5)。对碎裂合金和正常合金进行了显微组织对比分析，结果见图6和图7。
          图6　碎片合金显微组织 图7　合格合金显微组织
　　从试样显微组织看出，白色块状物为硬质相碳化钛，分布较均匀，边界清晰。碎片合金中硬质相TiC晶粒有邻接和长大现象，且晶粒粗细不均匀，平均晶粒度约为4μm(图6)。合格合金硬质相TiC的晶粒粗细均匀，平均晶粒度约为2.4μm(图7)。
2.3　合金的加工硬化效应试验
高
锰钢奥氏体组织在冲击应力作用下将产生加工硬化效应，能增强材料的使用性能。为了测定碳化钛高锰钢结硬质合金是否同样具有此效应，对TM60合金选择2组
试样进行了加工硬化试验。一组是烧结态的合格产品，另一组是碎裂报废产品的残体。模拟试验采用锤打冲击法。结果显示:合格产品在此试验条件下没有发生碎裂
现象，且其硬度HRC可升高2～5，加工硬化效应明显；而报废产品尽管本身硬度很高，但经不住锤打冲击而全部碎裂，说明该种合金由于硬质相之间的粘结相成
分Mn，Fe等元素含量偏低，粘结相的相对量减少，在烧结过程中硬质相有邻接与聚集长大行为，合金的强韧性差，在外力作用下，不仅不显现类似高锰钢奥氏体
相的加工硬化效应，而且易于形成微区裂纹并迅速扩展而产生宏观碎裂，结果见表4。

3　提高合金强韧性的工艺改进措施
针对碳化钛高锰钢结硬质合金在焊接和使用过程中常产生裂纹与碎片的问题，根据前述实验分析结果进行了工艺方法研究，取得了提高合金强韧性、防止产生裂纹与碎片的良好效果，所提出的提高合金强韧性的工艺改进措施如下:
1)
烧结温度　碳化钛高锰钢结硬质合金的最终烧结温度一般取1420℃较合适。烧结温度不宜过高，温度过高会使碳化钛晶粒长大速度加快，甚至使粘结相变成液相
金属流失，从而使硬质相发生邻接、聚集并长大，形成碎裂源。这就是前面分析的硬质相晶粒之间的粘结相变少的原因。当然烧结温度也不能过低，否则会使合金欠
烧。
2)烧结时的升温速度　此类合金烧结时升温加热速度不宜快，特别是在脱胶、还原和液相烧结的3个阶段中，要严格控制升温速度和保温
时间。因为在低温脱胶阶段，是压坯释放压制应力和成形剂挥发的过程，若升温速度快，则因成形剂来不及挥发而液化后变成蒸汽，使压坯产生爆裂或微裂现象；在
900℃以上的还原阶段，要让压坯有足够的时间脱去所用原料粉末(如Mn2Fe中间合金)中的挥发物和氧；进入液相烧结阶段时，也要放慢升温速度才能使压
坯充分合金化。钢结硬质合金的烧结原理就是润湿原理，让液相充分润湿固相(硬质相)，否则液相金属Fe，Mn等会析出在压坯表面，甚至流失。
3)炉内真空度　在进入液相烧结阶段时，除了前面提到的要控制烧结温度和速度以外，还要控制烧结时炉内的真空度，因为过高的真空度会使液相金属大量挥发，造成成分偏析。
4　结论
1)
碎片合金中硬质相TiC之间的Mn，Fe含量较之合格合金低，硬质相之间粘结相的相对量明显减少，粘结效果变差，致使硬质相在烧结过程中发生邻接和聚集长
大，且出现晶粒不均匀粗化，是导致合金微区强韧性低，在焊接应力(或外力)作用下极易产生微观裂纹并扩展成宏观裂纹或形成碎片的原因。
2)碎片碳化钛高锰钢结硬质合金在外力作用下极易发生脆性断裂，测试不到加工硬化效应，而合格合金具有明显的加工硬化效应。
3)提高碳化钛高锰钢硬质合金性能、防止脆裂的工艺措施主要是应严格控制烧结温度、烧结时的加热速度和真空度，避免烧结阶段造成粘结相成分挥发、流失与成分偏析，防止硬质相发生邻接和聚集长大行为。
 
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铣
削是金属切削加工中常用的方法之一，它主要用来加工各类平面、沟槽和成形面，也可以用来钻孔、铰孔等。铣削最把握好铣削削速度、进给量和侧吃刀量。这次我
使用的是卧式万能铣床，卧式万能铣床是铣床中应用最多的一种，它的主轴是水平放置的，与工作台面平行，并由床身、横梁、升降台、纵向工作台、横向工作台、
主轴、底座等组成。
第一. 老师讲解基本知识。
　　老师向我们讲述完铣削的基本知识并示范后，我便开始练习铣削，学着老师的方法，认真的用游标卡尺测量后，还真的很快便铣削出一个光滑的工件，后来又做了几个，一次比一次熟练。我想只要认真学，仔细练，铣削真的不难!
