(摘 要：用電火花沉積工藝在高速鋼麻花鉆頭上沉積了WC硬質(zhì)合金沉積層。分析了沉積層的金相組織，顯微硬度。在干式切削條件下，對鑄鐵和45#鋼進(jìn)行了切削性能對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明沉積鉆頭切削壽命大幅提高，磨損速度顯著減緩，鉆孔質(zhì)量明顯提高。

關(guān)鍵詞： 涂層鉆頭 電火花沉積 WC 高速鋼麻花鉆頭

1引言

鉆削是切削金屬的最重要的加工方法之一，約占整個(gè)金屬切削加工的33%^[1]。隨著切削加工不斷向高速、高效、高精度發(fā)展，刀具新材料、新品種不斷涌現(xiàn)，其中涂層刀具的發(fā)展尤為迅速，有效改善了高速鋼鉆頭的切削性能，提高效率，延長使用壽命^[2]。

近十幾年來，表面涂層技術(shù)發(fā)展迅速，而表面涂層技術(shù)的應(yīng)用大約83%應(yīng)用于切削刀具處理^[3]。電火花沉積技術(shù)（Electron-Spark Deposition，簡稱ESD）是近十幾年迅速發(fā)展的表面技術(shù)之一，是直接利用具有高能量密度的電能對工件表面進(jìn)行沉積處理，它通過火花放電作用將作為電極的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)金屬工件表層，形成合金化的表面沉積層，從而使工件的物理、化學(xué)和機(jī)械性能得到改善^[4]，是介于焊接、噴鍍或元素滲入等工藝的一種工藝，是兼有這些工藝的一些特點(diǎn)，又有熱輸入量小，沉積層與母材有冶金結(jié)合等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)、簡便、實(shí)用、有效的表面處理工藝方法。

　　

2涂層高速鋼鉆頭制備工藝

2.1麻花鉆的磨損形式

麻花鉆是一種形狀較復(fù)雜的雙刃孔加工刀具，其切削部分由一尖(鉆芯尖)、五刃(兩個(gè)主切削刃、一個(gè)橫刃和兩個(gè)副切削刃)組成。在鉆孔中，麻花鉆主切削刃的前、后刀面和副切削刃(刃帶)以及橫刃都會(huì)產(chǎn)生磨損。一般在孔加工過程中，最早出現(xiàn)的是后刀面磨損和橫刃磨損。在鉆削中，橫刃時(shí)刻都在對工件進(jìn)行擠壓和副前角磨損，因而在橫刃的兩側(cè)會(huì)很快磨出三角形亮帶，同時(shí)伴有橫刃鈍化。刃磨損是刀具喪失切削能力的重要原因之一。 采用高速鋼( HSS)標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆鉆削45#調(diào)質(zhì)鋼(HRC25-30)，其主要的磨損形式是后刀面磨損、橫刃磨損、主切削刃磨損和橫刃變鈍，其它形式的磨損不甚明顯^{[5]、[6]}。根據(jù)上述麻花鉆的磨損特點(diǎn)，應(yīng)用電火花沉積制備涂層高速鋼鉆頭只需在兩個(gè)后刀面和前刀面上沉積涂層即可有效提高鉆頭的耐磨性。

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

      電火花沉積/堆焊機(jī)，輸出功率8檔可調(diào)，（最高1400W，最小100W）；輸出電壓分兩檔（高壓110V，低壓60V）；放電脈沖頻率400- 1 600 Hz連續(xù)可調(diào)；電火花沉積槍額定轉(zhuǎn)速 N=2400r／min；采用氬氣保護(hù)。電極采用直徑為2.4的WC電極。鉆頭采用直徑為6mm的高速鋼麻花鉆頭。

2.3涂層鉆頭制備工藝

為降低沉積層表面粗糙度，分兩次電火花沉積，所用工藝參數(shù)分別為小功率沉積(工藝A)和大功率沉積(工藝B)，沉積時(shí)先大功率沉積，用砂紙輕微打磨沉積層表面后再小功率沉積。工藝參數(shù)見表一。沉積時(shí)電極伸出長度5mm。操作時(shí)保持電極與刀面成30⁰～40⁰夾角。為獲得較均勻的強(qiáng)化層，時(shí)工具電極應(yīng)以1～3mm/s的速度沿小圓環(huán)軌跡勻速移動(dòng)

