SKD61是應(yīng)用較為廣泛的熱作模具鋼。該材料淬硬后硬度可達(dá)50HRC以上，加工效率低，成本高，可切削性差。隨著新型涂層硬質(zhì)合金刀具的發(fā)展，使得高效切削加工淬硬鋼等硬材料成為可能。

目前國內(nèi)外使用最多的是WC基硬質(zhì)合金刀具，隨后又出現(xiàn)了超細(xì)晶及納米級晶粒硬質(zhì)合金、梯度硬質(zhì)合金、CBN涂層硬質(zhì)合金等刀具新類型 。近年來，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)基體材質(zhì)種類對刀具切削性能的影響做了較為深入的研究。李友生等研究了正常切削速度下各種刀具材料與工件材料匹配時的刀具磨損機(jī)理以及高速切削條件下刀具的磨損狀態(tài)；Deng Jianxin等研究了YG 及YT 類硬質(zhì)合金刀具干式切削固溶處理奧氏體不銹鋼時的磨損機(jī)制；何光春等通過YW2硬質(zhì)合金刀具高速干式車削淬硬鋼AISIH13的試驗，觀察和分析了刀具磨損表面的微觀形貌，探究了刀具的磨損機(jī)理?？梢姡芯坎煌w對硬質(zhì)合金涂層刀片銑削模具鋼耐磨性能的影響具有重要意義。

本文以試驗為基礎(chǔ)，研究不同基體對SKD61模具鋼銑削刀片耐磨性能的影響，在相同的切削參數(shù)下進(jìn)行干切削，得到了三種基體刀片耐磨性的優(yōu)劣，并對其微觀結(jié)構(gòu)及磨損機(jī)理進(jìn)行了分析。

借鑒廖詩蘭發(fā)明的硬質(zhì)合金的金相組織結(jié)構(gòu)顯露方法，試驗步驟如下：

①將三種銑刀片同時置于自動熱鑲嵌機(jī)中，并添加酚醛樹脂進(jìn)行鑲嵌處理，得到鑲嵌樣品；

②對鑲嵌樣品進(jìn)行粗磨處理，形成粗磨面；

③對粗磨面進(jìn)行精磨和拋光處理，得到金相樣品；

④配置飽和的三氯化鐵鹽酸溶液作為第一腐蝕液；

⑤將質(zhì)量百分比為20%的氫氧化鈉水溶液與等量的質(zhì)量百分比為20%的鐵氰化鉀水溶液按照1：1的體積比進(jìn)行混合，得到第二腐蝕液；

⑥將金相樣品置于第一腐蝕液中浸蝕1~2min，經(jīng)水洗吹干后，置于第二腐蝕液中浸蝕3~4min，經(jīng)水洗吹干后，再次置于第一腐蝕液中浸蝕1~2min，經(jīng)水洗吹干后得到待觀測金相樣品；

⑦將待測金相樣品置于金相顯微鏡（S3400N掃描電鏡）下進(jìn)行觀察分析并拍攝金相照片。

(2)切削試驗

試驗設(shè)備：在DNM515高效高剛性數(shù)控加工中心進(jìn)行SKD61模具鋼的銑削試驗，采用型號為VMS-1510G的光學(xué)影像儀實時測量刀片前后刀面的磨損情況。

試驗材料：材料為SKD61模具鋼，工件尺寸200mm×150mm×150mm，試驗開始前用硬度計測量得到其洛氏硬度為HRC51.4。

試驗刀具：銑削刀具為國產(chǎn)APMT1135PDER-FM硬質(zhì)合金刀片，夾具刀柄型號為BAP300R20×120-C20-2T。采用三種不同基體的刀片進(jìn)行對比試驗，涂層均為PVD-TiAlSiN+TiSiN，刀片代號為F25，F(xiàn)30，F(xiàn)35，不同代號對應(yīng)的基體信息如表1所示。

刀具失效判據(jù)：在SKD61不銹鋼的加工過程中，刀具失效的主要形式為后刀面磨損。本文采用的刀具磨損失效判據(jù)為后刀面磨損帶最大寬度VBmax≥0.3mm或刀具刃口出現(xiàn)明顯的崩碎現(xiàn)象，當(dāng)試驗刀片達(dá)到磨損壽命時停止試驗。

采用干式切削，磨損試驗切削參數(shù)為：切削速度Vc=150m/min；進(jìn)給速度f=0.5mm/r；切削深度ap=8mm；切削寬度ae=0.35mm。逐層銑削，當(dāng)加工距離達(dá)到30m（切削時間t=1500s）時，停止試驗并記錄每把刀具的磨損量。通過掃描電鏡觀測刀片表面的磨損形貌及基體的金相組織。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO分類，把切削刀具用硬質(zhì)合金所有牌號分成三大類，分別以字母P、M、K表示。其中M類（包括M10~M40，數(shù)字表示從最高硬度到最大韌性之間的一系列合金，在各種被加工材料的不同切削工序及加工條件時選用）是中合金化的硬質(zhì)合金牌號。其部分性能參數(shù)如表2所示。

