數(shù)控機(jī)床鉆頭的鍛壓工藝優(yōu)化研究
2018-6-15 來源：河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：張朝杰, 陳 建
摘要：采用不同的始鍛溫度、終鍛溫度和鍛比，對(duì)含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭進(jìn)行了鍛壓試驗(yàn)，并進(jìn)行了表面硬度、高溫耐磨損性能和高溫沖擊性能的測試與分析。 結(jié)果表明，隨著始鍛溫度、終鍛溫度、鍛比的增加，鉆頭的表面硬度、高溫磨損體積和高溫沖擊吸收功均先增大后減小。 鉆頭的優(yōu)化工藝為始鍛溫度 1180 ℃、終鍛溫度 950 ℃、鍛比 6。 此工藝下，鉆頭的表面硬度達(dá) 78 HRC，600 ℃磨損體積低至 21×10-3mm3，600 ℃沖擊吸收功高達(dá) 58 J。
關(guān)鍵詞：鍛壓工藝； 始鍛溫度； 終鍛溫度； 鍛壓比； 數(shù)控機(jī)床鉆頭
鉆頭是數(shù)控機(jī)床極為重要的零部件之一。 鉆頭性能的好壞， 直接關(guān)系到加工產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)效率。高速鋼是一種常用的數(shù)控機(jī)床鉆頭材料。但是， 目前常用的 W18Cr4V 高速鋼鉆頭由于高溫性能不理想，導(dǎo)致它的應(yīng)用受到限制。 為此，本文在W18Cr4V 高速鋼鉆頭中添加少量的合金元素鍶（Sr）進(jìn)行新型數(shù)控機(jī)床鉆頭的制備 ，并對(duì)不同鍛壓工藝下的新型數(shù)控機(jī)床鉆頭的表面硬度、 高溫耐磨性能、高溫沖擊性能進(jìn)行了研究，優(yōu)化出含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的鍛壓工藝， 為含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的應(yīng)用提供了新的思路和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
1、 試驗(yàn)材料與方法
在 W18Cr4V 高速鋼中 添 加 0.5wt%合 金 元 素Sr，經(jīng)過感應(yīng)熔煉和電渣重熔，獲取試驗(yàn)需要的含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭鋼錠。 采用 EDX1800C 型 X射線熒光光譜儀對(duì)含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭鋼錠試樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果如表 1 所示。
表 1 試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)
在 25MN 鍛壓機(jī)上進(jìn)行含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的鍛壓試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，對(duì)始鍛溫度、 終鍛溫度和鍛比這三個(gè)重要的工藝參數(shù)選取不同的數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)。 試樣的具體鍛壓工藝參數(shù)如表2 所示。
表 2 試樣的鍛壓工藝參數(shù)
鍛壓過程中的毛坯加熱溫度為 450 ℃、模具預(yù)熱溫度為 350℃。由于 W18Cr4V 高速鋼的導(dǎo)熱性較差， 所以本試驗(yàn)中的含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭鍛壓過程采用分段加熱 ， 900 ℃以下低溫段 加熱時(shí)間按 1min/mm 進(jìn)行計(jì)算選取，900 ℃以上高溫段加熱時(shí)間按 0.5min/mm 進(jìn)行計(jì)算選取。 由于加熱火次過多，容易因鍛壓抗力過大導(dǎo)致試樣開裂，所以，本實(shí)驗(yàn)的加熱火次選為：前三火為三鐓三拔、最后一火為修整成形。 鍛壓完成后的鉆頭鍛件依次進(jìn)行 880℃×3h+750 ℃×5 h 等溫退火處理 、1280 ℃×30 min 油淬 、560℃×1h 三次回火的熱處理， 獲得所需的含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭測試試樣。