表一 沉積操作工藝參數(shù)

具體操作工藝如下

(1)將鉆頭工作部分(已磨損鉆頭應(yīng)先修磨)及電極用200目砂紙打磨，用丙酮溶液清洗去處油污。

(2)調(diào)整沉積設(shè)備工藝參數(shù)為工藝B，并進(jìn)行沉積操作；每個(gè)

 

 

 

 

刀面沉積2min。用砂紙輕微打磨沉積層表面并用丙酮清洗；調(diào)整

沉積設(shè)備工藝參數(shù)為工藝A，每個(gè)刀面再沉積1min。

(3)用油石打磨沉積層表面至光滑。

3沉積層性能分析

本試驗(yàn)用MH-6微光學(xué)顯微鏡及其拍照系統(tǒng)觀察拍攝涂層金相

，用MH-6微光學(xué)顯微鏡硬度計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行涂層硬度分析并測量

涂層厚度

3.1涂層組織觀察

圖二為放大倍數(shù)400的高速鋼鉆頭經(jīng)電火花沉積WC硬質(zhì)合金

涂層的截面金相圖片，金相經(jīng)5%硝酸乙醇溶液腐蝕。經(jīng)電火花沉

積WC硬質(zhì)合金涂層后，在高速鋼表面出現(xiàn)了與基體金相組織不同

的三層組織，有表到里分別是白亮層，過渡層，熱影響區(qū)，在往

里是基體的原始組織。

白亮層在涂層的外表面，抗腐蝕性好，為被硝酸乙醇溶液腐

蝕，其成分主要來自電極材料以及部分由電極旋轉(zhuǎn)工作時(shí)帶入的

基體材料。

    過渡層緊靠白亮層，是由WC電極材料中的元素

擴(kuò)散到基體材料中形成的。電火花沉積過程中，熔池

的形成和凝固都伴隨著復(fù)雜的和金化過程，并且電極

工作中與基體接觸并施加一定壓力，電極材料在這些作用下很易溶滲進(jìn)基體金屬表層。

    熱影響區(qū)由于電火花沉積的淬火效應(yīng)形成的。電火花沉積時(shí)，接近表層的基體金屬迅速的升到高溫，然后又迅速冷卻，相當(dāng)于再次被淬火。電火花沉積的淬火效應(yīng)使接近表層的基體金屬超細(xì)晶粒的奧氏體組織(A)，大幅度提高了基體表層金屬的硬度。

    涂層中白亮層，過渡層，熱影響區(qū)之間不存在明顯的分界，涂層與基體之間不是簡單的機(jī)械結(jié)合而是冶金結(jié)合，結(jié)合力強(qiáng)，涂層不會(huì)發(fā)生剝落現(xiàn)象。

3.2涂層硬度及厚度分析

本試驗(yàn)在MH-6微光學(xué)顯微鏡硬度計(jì)系統(tǒng)砝碼為100g條件下對涂層打壓痕，涂層顯微硬度壓痕如圖三。

由圖三可明顯看出涂層有里及表硬度逐漸增大， 白亮層硬度最大，為HV1131；過渡層硬度次之，為HV876；基體金屬的熱影響區(qū)由于晶粒細(xì)化硬度也有顯助提高，為HV605�；�體硬度僅為HV405，涂層中白亮層硬度接近基體硬度的3倍。

   用MH-6微光學(xué)顯微鏡測涂層(白亮層)厚度，最薄處為70，最后處107，平均厚度(測十處不同部位的厚度求均值)88，涂層厚度比較均勻。

4涂層鉆頭切削試驗(yàn)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備用Z5125立鉆；鉆頭磨損量用30倍的工具顯微鏡靜態(tài)觀察測量；試件材料為45#中碳鋼(10mm厚熱軋鋼板，HB207)、鑄鐵(HT15-30，10mm厚)。切削試驗(yàn)在干式條件下進(jìn)行，轉(zhuǎn)速800 r/min，進(jìn)給量0.1mm/min，鉆頭直徑6mm，鉆通孔。通過測量主切削刃后刀面磨損帶平均最大磨損量(VBmax)評價(jià)鉆頭的切削性能；磨鈍標(biāo)準(zhǔn)取VB_T=0.35mm，每種實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，取其平均值。