　第二项，我们练习的是刨削加工。
　
　刨削主要是用刨刀对工件作水平相对直线往复运动的切削加工。刨床主要用来加工零件上的平面、各种沟槽及直线形曲面。而此次，我们使用的是牛头刨床。牛头
刨床同样要把握好刨削速度、进给量和背吃刀量。由于刨削的切削速度低，并且只是单刃切削，返回行程又不工作，所以除刨削狭长平面外，生产效率均较低。但因
刨削使用的刀具简单，加工调整方便、灵活，故广泛用于单件生产、修配及狭长平面的加工。
　　的确是这样的，刨削的速度确实不比铣削的快，按照老师的方法，我足足用了快一个小时才做好一个标准的工件。虽然是花了不是时间，但我觉得非常值，因为又学会使用一种对我们理工科学生来说非常有用的工具了。
　第三项，是数控加工。
　
　来到我们学校的数控加工实习基地，老师向我们介绍了这个高科技的数控加工。老师说数控加工是根据零件图样的加工要求，按数控机床规定的代码和程序编成加
工程序单，通过控制介质，经数控装置的变换发出相应指令，控制机床动作，实现自动加工过程。数控加工实现了多品种、小批量、高质量、高生产率和低成本等的
加工要求。数控机床加工有以下的几个显著特点：
　　1、加工适应性强。
　　2、自动化程度高。
　　3、劳动强度低。
　　数控加工首先要学会数控编程。数控编程分成手工编程和自动编程两大类。程序是由程序号、程序段和其它相应符号组成。
　　加工之前，必须编好相应程序，这次我除了完成老师交待的任务外，还自己设计了一些程序。从单一程序再到多个程序一起完成，我觉得数控加工确实有效率，只要程序准确无误，加工出来的工件便是一个成功的工件。
　第四项，车削加工——是我们此次金工实习的重点。
　
　车削加工是在车床上利用工件的旋转和刀具的移动来加工各种回转体表面，包括：内外圆锥面、内外螺纹、端面、沟槽、滚花及成形面等。车削加工所用的刀具
有：车刀、镗刀、钻头、铰刀、滚花刀以及成形刀等。车削加工时，工件的旋转运动为主的运动、刀具相对工件的横向或纵向移动为进给运动。
　　而车工又是机械加工中最常用的工种，无论是在成批大量生产，还是在单件小批生产以及机械维修等方面，车削加工都占有非常重要的地位。车削除了可以加工金属材料外，还可以加工木材、塑料、橡胶、尼龙等非金属材料。
　　此次车削加工实习中我使用的是C6123型车床。 C6123型车床主要由车身、变速箱、主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾座及床腿等组成。
　　车削加工首先是要安装刀具，安装刀具应该注意的是：
　　1)刀尖对准尾座顶尖，确保刀尖与车轴线等高。刀杆应该与工作轴线垂直。
　　2)刀头伸出长度小于刀具厚度的两倍，防止车削时振动。
　　3)刀具应该垫好、放正、夹牢。
　　4)装好工件和刀具后，检查加工极限位置是否干涉、碰撞。
　　5)拆卸刀具和切削加工时，切记先锁紧方刀架。
　　安装完刀并对好刀后，就开始进行车削加工了。
　　首先，是车外圆。
　　车处圆就是将工件车削成圆柱形的外表面。
　　我们一般都应该先粗车，粗车的目的是从工件上去除大部分加工余量。而切削的用量的选择一般是：背吃刀量为2~4mm进给：0.15~0.4;然后进行精车，同样背吃刀量为0.05~0.3mm进给量为0.05~0.2。
　　其次，是车端面。
