>一、前言鋼結硬質合金是一種以硬質化合物(WC或TiC等)為硬質相，以合金鋼作為粘結相的復合材料，它既吸收了硬質合金的高硬度、高強度、高耐磨性的特點，也具有鋼的塑性、韌性、可加工性等特點，同時克服了硬質合金高脆性、鋼的低強度、低硬度等缺點，現廣泛應用于航天、航空等領域，成為一種應用前景廣泛的新型材料。但由于鋼結硬質合金零件表面粗糙度要求較高，而材料的結構特點又決定了其本身的加工制造較困難，尤其一般的磨削加工很難達到工藝要求。本文以在線電解修整(ELID)磨削方法磨削鋼結硬質合金(GT35)，并應用原子力顯微鏡對其進行了微觀表面形貌分析，研究了鋼結硬質合金難加工機理及其表面缺陷形成機理。

　　二、鋼結硬質合金難加工機理本文研究磨削的鋼結硬質合金零件的材料為GT35，合金成分及硬度值見表1。表1試驗用鋼結硬質合金的成分代號化學成分%硬度值HV10TiCCCrMoFeGT35350.50.22.0余量933由表1可以看出，其既有硬質合金的高硬度、高耐磨性，又有熔煉鋼的可加工性。圖1是GT35微觀表面形貌，應用美國DI公司生產的Nanoscaping-IIIA原子力顯微鏡(AFM)對GT35表面80×80µm范圍進行掃描。其中圖1a為平面圖像，圖1b為其立體圖像，由圖1可看出，鋼結硬質合金中含有大量高硬度TiC硬質相凸出在基體表面起抗磨作用。鋼中還有多種碳化物同樣起抗磨作用，其中碳化物相占總重量一半以上，鋼結硬質合金的強韌性靠鋼基體中碳和合金元素作用。但是上述強化結構也造成淬火后的鋼結硬質合金的精密加工十分困難。因為組成強化結構的兩相具有差異懸殊的物理、化學和力學性能，其中一相硬度高，一相韌性好。因此，在機械加工過程中，鋼基體因硬度低易去除，而碳化物硬度高不易去除，造成加工表面高低不平，不僅造成砂輪磨耗加快，而且通常得不到良好的加工表面。圖1鋼結硬質合金AFM形貌掃描圖(80×80µm)

　　三、ELID精密鏡面磨削鋼結硬質合金ELID磨削技術成功地解決了鑄鐵纖維、鑄鐵結合劑超硬磨料進行在線電解修整磨削的技術，解決了鑄鐵基砂輪整形、修銳等難題，而且使得超微細金剛石、CBN磨料(粒徑為幾微米至5nm)能夠應用于超精密鏡面磨削。其平面磨床系統原理圖見圖2。圖2ELID磨削原理示意圖在修整過程中鑄鐵基砂輪作為陽極，工具作為陰極，在砂輪外圓表面和電極的間隙中通過有電解能力的磨削液，在電源作用下，利用電解過程中的陽極溶解效應，對砂輪表層的金屬基體進行電解去除，使金剛石磨粒逐漸露出砂輪表面，從而形成對砂輪的修整作用。在電解修整過程中，砂輪表層形成一層有絕緣作用的氧化膜，該膜的厚度對電導率有直接的影響，可以減緩和阻止進一步的電解，使電解速度降低，以免使砂輪損耗過快。該層氧化膜組織較疏松，能夠使磨鈍磨粒及時脫落，減少砂輪的堵塞，降低磨削力與磨削溫度。當砂輪表面的磨料磨損后，出刃高度降低，由于工件材料的刮擦作用，使氧化膜變薄，導電性恢復，金屬基體電解過程加快，使磨料出刃高度增加，氧化膜變厚。由于這種非線性電解作用的結果，可以使這種修整作用對磨削過程有一定的自適應能力，砂輪表面與金屬基體的去除速度與磨料消耗的速度達到動態平衡，最終使得砂輪表面結合劑基體不斷地被電解，新的磨料不斷露出，以保證金屬基砂輪在磨削過程中的銳利性，不會造成砂輪的堵塞現象，非常有利于微細粒度砂輪和提高磨削表面質量。而砂輪也不會過快消耗，能充分發揮超硬磨料的磨削能力。本試驗材料采用鋼結硬質合金材料GT35，采用精密臥軸矩臺平面磨床MM7120，ELID鏡面磨削多功能高頻脈沖電源JMDMD-I型與W10、W1.5鐵基結合劑金剛石砂輪進行ELID精密磨削加工。使用表面輪廓測量儀測量鋼結硬質合金表面粗糙度。并應用Nanoscaping-IIIA原子力顯微鏡對鋼結硬質合金磨削表面進行微觀分析。