M25、M30、M35基體主要是鎢鈦鉭鈷類硬質(zhì)合金YW2，其主要成分是WC、TiC、TaC及Co。這類硬質(zhì)合金又稱通用硬質(zhì)合金或萬能硬質(zhì)合金，是在YT類硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)上添加TaC。研究表明，基體內(nèi)微孔、WC 晶粒粗大、粘結(jié)相聚集等因素都會削弱硬質(zhì)合金的強(qiáng)度。因此，提高基體結(jié)合緊密性和細(xì)化晶粒是提高硬質(zhì)合金性能的兩種主要手段。

在制備YW類硬質(zhì)合金的高能球磨過程中，添加進(jìn)原料中的TaC 會吸附在WC 晶粒表面，并在部分WC 晶粒表面形成TaC單分子層，阻礙WC晶粒之間的相互接觸，抑制了WC晶粒長大。同時，由于TaC 分子在液態(tài)粘結(jié)相Co中的溶解度比WC晶粒更高，極大地抑制了WC溶解后的再結(jié)晶長大。因此，在原料中添加TaC 可以有效抑制WC 晶粒長大，細(xì)化的晶粒又能顯著提高硬質(zhì)合金的硬度。但是，如果在合金中加入過量的TaC，會導(dǎo)致WC晶粒間的晶界脆化，因未完全溶于液相Co中而析出的(Ta，W) C固溶相強(qiáng)度也遠(yuǎn)低于合金硬質(zhì)相的強(qiáng)度，受這些因素的共同作用，反而會使合金的橫向斷裂強(qiáng)度（TRS）下降。

由于加入TaC可使固溶體中WC的γ相含量降低，而使C的γ相含量提升，因此添加TaC 可以在一定程度上改善硬質(zhì)合金的含碳量。一旦硬質(zhì)合金粘結(jié)相中的碳含量增加，而固溶體中WC的γ相含量減少，其磁性鈷含量（Com）就會升高。說明TaC可在一定程度上調(diào)節(jié)硬質(zhì)合金中的碳含量，并由此抑制WC晶粒的不連續(xù)長大。

隨著TaC含量的增加，在一定范圍內(nèi)，合金的矯頑磁力（Hc）會隨之上升，反之則會減小。這種變化趨勢與試驗提供的基體信息中Hc的變化趨勢一致（M25>M30>M35）。試驗結(jié)果表明，Hc最大的M25基體刀片磨損量最小，Hc最小的M35刀片磨損量最大。即基體的Hc值越大，刀片的耐磨性越好。

由表2可看出，三種基體密度相當(dāng)，但M25的矯頑磁力最大（矯頑磁力常用于表征硬質(zhì)合金中硬質(zhì)相晶粒尺寸和黏結(jié)相的分布狀態(tài) ），由此可以推測出，M25的硬質(zhì)相（WC等）的顆粒尺寸較小，硬度最高，故M25基體的銑刀片耐磨性最好。

為進(jìn)一步探究基體對相同涂層刀片耐磨性能的影響，使用S-3400N掃描電鏡對三種銑刀片基體金相的微觀形貌進(jìn)行觀察和分析。

圖1為M25、M30和M35基體的顯微結(jié)構(gòu)。其中灰色呈不規(guī)則多面體形狀較小的顆粒為WC（α）相，少數(shù)比α相大一些的灰色不規(guī)則多面體夾雜其中，為（Ti，W，Ta）C復(fù)合碳化物，深色黏結(jié)相為Co（γ）相?？梢钥闯?，M25中WC晶粒最為細(xì)密，基本在0.4μm左右及以下；而M30中的WC晶粒稍大，約為0.4~0.8μm；M35中的WC晶粒多數(shù)在08μm以上，其固溶體約為1.2μm。這種差異的存在會對三種刀具的機(jī)械性能產(chǎn)生影響。

表3為三種基體的部分性能參數(shù)?？芍?，三種基體密度相當(dāng)，表明其致密程度相差不大，M25的矯頑力最大。從圖1的顯微金相可以看出，M25基體的硬質(zhì)相（WC等）的顆粒尺寸最小，且分布均勻。所以，M25基體表現(xiàn)出更高的硬度與抗壓強(qiáng)度。

在相同切削參數(shù)下加工30m后，三種刀片均未達(dá)到后刀面磨損帶平均寬度（VB=0.3mm）的壽命極限，F(xiàn)25為0.126mm，F(xiàn)30為0.174mm，F(xiàn)35為0.220mm，且無明顯崩刃現(xiàn)象，故VB值的大小可以反映刀具的耐磨性高低。

圖2為三種刀片銑削SKD61模具鋼時刀具后刀面磨損量隨切削距離的變化。當(dāng)切削距離不斷增加，切削產(chǎn)生的熱量不能充分散出，再加上刀具表面微觀缺陷的不斷積累，刀具的磨損量不斷增大至磨鈍標(biāo)準(zhǔn)；三種刀片中F25的磨損量最小，磨損趨勢較緩，主要是由于F25刀片基體中的WC晶粒最細(xì)，綜合機(jī)械性能最好，抵抗高溫高壓下氧化磨損的能力最強(qiáng)，有利于減輕刀片粘結(jié)和氧化磨損。

