论文部分内容阅读
为解决高速钢刀具磨损过快,切削寿命过低的问题,本文采用激光熔覆技术,在W6Mo5Cr14V2（M2）高速钢刀具材料表面制备了GNPs/TiN/Co基熔覆层,有效提高了刀具材料的硬度和耐磨性,延长了刀具的使用寿命。本文首先以TiN/Co基熔覆层刀具材料为基础探究了激光工艺参数,然后研究了石墨烯（GNPs）在激光辐照过程中,在熔池内的演变过程及作用机理,最终制备出GNPs/TiN/Co基熔覆层刀具并与高速钢刀具进行切削实验对比。制备了TiN/Co基熔覆层刀具材料,通过研究获得了最优脉冲激光热输入。在扫描速度16 mm/s、脉冲频率4 Hz时,熔覆层具有最佳力学性能,平均硬度、摩擦系数和磨损体积分别达到590.0 HV、0.43和1.30×10~7μm~3。低频脉冲激光（4 Hz）一方面可以减小熔覆层晶粒尺寸,使粗大树枝晶转变为细小等轴晶,另一方面可以使熔覆层内TiN颗粒细小均匀分布,相比高频脉冲激光（4000 Hz）,TiN平均颗粒尺寸降低了45.6%（0.37μm）,熔覆层受颗粒强化作用,力学性能提高。研究了GNPs在激光辐照作用下,在Co基熔池内的演变过程及作用机理,并制备了GNPs/Co基熔覆层刀具材料。由于GNPs属于纳米尺寸、片状结构,其表面存在许多褶皱,使得GNPs具有较高的表面能及活性和较好的均化作用。GNPs在激光高能辐照作用下发生熔解,与熔池内的合金元素原位生成Cr23C7、Cr7C3等碳化物,提高了熔覆层硬度,最高平均硬度达到576.8 HV,提高了约43.3%,在形成碳化物的过程中,温度梯度引起成分波动和能量起伏,提高了熔池的形核率,进而细化了晶粒,添加3%GNPs的Co基熔覆层平均晶粒相比未添加GNPs熔覆层下降了47.5%（4.2μm）。在熔池中未熔解的GNPs随熔池冷却存留在熔覆层内,起到减磨润滑的作用,经摩擦磨损测试,GNPs/Co基熔覆层最优摩擦系数为0.358,磨损体积为4.86×10~7μm~3,分别降低了约26.0%和49.5%。制备了GNPs/TiN/Co基熔覆层刀具材料,平均硬度最高达到777.2 HV,比未添加GNPs时提高了33.5%。硬度的提高不仅因为GNPs在熔覆过程中原位生成了Cr23C7和Cr7C3等碳化物,还因为GNPs和TiN在激光辐照作用下,原位生成了Ti（C,N）固溶体,通过热力学分析证明了在激光辐照时,熔池内可能发生TiN分解和Ti（C,N）生成。在控制激光热输入不变时,同时改变脉冲激光占空比和功率时,熔覆层几何尺寸及性能发生较大变化。随着脉冲占空比的降低和功率的增大,熔覆层熔池深度和热影响区厚度增加,TiN聚集上浮现象逐渐消失。在激光占空比为65%时,TiN/Co基熔覆层获得最细小均匀的组织,TiN平均粒径降低至0.27μm,平均硬度达到最高,约为779.0 HV,磨损体积减小至0.84×10~7μm~3;GNPs/TiN/Co基熔覆层硬度达到921.0 HV。最后选取45钢为切削工件,对GNPs/TiN/Co基熔覆层刀具和高速钢刀具切削性能进行对比研究。在切削速度v=40 m/min,背吃刀量ap=0.2 mm,进给量f=0.102 mm/r时,获得最佳切削工艺。相比高速钢刀具,熔覆层刀具的主切削力降低了约10.0%（119 N）,切削温度降低了约16.7%（253.6℃）,这是由于熔覆层优异的高温硬度以及GNPs优异的减磨润滑作用,有效提高了熔覆层刀具的切削性能。其有效切削距离约为5700 m,磨损形式主要为前刀面的轻微粘结磨损,而后刀面的磨粒磨损和粘结磨损。