　　四、鋼結硬質合金磨削表面AFM分析1.鋼結硬質合金表面粗糙度分析通常使用表面輪廓測量儀檢測鋼結硬質合金表面粗糙度，在此情況下，無法分析鋼結硬質合金不同組成相的磨削去除方式。而采用原子力顯微鏡觀察其微觀表面形貌，可以清楚地看出不同相的去除方式。圖3是采用W1.5鐵基金剛石砂輪ELID磨削鋼結硬質合金表面的微觀形貌。圖3a為平面圖像，圖3b為立體圖像，掃描范圍為20×20µm。由圖3b可以清楚地看出加工表面布滿一致的磨削痕跡，同時貫穿硬質相。即使在兩相結合處，金剛石砂輪也產生近于相同量的切削作用。而且，光滑的加工表面由眾多排列整齊的、連續的磨削痕組成，磨削痕跡兩邊的側向隆起很少或幾乎沒有。同時，由圖3b可以看出硬質相邊緣圓滑，其頂面呈現出平坦的塑性去除方式。由上述分析可知，在ELID精密磨削鋼結硬質合金過程中，砂輪始終保持良好的切削性能，沒有呈現因砂輪堵塞及磨粒磨鈍而未及時脫落造成硬質點呈脆性破裂的特征。由此可見，在砂輪粒度很小的情況下(平均粒度為1.5µm)，采用ELID磨削技術，在整個磨削過程，磨粒切削刃能夠均勻一致地對各種組成相產生切削作用，保證了碳化物硬質相以及粘結相以微小塑性剪切方式去除，同時也縮小了兩相去除速度不一致的現象。圖3ELID磨削鋼結硬質合金AFM表面形貌2.鋼結硬質合金表面缺陷分析鋼結硬質合金是采用粉末冶金制造工藝生產的，合金基體組織連續和致密性不如熔煉鋼，存在較多的缺陷，如孔隙、發裂、偏析、WC和TiC不均勻聚集及出現碳化物“橋接”等組織缺陷，采用ELID磨削技術對鋼結硬質合金(GT35)進行精密鏡面磨削，可使其表面粗糙度Ra≤0.02µm，為采用AFM分析鋼結硬質合金的表面質量提供必要條件。硬質合金分布均勻性是鋼結硬質合金的一個主要問題，WC及TiC顆粒分布均勻，則可以充分發揮硬質相的支撐與強化作用，而WC顆粒發生嚴重偏聚，則不但不能提高復合材料的強度、硬度和耐磨性，而且還會由于局部區域脆性增加，裂紋易產生甚至擴展。此外，由于組織相的不均勻分布，還會引起機械性能、切削加工性及可熱處理性能的嚴重降低。圖4顯示了鋼結硬質合金裂紋的AFM掃描圖像，圖3a為其平面圖像，圖4b為其立體圖像。由圖4可以清晰看出，此處硬質相發生了偏聚，而且裂紋發生在硬質相與粘結相的交界處。從裂紋的寬度與深度以及斷裂方向上看，此處裂紋不是由于在磨削過程中產生的，而為材料在粉末冶金過程中由于碳化物發生偏聚所引起。圖4鋼結硬質合金表面裂紋AFM掃描圖像缺陷孔及游離態石墨的存在是鋼結硬質合金的又一主要缺陷。一般是由在混料和壓制過程中帶入灰塵和其他臟物，導致燒結時形成較大尺寸的孔洞。缺陷孔與游離態石墨的存在會在鋼基體上產生孔洞，割裂基體，引起應力集中，大幅度降低材料的性能。圖5顯示了缺陷孔的微觀形貌，此處孔的尺寸大致為7×7µm，遠大于硬質點的尺寸，由此可斷定，此孔不是硬質點自鋼基體脫落而形成的。這從另一個側面證明了在磨削過程中砂輪堵塞現象減少。圖5鋼結硬質合金表面凹坑AFM掃描圖像

　　五、結論通過對ELID精密磨削鋼結硬質合金磨削機理的研究，以及通過AFM對精密磨削后鋼結硬質合金的微觀表面形貌進分析可知，采用ELID磨削技術解決了鋼結硬質合金零件的精密磨削加工，實現了不同組成相的均勻去除，其表面粗糙度可達Ra≤20nm(s13)。

　　并在此基礎上對鋼結硬質合金表面的兩個主要缺陷裂紋與缺陷孔進行了分析，碳化物的偏聚是裂紋形成的主要原因，最深處可達700nm。(切削技術網站)