钢结硬质合金ELID磨削表面的AFM分析

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(ELID)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(AFM)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2 ELID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，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，没有呈现因砂轮堵塞及磨粒磨钝而未及时脱落造成硬质点呈脆性破裂的特征。由此可见，在砂轮粒度很小的情况下(平均粒度为1.5μm)，采用ELID磨削技术，在整个磨削过程，磨粒切削刃能够均匀一致地对各种组成相产生切削作用，保证了碳化物硬质相以及粘结相以微小塑性剪切方式去除，同时也缩小了两相去除速度不一致的现象。

图3 ELID磨削钢结硬质合金AFM表面形貌

2. 钢结硬质合金表面缺陷分析

钢结硬质合金是采用粉末冶金制造工艺生产的，合金基体组织连续和致密性不如熔炼钢，存在较多的缺陷，如孔隙、发裂、偏析、WC和TiC不均匀聚集及出现碳化物“桥接”等组织缺陷，采用ELID磨削技术对钢结硬质合金(GT35)进行精密镜面磨削，可使其表面粗糙度Ra≤0.02μm，为采用AFM分析钢结硬质合金的表面质量提供必要条件。

硬质合金分布均匀性是钢结硬质合金的一个主要问题，WC及TiC颗粒分布均匀，则可以充分发挥硬质相的支撑与强化作用，而WC颗粒发生严重偏聚，则不但不能提高复合材料的强度、硬度和耐磨性，而且还会由于局部区域脆性增加，裂纹易产生甚至扩展。此外，由于组织相的不均匀分布，还会引起机械性能、切削加工性及可热处理性能的严重降低。图4显示了钢结硬质合金裂纹的AFM扫描图像，图3a为其平面图像，图4b为其立体图像。由图4可以清晰看出，此处硬质相发生了偏聚，而且裂纹发生在硬质相与粘结相的交界处。从裂纹的宽度与深度以及断裂方向上看，此处裂纹不是由于在磨削过程中产生的，而为材料在粉末冶金过程中由于碳化物发生偏聚所引起。

图4 钢结硬质合金表面裂纹AFM扫描图像

缺陷孔及游离态石墨的存在是钢结硬质合金的又一主要缺陷。一般是由在混料和压制过程中带入灰尘和其他脏物，导致烧结时形成较大尺寸的孔洞。缺陷孔与游离态石墨的存在会在钢基体上产生孔洞，割裂基体，引起应力集中，大幅度降低材料的性能。图5显示了缺陷孔的微观形貌，此处孔的尺寸大致为7×7μm，远大于硬质点的尺寸，由此可断定，此孔不是硬质点自钢基体脱落而形成的。这从另一个侧面证明了在磨削过程中砂轮堵塞现象减少。

图5 钢结硬质合金表面凹坑AFM扫描图像

五、结论

通过对ELID精密磨削钢结硬质合金磨削机理的研究，以及通过AFM对精密磨削后钢结硬质合金的微观表面形貌进分析可知，采用ELID磨削技术解决了钢结硬质合金零件的精密磨削加工，实现了不同组成相的均匀去除，其表面粗糙度可达Ra≤20nm(s13)。并在此基础上对钢结硬质合金表面的两个主要缺陷裂纹与缺陷孔进行了分析，碳化物的偏聚是裂纹形成的主要原因，最深处可达700nm。

(切削技术网站)