高硬金属加工过程中表面白层的研究

高硬金属加工过程中表面白层的研究

摘要:综述了国内外对高硬金属加工过程中表面白层的研究现状,指出了当前白层研究中存在的分歧和争论,着重讨论了表面白层的组织结构和形成机制,并提出了今后的研究方向。

关键词:白层,高硬金属加工

2引言

刀具材料的发展、机床及其零部件的改进,使得硬态切削成为可能,并且可达到磨削加工的精度与表面质量,为某些淬硬零件的加工开辟了精加工的新途径。硬态切削的明显优点是切削时柔性较高,用一定几何参数的刀具可加工不同形状的零件;不用切削液,利于环境保护;加工时间短,投资费用少。在某些领域,硬态切削已经被证实是一种经济、有效的代替磨削的加工方法。

2摩擦学白层研究现状

“白层”的概念最早始于2922年,它不仅是两接触表面摩擦的结果,也可在一些大变形条件下,甚至是电火花切割及激光表面处理等冷急条件下产生。因它能抵抗一般的腐蚀,在光学显微镜下呈现白色,所以被称为白层,通常具有比原始材料高的硬度。因对材料的摩擦磨损性能有重要的影响,又被冠以摩擦学白层、白色浸蚀层、绝热剪切带、再结晶层和摩擦学转变结构等不同的名称。

影响显微硬度的因素钢的类型应力因素温度因素断层迁移率全部 √加工硬化全部√ 回复/再结晶全部√√奥氏体化a相钢 √应力导致的马氏体转化高硬钢,某些奥氏体不锈钢√ 热量导致的马氏体转化淬硬钢 √淀积硬化高合金钢,高碳钢 √回火马氏体钢√

一定厚度的薄层:白层的厚度取决于形成条件和原始组织,不同摩擦、磨损条件下白层的形貌差别很大,白层厚度一般在2.2~222μm之间,最常见的厚度为22~52μm。

至今对白层的形成机制仍有争议,国内外学者对白层的形成机制做了大量的实验、理论分析和研究,主要形成以下几种观点:

3硬态切削过程中被加工表面的白层

硬态切削过程中出现的白层,是工件表面完整性的组成之一,其组织形貌特征和形成机制引起了国内外学者的重视。

文东辉等人采用PCBN刀具切削淬硬GCr25轴承钢时发现,工件表层和亚表层的组织状态由均匀分布的隐晶马氏体和结晶马氏体以及少量的残留奥氏体组织转变为主要是针状的马氏体、伴随大量析出的碳化物和少量的残留奥氏体的金相组织。认为是硬态切削过程产生大量的切削热、精加工切屑体积较小,使切削温度很容易超过GCr25轴承钢的Ac2,表层组织重新奥氏体化,切削后工件在空气中高速旋转得到快速冷却,避开了等温冷却中的“C”曲线,奥氏体将避免在临界温度以下的较高温度范围内发生转变,而全部被保留到较低温度进行马氏体转变;马氏体转变过程中会发生体积的膨胀,未转变的奥氏体受到各方面的压缩使一部分奥氏体保留下来,故冷却到室温时的组织主要为马氏体和少量的残余奥氏体;奥氏体中的含碳量仅为钢中含碳量的37%,在快速冷却时碳未能完全溶解,故在表层也可以观察到析出的碳化物。还观察到切削过程中的白层厚度随刀具后刀面的磨损量增加而逐渐增加,认为刀具后刀面磨损量的增大使切削过程中热量增多,切削温度很高,是影响工件表面白层形成的主要因素。此白层结构不存在亚表层所谓的回火软化层,而摩擦学白层的硬度分布在亚表层有一个明显的梯度。

GCr25轴承钢的原始组织 已加工表面白层的微观结构

图2 GCr25轴承钢的基体组织和白层组织

阿拉巴马大学的Y Kevin Chou和Chris J Evans等学者通过用磨损的陶瓷刀具硬态切削52222钢来研究硬态切削表面白层的形成机理,认为白层的形成主要是一个涉及钢的金相变化的快热—快冷过程。他们应用基于JAEGER的移动热源理论的热量模型来模拟加工表面的温度范围并根据给定临界温度的穿透厚度估计白层的厚度,分析与实验结果吻合得很好。

4结语

白层具有高硬度、不易侵蚀、较薄、晶粒极细、严重塑变、形成时间短和存在微裂纹等特征。从广义上讲,白层表现为摩擦磨损表面的显微组织变化,是摩擦磨损过程的必然产物。白层组织通常出现在材料的表层,同材料的磨损性能密切相关,一直是磨损领域的一个研究焦点。白层的出现常伴随着裂纹的形成,这意味着材料行将失效,因而研究白层与磨损的关系至关重要。揭开白层形成机制、研究其破坏机理并对其进行有效的控制,对指导摩擦学设计、改善工件表面质量和性能、实现以硬态切削代替磨削加工都具有重要的意义。

目前对白层的形成机制尚缺乏系统的研究,对白层的组织结构也有待进一步研究。应当说,学术界对白层的本质和形成机制尚不清楚,争论不休。从大量的结果可以看出,白层的形成强烈依赖于材料本身和外部运行条件。一方面,白层微观组织结构的澄清将对认识白层的转变机制和在磨损过程中的作用有决定性的意义。目前国内对于表面变质层的研究还停留在理论探索和初级实验阶段,即用透射电镜或扫描电镜观察磨削表面。要想对其形成机理、显微结构做出合理的解释还有待于实验手段和方法的更新,只有依靠先进的实验技术和表面分析测试手段,才能取得突破性的进展。另一方面,研究白层的转变机制,需在大量的实验基础上系统地研究摩擦磨损和加工过程中能量的变化规律,以揭开塑性变形和摩擦热的真面目。白层是摩擦和加工过程中形成的动态组织,其结构取决于外加摩擦条件、环境条件和材料本身性质等,从系统的角度进行对白层形成的研究可能会有所突破。

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