柴油发动机缸体用合金铸铁的刀具材料匹配性研究

摘要

作为汽车、船舶、内燃机车、工程机械、军工装备等领域的一个重要配套动力来源，柴油发动机的发展对我国的工业进步、经济发展与国防建设都起到关键性的作用。与汽油发动机相比而言，柴油发动机具有着耐用、节能、经济与环保的特点。WP10型柴油发动机缸体用合金铸铁通过Cu、Cr、Sn等合金元素的添加，合金铸铁的力学性能、铸造性能得到了明显改善，但合金元素的添加同时也降低了合金铸铁的切削加工性能，导致刀具磨损严重，影响了加工效率与加工成本。硬质合金涂层刀具具有耐磨、稳定性高等特点，成为加工合金铸铁的一种常用刀具材料。对于合金铸铁进行刀具材料（包括涂层材料）的合理匹配，选择合适的刀具材料（包括涂层材料）可以延长刀具寿命、降低加工成本、提高加工效率。
　　本文围绕柴油发动机缸体用合金铸铁的刀具基体材料及涂层材料匹配性进行了研究，主要研究内容如下:
　　(1)利用高温扩散实验研究了合金铸铁与硬质合金的化学、物理与力学性能匹配。从化学性能匹配出发，合金铸铁与YG类硬质合金间在高温下出现了明显的元素扩散现象，Fe与W均观察到了比较显著的扩散。其中合金铸铁中的Fe向YG类硬质合金中的扩散非常显著，且扩散深度随着刀具材料中的Co含量升高而升高;而刀具材料中的W向合金铸铁中的扩散与刀具材料的牌号关系不大。从物理、力学匹配性出发，YG6X、YG6A硬度高，其他各项性能指标均比较均衡，适合用与精加工、半精加工。YG8冲击韧性高、抗弯强度强，适用于粗加工。
　　(2)利用高温氧化实验、高温扩散实验、切削实验研究了合金铸铁与涂层材料的匹配，发现具有Al2O3膜的CVD的(TiCN)复合涂层硬质合金刀具在高温下与合金铸铁间的元素扩散很小，且刀具内部的扩散在比较高的温度下才发生，抗扩散性能卓越。PCVD的TiN与PVD的TiAlN在较低的温度下就观察到了与合金铸铁间及刀具内部的元素扩散，抗扩散性能较差。切削实验结果表明材质为(Ti，Al)N-Ti(C，N)-TiN的F40M涂层硬质合金刀具相比材质为Ti(C，N)-Al2O3的MK1500涂层硬质合金刀具在切削合金铸铁刀具磨损量更小，加工表面粗糙度更低;但在切削初期阶段更易磨损，且存在崩刃现象。
　　(3)对柴油发动机缸体上平面精加工、半精加工与粗加工过程中刀具的失效形式进行了研究。研究发现崩刃、刀具涂层剥落、刀具基体材料的片状剥落、微裂纹、硬质点磨损、粘结磨损与扩散磨损是合金铸铁加工中主要的磨损形式。
　　本研究对于柴油发动机缸体用合金铸铁加工的刀具基体材料及涂层材料的选择有着一定的指导作用。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 柴油发动机缸体研究现状

1．2．1 柴油发动机缸体材料

1．2．2 缸体加工

1．3 铸铁切削加工性能研究现状

1．3．1 切削力

1．3．2 切削温度

1．3．3 表面粗糙度

1．3．4 刀具磨损

1．4 刀具材料匹配性研究现状

1．4．1 硬质合金匹配性

1．4．2 涂层匹配性

1．5 任务来源及主要研究内容

第2章 合金铸铁与硬质合金的匹配性

2．1 合金铸铁抗氧化性能

2．1．1 化学反应热力学计算方法

2．1．2 合金铸铁高温氧化反应的热力学计算

2．1．3 合金铸铁的高温氧化实验研究

2．2 合金铸铁与硬质合金刀具间的元素扩散研究

2．2．1 扩散理论

2．2．2 扩散试验设计

2．2．3 扩散试验结果分析

2．3 合金铸铁与硬质合金刀具间的力学性能匹配

2．4 合金铸铁与硬质合金刀具间的物理性能匹配

2．5 合金铸铁与硬质合金刀具的匹配关系

2．6 本章小结

第3章 合金铸铁与涂层材料的匹配性

3．1 合金铸铁与涂层材料间的元素扩散

3．1．1 试验设计

3．1．2 试验结果与分析

3．2 涂层材料抗氧化性能研究

3．2．1 试验设计

3．2．2 实验结果与分析

3．3 涂层硬质合金刀具的切削性能研究

3．3．1 实验条件

3．3．2 试验设计

3．3．3 测量仪器

3．3．4 刀具磨损历程

3．2．5 表面粗糙度

3．4 本章小结

第4章 合金铸铁加工过程中的刀具失效模式分析

4．1 精铣上平面刀具磨损分析

4．1．1 精铣上平面刀具前刀面磨损分析

4．1．2 精铣上平面刀具后刀面磨损分析

4．1．3 精铣上平面修光刃磨损分析

4．2 半精铣上平面刀具磨损分析

4．2．1 半精铣上平面刀具前刀面磨损分析

4．2．2 半精铣上平面刀具后刀面磨损分析

4．3 粗铣上平面刀具磨损分析

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与课题

致谢