一般來說，刀具前刀面的磨損狀態(tài)會對切屑形成產(chǎn)生影響，而刀具后刀面的磨損則會對零件已加工表面質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。對銑刀片來說，切屑對其加工性能的影響較小，故主要研究刀具后刀面的磨損機(jī)理。圖3為通過影像儀觀察的三種刀片后刀面磨損形貌?？傮w上看，三種刀片的磨損帶都較為均勻，無明顯崩刃現(xiàn)象。

刀具的切削性能與其加工特定材料時的磨損機(jī)理密切相關(guān)，為進(jìn)一步分析刀片的磨損機(jī)理，利用S3400N掃描電鏡對三種刀片中磨損性能最好的F25刀片微觀形貌進(jìn)行觀察和分析。

圖3為影像儀拍攝的后刀面磨損狀態(tài)。從宏觀上看，切削刃沿后刀面向下發(fā)生了磨損。圖4為F25刀片加工SKD61模具鋼時的微觀磨損形態(tài)。圖4a是用200倍掃描電鏡拍攝的切削刃的刃口微觀磨損形態(tài)?？梢钥闯?，后刀面發(fā)生了明顯的擠壓分層。

切削加工中刀具后刀面的擠壓摩擦有以下幾個主要影響因素：①SKD61模具鋼的硬度較高，連續(xù)切削加工過程中產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，加劇刀具與工件表面的擠壓作用；②連續(xù)切削時積屑的堆積使刀具后角逐漸減小，增大后刀面與工件材料間的接觸面積，摩擦加??；③切削過程中擠壓變形所產(chǎn)生的熱量通過前刀面?zhèn)鬟f到后刀面區(qū)域，再加上摩擦熱的聚集，導(dǎo)致后刀面溫度急劇升高，高溫下刀具表面與空氣中的介質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重的氧化反應(yīng)。

如圖4a所示，沿箭頭所指方向，材料顏色逐漸變深并發(fā)生氧化分層，越靠近刀刃處，分層越明顯，同時還可以觀察到層片處存在大量塊狀堆積，由此可以判斷，刀具中部分組分脫離原始基體，刀具組分中的C、Co等元素在切削產(chǎn)生的高溫下已發(fā)生氧化，其氧化產(chǎn)物與基體的結(jié)合強(qiáng)度低，在高溫作用下軟化，刀具與工件間還存在不斷擠壓現(xiàn)象，極易發(fā)生聚集形成團(tuán)絮狀積屑瘤黏附在刀具表面。

通過觀察圖4a可以發(fā)現(xiàn)，刀刃發(fā)生了明顯的崩碎，這是因為高溫作用下形成的層片狀界面受力極易疲勞斷裂，另外依附在層片上的粘結(jié)物受到強(qiáng)烈的擠壓作用，會附帶部分刀具表面材料一同剝落，加劇刃口崩碎。

圖4b為用2000倍電鏡拍攝的靠近切削刃附近區(qū)域的放大圖。觀察擠壓面的微觀結(jié)構(gòu)呈層片狀，并存在大量不規(guī)則的團(tuán)絮狀物質(zhì)附著在層片表面。層塊狀結(jié)構(gòu)夾雜著絮狀黏附物，表明在連續(xù)擠壓作用下，原本均勻分布的刀具組分發(fā)生了重聚，低熔點(diǎn)粘結(jié)相在高溫下逐漸呈層片狀擴(kuò)展，硬質(zhì)相的界面結(jié)構(gòu)被完全破壞，部分粘結(jié)相脫離基體黏附在層片表面。

（1）TaC的加入有利于WC晶粒的細(xì)化，三種基體中M25的TaC含量最高，矯頑磁力Hc（表征硬質(zhì)合金中硬質(zhì)相晶粒尺寸和黏結(jié)相分布狀態(tài)的物理量）最大；通過顯微金相實驗發(fā)現(xiàn)，M25的硬質(zhì)相（WC等）的晶粒尺寸最小，且分布均勻，表現(xiàn)出最高的硬度與抗壓強(qiáng)度；

（2）在相同條件下干式銑削加工SKD61模具鋼時，三種涂層相同、基體不同的銑刀片耐磨性優(yōu)劣依次為M25>M30>M35，說明M25具有最好的綜合機(jī)械性能；

（3）M25、M30、M35三種基體刀片的后刀面主要磨損特征為涂層剝落，而高溫下的粘結(jié)和氧化是其失效的根本原因；當(dāng)致密度相近時，基體的WC晶粒越細(xì)，分布越均勻，抵抗高溫高壓下氧化磨損的能力越強(qiáng)，有利于減輕刀片粘結(jié)和氧化磨損，從而推遲崩刃的發(fā)生，延長刀具使用壽命。