激光熔覆Fe基超细晶刀具研制及其切削性能研究

作     者：杨龙云 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖光春

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光熔覆 Fe基熔覆层 超细晶 刀具改性 切削性能 

摘      要：为强化及修复高速钢刀具,在M2高速钢表面制备了原位自生纳米VC增强亚微米Fe基超细晶熔覆层,有效提高了刀具的硬度和耐磨性,延长了刀具使用寿命。 本文首先以原位自生VC增强Fe基复合材料作为基础,研究了激光工艺参数对熔覆层组织和性能的影响,然后探究了合金元素对熔覆层组织与性能的影响,分析了合金元素对熔覆层硬度和红硬性的改善机理,并将所制备的超细晶熔覆层刀具与M2高速钢刀具进行了切削性能对比研究。 通过改变激光工艺参数制备出超细晶熔覆层。研究发现较低的激光功率导致预置粉末不能充分熔化,较高的激光功率导致熔覆层晶粒粗化。在激光功率1000W,扫描速度12 mm/s时,制备出的熔覆层Fe基体晶粒尺寸最小,具有最好的力学性能,平均晶粒尺寸和硬度分别为1.02μm和685 HV。 熔覆合金粉末中添加合金元素能有效改善熔覆层组织和性能。随着Co添加量的增加,熔覆层中γ相数量先减小再增加,碳化物分布更均匀,硬度先升高再降低。当Co添加量为6.0 wt.%时,熔覆层的硬度和红硬性达到最高,分别较未添加Co熔覆层提高了98 HV和138 HV。Co元素通过影响马氏体转变和碳化物的析出,提高了熔覆层的抗回火稳定性。Cr元素主要固溶在α-Fe中。随着Cr含量的增加,熔覆层中γ相数量先减小后增大,熔覆层的硬度和红硬性均是先增大后减小,在添加5.0 wt.%时达到最高值791 HV和742 HV,添加3.0 wt.%Cr时熔覆层的回火后硬度下降最少。Mo元素的添加对熔覆层的硬度提升较小,对红硬性有较为显著的提升。随着Mo添加量的提高,熔覆层内的γ相数量逐渐减少,当Mo添加量为4.0 wt.%及更高时,熔覆层基体的晶粒尺寸明显增大,熔覆层内的碳化物团聚现象也有所增加。在Mo添加量为3.0 wt.%时,熔覆层的硬度和红硬性均达到最大值。 设计了三因素三水平的正交试验,以硬度、红硬性和磨损体积为评价指标,确定Co、Cr、Mo最佳的协同添加量为4.0 wt.%Co-5.0 wt.%Cr-3.0 wt.%Mo。熔覆层的硬度和红硬性由于固溶强化和生成复合碳化物得以明显提升,分别为未添加合金元素熔覆层的1.28倍和1.35倍。 在M2高速钢上制备了Fe-VC熔覆层和协同添加Co、Cr、Mo的Fe-VCX熔覆层。由于高速钢基材的熔化,W、Cr、Mo、V、C等元素反向过渡进入熔覆层,明显细化了熔覆层晶粒,并在晶间区域富集,生成MC型碳化物。大量的碳化物在晶界处组成碳化物网络,显著的提高了熔覆层硬度和耐磨性。Fe-VC熔覆层的硬度和耐磨性分别为M2高速钢的1.13倍和1.43倍,Fe-VCX的硬度和耐磨性分别为M2高速钢的1.06倍和1.27倍。 选取热处理45号钢作为切削工件,对比研究了熔覆层刀具和M2高速钢刀具的切削性能。确定最优切削工艺为v=40 m/min,a=0.2 mm,f=0.102 mm/r。相比于高速钢刀具,Fe-VC熔覆层刀具的主切削力和切削温度分别降低了17.2%和14.5%,有效切削距离为其1.42倍;Fe-VCX刀具的主切削力和切削温度分别降低了9.2%和11.1%,有效切削距离为高速钢刀具的1.33倍。Fe-VC和Fe-VCX熔覆层刀具的磨损形式主要为前刀面的粘结磨损,以及后刀面的磨粒磨损和粘结磨损。