硬质合金高温性能对航空化工医疗用TC4钛合金高速铣削的影响研究

1、引言

TC4钛合金具有良好的综合力学性能，具有比强度高、耐腐蚀和耐高温等特性，已广泛用于航空航天、化工和医疗等行业。但钛合金材料导热性差以及化学活性高，使刀具在切削加工中承受高温、热冲击和机械载荷，易加剧刀具磨损。加工钛合金的理想刀具材料必须同时具备较高的高温硬度、良好的韧性和耐磨性、高导热系数和较低的化学活性，在铣削时，刀具还应具备良好的抗冲击性[1]。

目前对于钛合金加工主要研究方向是通过优化加工策略或刀具几何参数，建立切削力模型和刀具磨损模型来提高钛合金材料的加工效率及刀具耐用度[2-4]。刀具几何参数、涂层和切削参数均会影响钛合金加工表面的晶粒尺寸，进而影响钛合金表面完整性[5]。同时，钝圆半径对刀具切削力和耐用度影响显著，这也是提高钛合金加工用整体立铣刀使用寿命的主要方法[6]。同时，建立新型的冷却环境、降低加工钛合金实际切削温度也是提高刀具使用寿命的常用方法[7]。肖虎等[8]通过低温CO2射流降低切削温度，抑制了刀具磨损并提高钛合金表面质量。易湘斌等[9]利用微量油雾润滑减小切削力，提高了切削效率。苌浩等[10]研究发现，以氮气为切削介质可改善刀具的磨损状况和提高刀具的寿命。另一些学者通过分析高速切削刀具材料的进展和应用，提高刀具材料的高温物理特性方面为切削钛合金提供发展方向[11，12]。姜增辉等[13]利用多种不同型号硬质合金立铣刀进行钛合金切削实验，分析了刀具材料中的合金成分对刀具磨损机理及特征的影响。ChengY.等[14]研究了硬质合金的高温力学性能，并根据涂层性能综合设计刀具几何参数，为重型切削加工提供了解决方案。文献[15，16]研究了TaC含量对WC-Co基硬质合金高温硬度保持性的影响，证明适度添加TaC(NbC)可以有效提高WC-Co基硬质合金的常温硬度和抗弯强度，并有助于提高硬质合金的高温硬度。

本文通过添加TaC(NbC)难熔金属碳化物制备WC-Co基硬质合金基体材质，采用高温硬度计检测材料的高温硬度和高温断裂韧性，制备了相同几何参数的两种整体硬质合金立铣刀。为了排除刀具涂层对刀具磨损性能的影响，采用无涂层硬质合金刀具进行试验，研究硬质合金材质的高温性能对TC4钛合金高速铣削加工的影响。

2、试验条件与方案

通过添加TaC(NbC)难熔金属碳化物制备主元素含量一致的WC-Co基硬质合金材质，制备两种硬质合金材质A和B，其成分见表1。

在硬质合金整体立铣刀切削钛合金的过程中，热冲击和机械载荷是刀具切削刃失效的主要因素，并且由于钛合金导热系数(100μm)较低，切削温度会比加工其它材料更高。因此，硬质合金材料在高温下的硬度和断裂韧性直接决定了刀具性能。

试验采用HTV-PHS30高温硬度计测量硬质合金材料的高温硬度。加载力为10kgf，保持时间为10s，每组温度下测量3次取平均值。试样加载完成后，可得压痕对角线长度2d和裂纹扩展长度l(见图1)。硬质合金材料的高温断裂韧性可由下式计算得出

式中，l为裂纹长度;d为压痕对角线长度的一半;KIC为断裂韧性;H为硬度;E为弹性模量;φ=3。

由图2和图3可知，当切削温度达400℃时，硬质合金A比硬质合金B的高温硬度提升约5%，高温断裂韧性提升约4%;当切削温度达800℃时，硬质合金A比硬质合金B高温硬度提升约14.5%，高温断裂韧性提升约10.2%。由此可见，通过在WC-Co基硬质合金中添加微量元素TaC(NbC)，可使硬质合金的高温性能得到显著提高。这是因为TaC(NbC)微量元素能够提高WC晶粒在Co粘结相中的固溶度，抑制WC晶粒在高温烧结过程中的晶粒增长，提高了WC-Co基硬质合金在高温下的硬度和断裂韧性[15]。