含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭試樣的表面硬度 ， 采用HR-150A 型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測試 ， 測試溫度為室溫。 試樣的高溫摩擦磨損試驗(yàn)，在 MMUD-5B 型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為 600℃，記錄試樣的磨損體積， 以磨損體積表征耐磨性能， 并用EVO18 型掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面磨損形貌。 試樣的高溫沖擊性能，采用 JK-KC 型高溫沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，測試溫度為 600℃，記錄試樣的沖擊吸收功， 并用 EVO18 型掃描電子顯微鏡觀察試樣的沖擊斷口形貌。
2、 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 表面硬度
采用不同的始鍛溫度、 終鍛溫度和鍛比制備出的含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭試樣的表面硬度測試結(jié)果 （鍛壓工藝參數(shù)對(duì)試樣表面硬度的影響）如圖 1 所示。
圖 1 鍛壓工藝參數(shù)對(duì)試樣表面硬度的影響
始鍛溫度對(duì)表面硬度的影響為試樣 1～4，始鍛溫度對(duì)表面硬度的影響為試樣 5、6、3、7， 鍛比對(duì)表面硬度的影響為試樣 8、3、9、10。 從圖可以看出，始鍛溫度、終鍛溫度和鍛比均對(duì)含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的表面硬度產(chǎn)生明顯影響。 隨始鍛溫度從1100 ℃增加至 1220℃、終鍛溫度從 850 ℃增加至 1000 ℃、鍛比從 4 增加至 10，鉆頭的表面硬度均先增大后減?。划?dāng)始鍛溫度為 1180℃、終鍛溫度為 950℃、鍛比為 6 時(shí)，含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的表面硬度值最大（78HRC）。
2.2 高溫耐磨損性能
采用不同的始鍛溫度、 終鍛溫度和鍛比制備出的含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭試樣， 在 600℃下的高溫摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果 （鍛壓工藝參數(shù)對(duì)試樣高溫磨損體積的影響）如圖 2 所示。
圖 2 鍛壓工藝參數(shù)對(duì)試樣高溫磨損體積的影響
從圖2可以看出，始鍛溫度、終鍛溫度和鍛比均對(duì)含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭高溫耐磨損性能產(chǎn)生顯著影響 。 隨始鍛溫度從 1100 ℃增 加 至1220 ℃、終鍛溫度從 850 ℃增加至 1000 ℃、鍛比從4 增加至 10，鉆頭的磨損體積均先小后增大；當(dāng)始鍛溫度為 1180℃、終鍛溫度為 950℃、鍛比為 6 時(shí)，鉆頭的 600 ℃磨損體積最小（21×10-3mm3）， 鉆頭的高溫耐磨損性能最佳。 圖 3 是采用始鍛溫度為 1180℃、終鍛溫度為 950℃、鍛比為 6 的含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭試樣 3 在高溫摩擦磨損試驗(yàn)后的表面形貌 SEM照片。 從圖 3 可以看出，在上述鍛壓工藝參數(shù)下，含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭試樣 3 在高溫摩擦磨損試驗(yàn)后表面僅有少量的細(xì)小磨痕，無明顯的起皮或脫落，表現(xiàn)出較佳的高溫耐磨損性能。
圖 3 試樣 3 在高溫磨損試驗(yàn)后的表面 SEM 形貌
2.3 高溫沖擊性能
采用不同的始鍛溫度、 終鍛溫度和鍛比制備出的含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭試樣， 在 600℃環(huán)境下的高溫沖擊性試驗(yàn)結(jié)果 （鍛壓工藝參數(shù)對(duì)試樣高溫沖擊性的影響）如圖 4 所示。
圖 4 鍛壓工藝參數(shù)對(duì)試樣高溫沖擊性能的影響
