第 1 章 绪论
1.1 课题研究目的及意义
硬质合金刀具在进行大型热壁加氢反应器筒节材料锻件、工程中应用最广泛的铁碳合金和航空航天等重点领域普遍采用的镍基合金、钛合金等材料，以及医药、食品等领域的不锈钢材料加工时，刀具前刀面刀-屑接触区因高温高压的原因，引起刀-屑元素发生扩散，致使刀具前刀面产生变质层，因而，牢固的连接了刀具和切屑。刀屑发生粘焊，如图 1-1 所示。由于刀具前刀面粘焊层，在切屑摩擦作用下刀具磨损加剧，同时在交变载荷和热应力的作用下，附有粘焊层的刀具表面产生裂纹，前刀面粘焊层容易发生剥离，刀具发生破损。
2.25Cr1Mo0.25V 材料具有热强度高、耐腐蚀性以及良好的稳定性等特点，因此，该材料广泛被用于如石化领域的大型加氢反应器、煤化工装备领域的反应器等大型压力容器件中，是一种典型的难加工材料。硬质合金刀具在切削 2.25Cr1Mo0.25V 筒节材料过程中，前刀面刀-屑接触区因高温高压刀-屑发生元素扩散，前刀面在切屑滑擦、耕犁作用，部分 WC 颗粒将被带走，加快刀具磨损；在荒加工过程中所锻造的毛坯件表面存在氧化皮、夹砂及余量不均匀等缺陷，使刀具与工件材料始终处于断续加工状态，在刀具切入和切出工件时候受到交变载荷和热冲击，在这种高温高压的热力耦合条件下，前刀面材料随切削运动被带走，导致刀具粘结破损严重，最终使刀具失效。
从硬质合金刀具失效机理来看，在切削 2.25Cr1Mo0.25V 材料过程中，刀具前刀面始终与新鲜的切屑表面紧密接触不单是因为刀具前刀面承受较大的应力。也同样是因为一方面双方表面的原子之间距离达到相互吸引的距离，另一方面较高的切削温度会使双方表面原子获得较高的扩散能力，使之跨过界面相互扩散。同时由于工件材料中的 Fe、Ni、Cr 等元素与硬质合金刀具中的 Co、W 元素具有较强的亲和性，使刀-屑接触区 Fe、Co 等亲和元素会相互扩散，引起硬质合金刀具前刀面 W、Co 元素的丢失，WC 和 Co 之间的黏结作用减弱，前刀面在切屑的滑擦以及耕犁作用下，部分 WC 颗粒将被带走，加快刀具发生磨损，再加上工件表面存在部分凸起或凹坑的缺陷，导致刀具处于断续切削，刀具经过此处具有冷却回温以及较强的冲击载荷作用，原始晶粒破碎，在接近 800℃的温度（合金的再结晶温度）下双方的原子共同发生了再结晶，刀-屑发生粘结。而在实际切削加工过程中，当切削用量改变需要暂时停止切削时，同样刀-屑也会发生粘结，因为一开始只是由于刀具内合金元素扩散的贫化和富化产生刀-工间的局部粘结，而后随着切削过程的进行会逐渐形成粘焊物愈加牢固。当剪切力无法将粘焊物剥落时，就形成了牢固的粘焊层，即所谓的“粘刀”现象。但随着切削的进一步进行，在冲击载荷作用下，引起刀具表面产生缺陷（裂纹、孔隙等），随着粘焊层与刀具基体间的缺陷（裂纹、孔隙等），慢慢随着粘焊层和刀具基体间的缺陷陆续经过成坯、孕育、扩展和汇合的一系列过程，使粘焊层与刀具基体间的结合力减弱，当结合力小于剪切力时，使粘焊层材料被撕裂并被切屑带走，造成刀具的粘结破损。
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1.2 硬质合金刀具类别及刀-屑元素扩散行为研究现状
1.2.1 硬质合金刀具类别及特点
硬质合金刀具有它的优点，包括高硬度、高强度、耐磨性好、抗冲击性强、耐热性好和物理、化学性能好等特点，因此在金属切削加工领域中应用广泛，特别是使用在断续切削或切削余量不均匀的加工过程中，硬质合金刀具更是被广泛应用。
20 世纪初，德国科学家 Karl Schroter 利用粉末冶金法，将 WC 粉末与少量铁族元素混合烧结，研制出了硬质合金材料。在随后的工业发展中，硬质合金材料由于战争的需求开始大量使用，直到 20 世纪 50 年代，由于难加工材料的不断发展，普通材料的刀具已经无法满足产品的生产效率和加工质量，便产生了硬质合金刀具，这种刀具的出现大大地提高了产品的加工性能。目前，已经研究出了很多新型的刀具材料，但硬质合金仍是刀具材料中占有重要地位。硬质合金刀具主要包含以下几种：
(1) 碳化钨基硬质合金刀具