为进一步验证添加TaC(NbC)的WC-Co基硬质合金加工钛合金的实际效果，将A、B两种硬质合金材料以相同几何参数制备为两组整体硬质合金立铣刀，分别命名为刀具A和刀具B。试验刀具的几何参数见表2。

试验工件材料为退火态TC4钛合金，硬度约为28.2HＲC;机床为MazakNexus430A-Ⅱ立式加工中心，试验方式采用方肩顺铣;水基乳化液冷却，使用热缩刀柄夹持保证加工状态的稳定性，加工参数见表3。

试验过程中，以切削距离10m为测量基准，在切削距离相同的条件下，采用KeyenceVHX-950F光学显微镜观察试验铣刀A和B磨损情况，测量后刀面磨损宽度VB。为了能更细致研究硬质合金高温性能对刀具磨损的影响，当试验刀具的后刀面磨损宽度达到0.05mm时即停止。

3、试验结果分析

在相同切削加工条件下，加工TC4钛合金的整体硬质合金立铣刀A和立铣刀B后刀面的磨损曲线如图4所示。

由图可知，当铣刀A切削长度为80m时，刀具后刀面磨损量为0.031mm;铣刀A切削长度为120m时，刀具后刀面磨损量约为0.05mm;而铣刀B切削长度为80m时，刀具后刀面磨损宽度超过0.05mm。铣刀A和B在切削长度约为40m时，刀具均进入均匀磨损阶段。由图5可知，铣刀A在切削长度为40m时，刀具前、后刀面显现出均匀磨损，刀具前刀面靠近刀尖位置基体有轻微剥落。由图6可知，铣刀B在切削长度为40m时，刀尖已出现明显崩刃，刀具前、后刀面出现明显磨损，且在刀具前刀面出现多处规则性的基体剥落。

由图7和图8可知:铣刀A在切削长度为80m时，刀具磨损加剧，刀尖出现微崩，刀具后刀面仍呈均匀磨损形式，刀具前刀面已出现多处规则性的基体剥落;铣刀B在切削长度达到80m时，刀尖崩刃持续扩大，后刀面出现多处崩刃，刀具前刀面由之前的多处基体剥落发展成连续的基体剥落，刀具磨损程度比铣刀A更严重。

4、刀具失效分析

为进一步研究硬质合金基体的高温性能对刀具磨损机理的影响，利用扫描电子显微镜(SEM)分别对铣刀A和铣刀B在切削长度40m时的刀具刃口进行检测，刀尖形貌结果见图9和图10。铣刀A在切削40m时刀尖处为均匀磨损，未发现显著的崩刃及基体断裂裂纹;铣刀B的刀尖出现多块明显的基体剥落，将刀尖局部再放大，发现多条清晰可见的基体断裂裂纹。由于铣刀A和铣刀B的基体高温性能不同，铣刀A基体材料有更高的高温硬度和高温断裂韧性。

在高速铣削过程中，铣刀A不易出现基体断裂裂纹，从而呈现出刀具前、后刀面均匀的磨损形式，刀具刃口的保持性更优;铣刀B的高温硬度和高温断裂韧性较低，受机械冲击的作用，在刀具基体中容易产生微裂纹，随着切削持续，微裂纹易纵向扩展，使基体发生大块的剥落，加剧刀具磨损程度。

5、结语

(1)对于WC-Co基硬质合金，添加微量合金碳化物TaC(NbC)可以有效提高硬质合金材料在高温下的硬度和断裂韧性的保持性。在800℃时，高温硬度提高约14.5%，高温断裂韧性提高约10.2%。

(2)在相同条件下高速铣削TC4钛合金时，添加TaC(NbC)的硬质合金整体立铣刀的刀具磨损比未添加TaC(NbC)立铣刀的磨损更轻微，刀具寿命更长。

(3)由于添加TaC(NbC)硬质合金材料的高温断裂韧性更高，高速铣削TC4钛合金时可有效缓解刀具裂纹的出现和扩展，降低了刀尖崩刃、基体剥落等问题的发生，防止刀具过早失效。

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作者: 林凤添，厦门金鹭特种合金有限公司，福建厦门 361100

Author: Lin Fengtian，Xiamen Golden Egret Special AlloyCo.，Ltd.，Xiamen，361100

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