刀具材料与工件材料的元素扩散检测研究

高速切削加工技术已成为切削加工的主流，在高速切削条件下，刀具占主导地位的磨损机理与常规速度下刀具的磨损机理有所不同。许多学者对高速切削条件下的刀具磨损进行了大量的研究。A．Jawaid、c．H．Che-Harden等人使用硬质合金刀具进行了高速切削加工钛合金的刀具磨损研究，M．Nouari和A．Molinari对高速切削加工铝合金的硬质合金刀具磨损形态进行了研究，龙震海、王西彬和刘志兵使用了硬质合金刀具对超高强度合金钢和马氏体不锈钢进行了高速铣削试验。研究结果都表明：高速切削加工时．扩散磨损是刀具磨损的重要原因之一。

在实际的切削过程中，很难对刀具的扩散磨损进行深入研究。本文采用刀具材料和工件材料的静态扩散实验装置，将硬质合金刀具材料和钛合金进行静态元素扩散试验，再利用带能谱分析的扫描电子显微镜对刀具和工件材料之间的元素扩散进行分析研究，从而为刀具的扩散磨损研究奠定基础。

1 带能谱分析的扫描电子显微镜的性能特点

单纯使用扫描电子显微镜(以下简称扫描电镜/SEM)进行试样形貌的拍摄已经无法满足当前科学发展的需求。随着材料、医学、生物等学科的发展，将扫描电镜、能谱分析仪(EDS)及计算机技术结合在一起形成功能强大的带能谱分析的扫描电子显微镜成为必然的趋势。

扫描电镜的原理是聚焦电子束在试样表面作光栅状扫描，高能量电子与所分析的试样相互作用而产生各种信息，通过接收和处理这些与试样的表面形貌、晶体取向及表面状态等因素有关的信息便可获得试样的微观形貌图像。扫描电镜具有放大倍数范围大、高分辨率、图像富有立体感、试样制作简单等特点。能谱分析仪是利用高能电子束来照射样品，不同样品原子受激发会产生不同的特征x射线，不同特征的x射线光子能量就不同，能谱分析仪就是通过测量x射线光子能量来检测样品中的元素成分。它具有可以同时探测多种元素、分析速度快、灵敏度高、X射线损失小等特点。

将扫描电镜、能谱仪及计算机技术结合为一体就成为带能谱分析的扫描电子显微镜，它将扫描电镜和能谱仪两者功能与特点结合在一起。对材料进行分析研究时，带能谱分析的扫描电镜具有以下基本的功能特点：

观察试样微观形貌同时可以进行定点元素分析。由于带能谱分析的扫描电子显微镜是将扫描电镜、能谱仪结合在一起，所以在观察试样微观形貌的同时还可以对某一点进行元素成分分析，分析时由于避免了试样的移动，所以对定点元素的定量和定性分析更加准确。

可以对试样进行线、面扫描分析。使用带能谱分析的扫描电子显微镜时，让聚焦电子束在试样观察区内沿一直线进行扫描或者作二维光栅扫描，就可以对试样进行线或面的元素扫描分析。

试样分析速度快。使用带能谱分析的扫描电子显微镜时，由于不需要进行标样，节省大量的标样时间，且一次谱线分析就可测得全部元素，所以在观察试样形貌的同时就可以快速、准确进行元素分析。

表1 YG6和Ti-6Al-4V的化学成分及其含量

2 刀具材料和工件的静态扩散实验装置

由于实际的切削试验中，对刀具的扩散磨损很难深入研究。本文采用静态扩散实验装置进行刀具材料和钛合金的元素扩散试验，从而为刀具的扩散磨损研究提供帮助。刀具材料与工件的静态扩散实验装置结构图。将刀具材料和工件的结合面分别进行研磨抛光处理，装入实验装置并紧固，然后放入电阻炉中进行加热保温，最后取出工件并去掉表层氧化层。

3 刀具材料和钛合金的静态元素扩散试验分析

选用硬质合金刀具材料(YG6)和钛合金(Ti-6Al-4V)进行静态元素扩散试验，试验温度为500℃，保温时间为1.5h。表1为YG6和Ti-6Al-4V的化学成分及其含量。YG6和Ti-6Al-4V扩散试样的SEM照片。可以看出利用静态扩散实验装置进行元素扩散试验时。YG6和Ti-6Al-4V的扩散试样界面结合良好，保证了扩散的顺利发生。

为了对试样的元素扩散情况进行研究，在YG6和Ti-6Al-4V结合界面两侧取几个点，利用带能谱分析的扫描电镜(扫描电镜型号：日立S-2500；能谱分析仪型号：OXFORD—INCA)分别对这几个点进行EDS元素分析，可以得到各个点的元素成分及其质量百分含量。YG6和Ti-6Al-4V扩散试样中2点的EDS元素分析，表2为对应各元素的质量百分含量。

表2 对应各元素的质量百分含量

可以看出，YG6和Ti-6Al-4V扩散试样中2点含有W、C、Co和Ti四种元素。而从表2中可以知道这四种元素的质量百分含量，其中Co元素含量低于刀具材料原本Co的含量，这可能是由于元素的扩散作用，导致了Co元素的流失。

利用带能谱分析的扫描电镜对YG6和Ti-6Al-4V的结合界面处的六个点都进行EDS元素定量分析，然后将各个点中同一种元素的含量绘制在一条曲线上，就得到这种元素在YG6和Ti-6Al-4V结合界面的元素扩散曲线。YG6和Ti-6Al-4V结合界面处W、Co和Ti三种主要元素的扩散曲线，其中在元素扩散曲线水平轴0点处有一垂直虚线，代表YG6和Ti-6Al-4V的结合界面，虚线左侧表示YG6，虚线右侧表示Ti-6Al-4V。

可以发现，YG6和Ti-6Al-4V结合界面处，刀具材料中的W、Co元素确实向Ti-6Al-4V中发生了扩散。W的扩散深度为大于1µm，而Co的扩散深度小于0.5µm。从Co元素的扩散曲线上发现，即使在边界左侧3µm处，Co元素的含量仍明显低于刀具材料中原本Co的含量。这可能是由于在高温及元素扩散作用下，造成了YG6中Co元素的流失。刀具材料中W和Co元素的扩散，会降低刀具的硬度和韧性，在切削加工过程中会加快刀具的磨损。从Ti元素的扩散曲线上也可以发现，Ti-6Al-4V中的Ti元素向刀具方向也发生了扩散，扩散深度在2µm左右。切削加工时，Ti元素向刀具材料中的扩散，破坏了刀具原本的组织结构，也会降低刀具的切削性能，加剧刀具磨损。

4 结束语

使用刀具材料和工件的静态扩散实验装置，利用带能谱分析的扫描电镜的性能特点，对YG6和Ti-6Al-4V的静态元素扩散试样进行了分析。分析表明，YG6和Ti-6Al-4V之间确实可以发生元素的相互扩散。分析的结果可以对切削加工过程中刀具的扩散磨损研究提供帮助。