從圖 4 可以看出，始鍛溫度、終響鍛溫度和鍛比均對(duì)含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭高溫耐磨損性能產(chǎn)生顯著影響 。 隨 始 鍛 溫 度 從 1100 ℃增 加 至1220 ℃、終鍛溫度從 850 ℃增加至 1000 ℃、鍛比從4 增加至 10，鉆頭的磨損體積均先增大后減?。划?dāng)始鍛溫度為 1180℃、 終鍛溫度為 950℃、 鍛壓比為 6時(shí)，含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的 600℃沖擊吸收功最大（58J），鉆頭的高溫沖擊性能最佳。 圖5是采用始鍛溫度為 1180 ℃、終鍛溫度為 950 ℃、鍛壓比為 6 的含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭試樣 3 在高溫沖擊試驗(yàn)后的斷口形貌SEM 照片。 從圖5可以看出，在上述鍛壓參數(shù)下，含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭試樣
3 的高溫沖擊斷口由較多的細(xì)小韌窩和少量的撕裂棱組成， 表現(xiàn)出較為明顯的韌性斷裂特征和較佳的高溫沖擊性能。
圖 5 試樣 3 高溫沖擊試驗(yàn)后的斷口 SEM 形貌
2.4 討論與分析
在含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的鍛壓過程中，始鍛溫度、終鍛溫度和鍛比是非常重要的三個(gè)工藝參數(shù)。 始鍛溫度的選擇關(guān)系到含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭鍛壓后的組織與性能，始鍛溫度不宜過低也不宜過高。在含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭鍛壓過程中， 在保證不出現(xiàn)加熱缺陷的前提下，應(yīng)該提高始鍛溫度，以便有充裕的時(shí)間進(jìn)行鍛壓成形，減少加熱次數(shù)；但是始鍛溫度過高，容易導(dǎo)致含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的晶粒粗化、組織分布不均勻，從而降低含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的高溫耐磨損性能和高溫沖擊性能。在鍛壓過程中，含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的終鍛溫度也需要進(jìn)行合理選擇， 過低或過高的終鍛溫度都不利于獲得較佳性能的鉆頭。 這主要是因?yàn)槿绻J數(shù)控機(jī)床鉆頭的終鍛溫度過低， 一方面因?yàn)閲?yán)重的加工硬化使得鉆頭鍛壓困難， 另一方面可能導(dǎo)致鉆頭在鍛壓過程中產(chǎn)生內(nèi)部裂紋， 降低鉆頭的力學(xué)性能。相反，如果鍛壓過程中鉆頭的終鍛溫度過高，鍛后的鉆頭晶粒長大明顯、內(nèi)部組織難以達(dá)到致密化， 從而使得鉆頭的高溫耐磨損性能和高溫沖擊性能降低。 在含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的鍛壓過程中，鍛比也是重要的工藝參數(shù)。 提高鍛比，有助于使得鍛件更加充分、均勻，從而獲得更加均勻的組織，改善含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的綜合性能。因此，從提高含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的高溫耐磨損性能和高溫沖擊性能出發(fā)， 含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的始鍛溫度優(yōu)選為1180℃、終鍛溫度優(yōu)選為 950℃、鍛比優(yōu)選為 6。
3、 結(jié)論
（1） 始鍛溫度、 終鍛溫度和鍛比均對(duì)含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的表面硬度、 高溫耐磨損性能和高溫沖擊性能產(chǎn)生重要影響。 隨始鍛溫度從 1100 ℃增加至1220 ℃、終鍛溫度從 850 ℃增加至 1000 ℃、鍛比從4 增加至 10，鉆頭的表面硬度、高溫磨損體積和高溫沖擊吸收功均先增大后減小。
（2） 當(dāng)始鍛溫度為 1180 ℃ 、 終鍛溫度為 950℃、鍛比為 6 時(shí)，含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的表面硬度值最大 （78 HRC）、600 ℃磨損體積最小 （21×10-3mm3）、600 ℃沖擊吸收功最大（58 J）。從提高高溫耐磨損性能和高溫沖擊性能出發(fā)， 含鍶數(shù)控機(jī)床鉆頭的始鍛溫度優(yōu)選為 1180 ℃、終鍛溫度優(yōu)選為 950 ℃、鍛比優(yōu)選為 6。
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