碳化钨基硬质合金刀具主要包括 YG 类(WC-Co)、YT 类(WC-TiC-Co)、YW 类(WC-TiC-TaC(NbC)-Co)。 YG 类硬质合金刀具具有较好的导热性、耐冲击性和抗断裂韧性，但相比于 YT 类硬质合金刀具，其硬度和耐磨性有所降低，适用于耐磨钢，铸铁件等脆性材料的粗加工。而 YT 类硬质合金刀具与 YG 类相反，由于加入了 TiC，增加了 Ti 元素，相当于 YG 类硬质合金，其磨损性和韧性差，硬度和抗氧化性好，但抗冲击差，加工过程易发生断裂，所以 YT 类硬质合金刀具适合加工以钢为代表的塑性材料。YW 类硬质合金刀具是在 YT 类硬质合金的基础上添加了 TaC(NbC)，具有高的抗弯强度、冲击韧性、高温硬度以及耐磨性，适用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。
(2) 碳化钛基硬质合金刀具
碳化钛基硬质合金刀具的主要硬质相为 TiC，粘结剂有 Ni 和 Mo。相对于上述的碳化钨基硬质合金刀具来说，碳化钛基硬质合金刀具耐磨性更高，在加工工具钢或淬硬钢上普遍应用。
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第 2 章 考虑粘焊层的刀具前刀面切削温度分布
2.1 切削试验系统
本文为了研究刀屑粘焊的本质原因，获得在切削2.25Cr1Mo0.25V材料过程中刀-屑粘焊试件，选择刀具与工件材料容易粘结的材质，以方便观察并分析硬质合金刀具前刀面粘焊产生到剥离直至刀具破损的温度变化、刀工接触情况、微观形貌变化和元素扩散浓度变化。
2.1.1 试验系统的搭建
在实际切削加工过程中，由于工件表面存在氧化皮、砂眼、凹陷等缺陷，使得切削始终处于断续切削的状态，切削过程并不稳定，其振动较大，所受冲击载荷较大，因此为了更切合实际工况，本试验模拟断续切削，使刀具承受机械冲击和热冲击，加之被加工材料有较大塑性，刀-屑极易产生粘焊最终导致粘结破损。为了模拟断续切削，将工件材料Φ280 mm的圆棒料沿周向开有宽20*深30 mm的凹槽，同时为了使刀具前刀面容易产生刀-屑粘焊现象，选用负前角刀杆和平刀面硬质合金刀具，以保证切削过程中刀-屑具有较大的接触面积。
实验在C6140型车床上进行，所搭建的切削试验系统，如图2-1所示。在切削试验系统中，利用KISLER9257B三向测力仪，结合数据采集系统DH5922对不同切削参数下切削力进行测量；利用红外线热像仪ThermovisionA40M，来实时记录切削过程中刀具刀尖附近位置切削温度，这种采用辐射测温的方式的刀具表面的温度测量，其在实验之前需要标定被测对象的发射率。利用MEGA SPEED高速摄影机观察并记录切削过程中硬质合金前刀面切屑的动态。
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2.2 刀具切削热分配与热传导
2.2.1 切削热分配
硬质合金刀具在切削过程中所产生的机械能大部分转化为切削热，被切削的工件在硬质合金刀具的切削作用下，发生了弹塑性变形产生切削热，并且由于前刀面距离刀尖不远的位置产生粘焊层，粘焊层存在时代替刀具前刀面继续对工件进行切削，前刀面粘焊层与切屑、后刀面与工件已加工表面的相互摩擦产生摩擦热，因此，切削过程中的热源区域可以分为三个，即剪切区域（第一变形区）、前刀面粘焊层与切屑区域（第二变形区）、后刀面与已加工表面摩擦区域（第三变形区），如图2-3所示。
在第一变形区，工件在刀具的挤压作用下，发生弹性变形，由于最大剪切应力超过材料的屈服极限而发生塑性变形，从而形成了剪切变形热源；在第二变形区，已加工部分发生塑性变形，并从工件材料上分离出来，在切削力的作用下沿剪切面滑移，形成切屑并不断沿着刀具前刀面流出，在流出过程中前刀面与切屑底部不断摩擦产生大量的切削热，形成刀-屑摩擦热源。并且，前刀面形成粘焊层，粘焊层代替刀具前刀面继续切削，形成粘-屑摩擦热源；在第三变形区，工件材料在切削过程中不断切削分离，产生新鲜的已加工表面，刀具后刀面与已加工表面的挤压与摩擦而产生塑性变形，形成刀-工摩擦热源。
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3.1 异种金属材料的扩散机制 ........................................ 42
3.2 前刀面刀-屑元素扩散机制分析 ............................... 43
3.3 扩散理论 ........................... 44
第 4 章 刀具前刀面粘焊层裂纹扩展特性 .............................. 63