　　车端面的时候，应当检查车刀、方刀架及床鞍锁紧在床身上，用小滑板调整背吃刀量，以免端面出现外凸内凹的情况。由于在端面上，由外至中心直径逐渐减小，切削速度也逐渐减小，粗糙度值较大。所以最好由中心向外切削。
　　最后，便是将工件进行切断了。
　　切断工件一般要注意的是：
　　1)工件一般装夹于卡盘上，切断处尽量靠近卡盘
　　2)安装时，刀尖与工件轴心线等高，经免切断处剩有凸台，切断刀伸出刀架的长度应该尽量的短，
　　3)尽量减小滑板各活动部分间隙，提高刀架刚性，使工件的变形和振动减小。
　　4)手动进给要缓慢均匀，切削速度要低。
 
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　刘鹏 徐九华 冯素玲 傅玉灿 耿国盛
　　(南京航空航天大学机电学院，南京，210016)
　
　摘要　　通过利用回归正交设计扣单因素试验设计方案，进行了PCD刀具高速铣削钛舍金TAl5的切削力试验。对高速加工过程中的动态铣削力进行了频谱分
析。分析了高频振动对切刺力波形的影响。然后利用单因素试验分析了工件坐标系中三向分力以及刀具坐标系中切向分力随切削用量的变化规律.通过回归正交设
计，建立了PCD刀具高速铣削钛合金时切削用量与动态切削力之间的数学模型，并进行了方差分析，验证了模型的可靠度。分析结果为PCD刀具高速兢削钛舍全
的工艺参数优化及建立高速铣削数据库奠定了基础。
　　关键词　　高速切削;钛舍金;聚晶金刚石刀具;回归正交设计;单因素试验设计;切削力
　
　钛合金具有比强度高、热强度高、抗断裂性高、高温(低于500℃)抗腐蚀性好等优良特性，使得钛和钛合金得到了很大的发展。钛合金最初应用于航空航天的
飞行器和发动机零件的制造，现在包括石油、化学、食品加工、医疗器械、核工业、汽车和船舶工业等工业部门的钛合金应用也得到了发展。但钛合金同时具有导热
系数小、高温化学活性高、弹性模量低、摩擦系数大等特性，导致其加工性能差。钛合金的切削加工通常都在低速、低效和大量使用冷却液的条件下进行，这与当前
高速、高效和环保加工的趋势相悖。因此，钛合金的高速、高效绿色切削加工成为国内外研究的热点[1]。
　　作为高速切削机理研究中的关键问题，
高速动态切削力的预报是一个相当复杂的问题。高速铣削是一个断续切削的过程，在周期性机械冲击载荷、刀具磨损和切屑变形等因素的综合作用下，根据几何方法
建模所获得的铣削力模型往往与真实铣削力变化规律有较大差别，甚至偏离。因此基于现场真实数据的统计回归数学模型则成为准确性较好的高速切削力研究手段。
研究高速切削条件下，切削力的变化规律和切削用量对切削力的影响，对于揭示高速切削过程的切削变形机理、改善工件的表面质量和提高刀具寿命等具有重要的理
论意义和实际应用价值[2-5]。
　　本文通过PCD刀具高速端面铣削钛合金TAl5试验，研究了钛合金材料在高速加工中切削力的变化规律，详细分析了高频分量和切削用量对动态切削力的影响，建立了动态铣削力与切削用量之间的数学预测模型，并对其进行了方差分析，验证了该模型的可靠度。
全文下载PCD刀具高速铣削TAl5钛合金切削力的研究
http://tech.86cut.com/techfiles/file/92420dbb-e7ea-4de0-8b4b-1f6d69e20031.pdf
 
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