4.1鉆頭壽命對比經(jīng)電火花沉積WC涂層的鉆頭和未經(jīng)沉積的鉆頭在相同的實(shí)驗(yàn)條件下分別在鑄鐵和45#中碳鋼上進(jìn)行切削試驗(yàn)，磨損到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)取VB_T=0.35mm時(shí)的鉆孔數(shù)量如圖三�？梢悦黠@看出，經(jīng)電火花沉積WC涂層的鉆頭切削性能遠(yuǎn)高于未沉積的鉆頭。相同鉆削條件下，鉆削鑄鐵涂層鉆頭比未沉積鉆頭壽命提高將近10倍；鉆削45#中碳鋼涂層鉆頭比未沉積鉆頭壽命提高將近13倍。

    4.2鉆頭磨損對比

    圖三和圖四為鉆削45#鋼和高強(qiáng)度鋼時(shí)，涂層鉆頭與未沉積鉆頭的磨損曲線。涂層鉆高頭的磨損速度遠(yuǎn)低于未沉積鉆頭磨損速度。鉆削時(shí)，未沉積鉆頭隨著鉆削孔數(shù)增加磨損增長迅速，幾乎未經(jīng)過正常磨損即達(dá)到磨損標(biāo)準(zhǔn)規(guī)；而涂層鉆頭鉆削鑄鐵時(shí)初期磨損階段較短；進(jìn)入正常磨損沉積鉆頭隨鉆孔數(shù)增加磨損增長比較緩慢，正常磨損階段較長；鉆削鑄鐵時(shí)，約鉆削到80孔時(shí)涂層鉆頭進(jìn)入正常磨損，約到900孔時(shí)進(jìn)入劇烈磨損階段。鉆削45#鋼時(shí)，約鉆削到8孔時(shí)涂層鉆頭進(jìn)入正常磨損，約到250孔時(shí)進(jìn)入劇烈磨損階段。實(shí)驗(yàn)中涂層鉆頭切削刃上很少形成積屑瘤，未發(fā)生崩刃破損，鉆削過程比較平穩(wěn)。

    4.3鉆屑形態(tài)和鉆削質(zhì)量對比

 

 

 

 

 

    實(shí)驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)，未沉積鉆頭鉆削時(shí)形成圓錐螺紋狀的連續(xù)切屑，常會(huì)繞在鉆頭或鉆卡上一起旋轉(zhuǎn)，并且出現(xiàn)切屑底部在切削刃附近與前刀面粘結(jié)現(xiàn)象，排屑困難。而涂層鉆頭鉆削時(shí)，切屑呈較短的螺卷狀斷續(xù)切屑，排屑順暢，孔表面質(zhì)量高。對鉆孔質(zhì)量進(jìn)行比較，隨著鉆孔孔數(shù)的增加，涂層鉆頭與未沉積鉆頭相比，孔徑的擴(kuò)大量小，加工尺寸較穩(wěn)定，加工質(zhì)量明顯得到提高。

  

5結(jié)論

    經(jīng)上述對電火花沉積WC沉積層性能分析和對比切削實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)電火花沉積工藝制備的WC涂層高速鋼鉆頭切削性能顯著提高，應(yīng)用到大型鉆頭上具有較高實(shí)用價(jià)值，可在實(shí)際生產(chǎn)中推廣。

(1) 沉積層組織較均勻，細(xì)密，具有遠(yuǎn)高于基體的硬度，與基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合力強(qiáng)，不會(huì)脫落。

(2) 在干式鉆削條件下，鉆削鑄鐵和45#鋼，沉積鉆頭磨損速度明顯減緩，初期磨損較短，正常磨損階段較長，鉆頭壽命分別將近提高10倍、13倍。

(3) 與未沉積鉆頭相比，沉積鉆頭排屑順暢，加工孔表面質(zhì)量高，孔徑尺寸較穩(wěn)定。

 

 

參考文獻(xiàn)

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[5]李更生.鉆削狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)的理論與應(yīng)用研究.南京航空學(xué)院博士學(xué)位論文，1991. 9.

[6] 北京永定機(jī)械廠群鉆小組