4.1 裂纹对粘焊层剥离的影响 .............................. 63
4.1.1 裂纹扩展形式 .......................................... 63
4.1.2 粘焊层剥离 .................................. 64
第 5 章 刀具前刀面磨损与破损研究 ....................................... 88
5.1 刀具磨损方式和磨损机理分析 ......................................... 88
5.1.1 刀具磨损方式分析 .................................... 88
5.1.2 刀具磨损机理分析 ............................. 89
第 5 章 刀具前刀面磨损与破损研究
5.1 刀具磨损方式和磨损机理分析
5.1.1 刀具磨损方式分析
在金属的切削加工过程中，刀具的前、后刀面与工件之间紧密接触，同时在接触区域内发生剧烈的摩擦，并产生了很高的温度和压力。正是这种极其复杂的摩擦作用使得刀具的前、后刀面随着切削过程的不断进行产生一定程度的磨损。
(1) 前刀面磨损
前刀面磨损即为常说的月牙洼磨损：当刀具的耐热性和耐磨性较差时，且在切削速度较高、切削厚度较大的情况下加工塑性金属时，刀具前刀面刀-屑接触区会出现一个月牙洼，如图 5-1 所示。在切削刃与月牙洼之间存在一条小棱边。同时月牙洼会随着磨损过程的进行不断发生扩展，极易导致崩刃。KT、KB、KM 分别表示月牙洼的磨损深度以及切削刃与月牙洼最大深度位置之间的距离。
(2) 后刀面磨损
工件的被加工表面与刀具后刀面之间产生相互摩擦作用，使得后刀面在临近切削刃的区域快速被磨成后角为零的小棱面，后刀面磨损示意图如图 5-1所示。由图可知，在实际切削过程中，因切削刃上每部位的强度和散热情况不一致，刀具的磨损分为刀尖磨损、主沟槽磨损以及中间部位磨损。其中 VC为刀尖磨损的最大值、VN 为主沟槽的磨损量、VB 为靠近切削刃中部的磨损在切削塑性金属过程中，在切削速度较低时，刀具磨损一般兼有前刀面磨损（月牙洼）和后刀面磨损这两种方式，而在切削速度较大时，以前刀面磨损作为刀具的主要磨损形式。
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结论
硬质合金刀具切削 2.25Cr1Mo0.25V 材料，在高温高压作用下元素在刀-屑界面发生扩散，引起刀具表面物理性质发生变化，使刀具极易发生磨损和破损，最终导致刀具失效。本文在分析粘焊层对前刀面温度分布影响规律基础上，通过前刀面刀屑接触区元素扩散行为的研究，分析了前刀面粘焊层裂纹扩展规律及剥离过程，揭示了刀具失效的本质原因，对提高刀具使用寿命提供理论依据和现实基础。所获得的结论如下：
(1) 为研究粘焊层与刀具前刀面温度之间的关系，分别提出了刀具前刀面传热理论模型和有限元仿真模型，将模型与切削温度实验相结合，发现刀具前刀面附有粘焊层会使其具有较高的温度，伴随着厚度的增加温度亦逐渐增大，并且在粘焊层内由于热阻作用，厚度越大温度梯度变化越大，同时发现考虑粘焊层的模拟仿真结果与测量温度更加接近。
(2) 设计了近似模拟刀具前刀面刀屑粘焊形成过程的扩散偶实验，获得了温度对扩散速率和扩散距离的影响规律，发现刀屑粘焊不会影响到扩散的最终浓度，仅在一定程度上对扩散过程起到促进作用，并建立了与温度相关的刀屑扩散理论方程，有效解决了确定温度下前刀面主要元素浓度分布无法准确预测的难题。
(3) 建立了硬质合金刀具前刀面粘焊层三维结构裂纹扩展模型，完成了裂纹的不同形式对扩散路径以及拉伸强度影响的模拟仿真研究，发现仅存在单裂纹时，若初始裂纹存在于 WC 颗粒内，其与前刀面成 0°或 45°时对裂纹扩展路径影响较大，若裂纹分布于 WC-Co 和 WC-WC 界面时主要改变原始裂纹的扩展路径；当存在较多裂纹时，因裂纹之间会相互桥连，在某一程度上可以提高材料的拉伸强度，随着晶粒间裂纹的进一步增多，会致使材料的拉伸强度减弱，导致材料更容易发生断裂，从而形成粘焊层的剥离。通过实验分析可知，硬质合金破损后其颗粒表面较为完整，因此可以确定硬质合金刀具前刀面粘焊层剥离过程发生的是沿晶断裂，这与仿真结果相一致。
参考文献（略）