钢结硬质合金ELID磨削表面的AFM分析.doc

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1、钢结硬质合金ELID磨削表面的AFM分析作者：哈尔滨工业大学朱波袁哲俊赵清亮一、前言钢结硬质合金是一种以硬质化合物(WC或TiC等)为硬质相，以合金钢作为粘结相的复合材料，它既吸收了硬质合金的高硬度、高强度、高耐磨性的特点，也具有钢的塑性、韧性、可加工性等特点，同时克服了硬质合金高脆性、钢的低强度、低硬度等缺点，现广泛应用于航天、航空等领域，成为一种应用前景广泛的新型材料。但由于钢结硬质合金零件表面粗糙度要求较高，而材料的结构特点又决定了其本身的加工制造较困难，尤其一般的磨削加工很难达到工艺要求。本文以在线电解修整(EL

2、ID)磨削方法磨削钢结硬质合金(GT35)，并应用原子力显微镜对其进行了微观表面形貌分析，研究了钢结硬质合金难加工机理及其表面缺陷形成机理。二、钢结硬质合金难加工机理本文研究磨削的钢结硬质合金零件的材料为GT35，合金成分及硬度值见表1。表1试验用钢结硬质合金的成分代号化学成分%硬度值HV10TiCCCrMoFeGT35350.50.22.0余量933由表1可以看出，其既有硬质合金的高硬度、高耐磨性，又有熔炼钢的可加工性。图1是GT35微观表面形貌，应用美国DI公司生产的Nanoscaping-IIIA原子力显微镜(AF

3、M)对GT35表面80×80µm范围进行扫描。其中图1a为平面图像，图1b为其立体图像，由图1可看出，钢结硬质合金中含有大量高硬度TiC硬质相凸出在基体表面起抗磨作用。钢中还有多种碳化物同样起抗磨作用，其中碳化物相占总重量一半以上，钢结硬质合金的强韧性靠钢基体中碳和合金元素作用。但是上述强化结构也造成淬火后的钢结硬质合金的精密加工十分困难。因为组成强化结构的两相具有差异悬殊的物理、化学和力学性能，其中一相硬度高，一相韧性好。因此，在机械加工过程中，钢基体因硬度低易去除，而碳化物硬度高不易去除，造成加工表面高低不平，不仅造

4、成砂轮磨耗加快，而且通常得不到良好的加工表面。图1钢结硬质合金AFM形貌扫描图(80×80µm)三、ELID精密镜面磨削钢结硬质合金ELID磨削技术成功地解决了铸铁纤维、铸铁结合剂超硬磨料进行在线电解修整磨削的技术，解决了铸铁基砂轮整形、修锐等难题，而且使得超微细金刚石、CBN磨料(粒径为几微米至5nm)能够应用于超精密镜面磨削。其平面磨床系统原理图见图2。图2ELID磨削原理示意图在修整过程中铸铁基砂轮作为阳极，工具作为阴极，在砂轮外圆表面和电极的间隙中通过有电解能力的磨削液，在电源作用下，利用电解过程中的阳极溶解效应

5、，对砂轮表层的金属基体进行电解去除，使金刚石磨粒逐渐露出砂轮表面，从而形成对砂轮的修整作用。在电解修整过程中，砂轮表层形成一层有绝缘作用的氧化膜，该膜的厚度对电导率有直接的影响，可以减缓和阻止进一步的电解，使电解速度降低，以免使砂轮损耗过快。该层氧化膜组织较疏松，能够使磨钝磨粒及时脱落，减少砂轮的堵塞，降低磨削力与磨削温度。当砂轮表面的磨料磨损后，出刃高度降低，由于工件材料的刮擦作用，使氧化膜变薄，导电性恢复，金属基体电解过程加快，使磨料出刃高度增加，氧化膜变厚。由于这种非线性电解作用的结果，可以使这种修整作用对磨削过程

6、有一定的自适应能力，砂轮表面与金属基体的去除速度与磨料消耗的速度达到动态平衡，最终使得砂轮表面结合剂基体不断地被电解，新的磨料不断露出，以保证金属基砂轮在磨削过程中的锐利性，不会造成砂轮的堵塞现象，非常有利于微细粒度砂轮和提高磨削表面质量。而砂轮也不会过快消耗，能充分发挥超硬磨料的磨削能力。本试验材料采用钢结硬质合金材料GT35，采用精密卧轴矩台平面磨床MM7120，ELID镜面磨削多功能高频脉冲电源JMDMD-I型与W10、W1.5铁基结合剂金刚石砂轮进行ELID精密磨削加工。使用表面轮廓测量仪测量钢结硬质合金表面粗糙

7、度。并应用Nanoscaping-IIIA原子力显微镜对钢结硬质合金磨削表面进行微观分析。四、钢结硬质合金磨削表面AFM分析1.钢结硬质合金表面粗糙度分析通常使用表面轮廓测量仪检测钢结硬质合金表面粗糙度，在此情况下，无法分析钢结硬质合金不同组成相的磨削去除方式。而采用原子力显微镜观察其微观表面形貌，可以清楚地看出不同相的去除方式。图3是采用W1.5铁基金刚石砂轮ELID磨削钢结硬质合金表面的微观形貌。图3a为平面图像，图3b为立体图像，扫描范围为20×20µm。由图3b可以清楚地看出加工表面布满一致的磨削痕迹，同时贯穿硬

8、质相。即使在两相结合处，金刚石砂轮也产生近于相同量的切削作用。而且，光滑的加工表面由众多排列整齐的、连续的磨削痕组成，磨削痕迹两边的侧向隆起很少或几乎没有。同时，由图3b可以看出硬质相边缘圆滑，其顶面呈现出平坦的塑性去除方式。由上述分析可知，在ELID精密磨削钢结硬质合金过程中，砂轮始终保持良好的切削性能，没有呈现因