刀具是机械制造中用于切削加工的工具.古人云:“工欲善其事,必先利其器”,刀具在机械制造业的切削加工中占有重要地位^[1].刀具从选材到包装,需要经过30多道工序才能完成.制造刀具的一般工艺流程^[2]为:选材加热 锻打化学热处理锻打淬火打磨.在热处理过程中,刀具难免会产生许多质量缺陷,有时甚至会因为某种严重缺陷而报废.刀具热处理产生的缺陷有:硬度低、脱碳、变形、开裂、过热、过烧、腐蚀、萘状断口、表面皱纹和表面蒸镀等^[3].由于加热时的氧化性气氛(如空气、气氛中的O₂、CO₂、H₂O等)氧化刀具,在刀具表面形成FeO、Fe₂O₃和Fe₃O₄等氧化物.图 1为热处理后表面氧化的刀具.由于没有进行有效的表面清洗,刀具表面已被严重氧化,生成铁锈,严重影响了刀具的使用性能.

图 1

图 1 未清洗的刀具表面图片 Fig.1 Surface image of cutting tool without cleaning

化学清洗存在成本较高,容易腐蚀金属和排除的废液会造成环境污染等缺点.超声波清洗技术一次性投资大,且清洗时零件摆放位置要求高^[4].激光清洗不适用于大尺寸零件,且成本较高,技术尚不完善.

高压水射流是以水为介质,通过高压发生设备增压获得巨大能量,经一定形状的喷嘴喷出的一股能量集中的高速水流.应用范围由采矿、破岩、钻孔、清洗、除垢发展到金属和超硬材料切割、表面处理、研磨等方面.高压水射流清洗技术相对上述几种清洗技术具有不会损伤基体、不会造成二次污染、成本低、工作效率高、用途广泛,易于实现自动化和机械化等优点^[5,6].

本文将研究高压水压力、流速及喷嘴尺寸对刀具的清洗效果,为高压水射流技术在刀具清洗方面的应用提供一定的理论依据.

试验使用型号为DBG-1850Fg3的清洗机清洗,其参数见表 1.试验刀具为热处理后的9SiCr4合金,各元素的质量分数:C为0.85%～0.95%,Si为1.20%～1.60%,Mn为0.30%～0.60%,Cr为4.155%～4.171%,W为1.54%～1.58%,S＜0.009%,P＜0.034%.

表 1(Table 1)

表 1 DBG-1850Fg3型清洗机参数 Tab. 1 Parameter table of DBG-1850Fg3 washing machine 额定压强/ MPa 理论流量/ L·min-1 配置动力/ kW 柱塞直径/ mm 柱塞行程/ mm 泵额定转速/ r·min-1 减速器额定转速/ r·min-1 60 30 37 18 50 800 1 450

表 1 DBG-1850Fg3型清洗机参数 Tab. 1 Parameter table of DBG-1850Fg3 washing machine

试验采用Bruker D8 Advance X射线衍射仪对刀具表面的氧化物进行连续扫描,图 2为XRD检测结果.从图 2中可以发现,氧化物的主要成分为NaNO₃、Na₃H(CO₃)₂ · 2H₂O、Fe₂O₃和Fe₃O₄,其中NaNO₃的含量最高.

图 2

图 2 XRD图谱 Fig.2 XRD patterns

图 3为S4800 SEM观察到的氧化后的刀具表 面形貌.观察发现刀具表面有大量片状物质.通过能谱仪对刀具基体进行成分分析,发现刀具中主要含有C、Fe、O、Cr、W和V等元素.Fe是刀具基体材料的主要元素,因此,Fe元素的含量最高.

图 3

图 3 氧化后刀具表面的SEM图像 Fig.3 SEM image on the surface of cutting tool after oxidation

图 4是图 3中选定区域的片状物放大后的图像.图 4中区域1处Fe和O的含量较高,由此可推断该区域主要为Fe的氧化物.区域2和区域3处Na和O的含量较高,可以推测这些区域含有较多的钠类氧化物,其中区域3的O含量略高于区域2.

图 4

图 4 放大6 000倍后的SEM图像 Fig.4 SEM image after magnified 6 000

图 5为刀具表面聚集许多呈棒状的颗粒物质图像,通过能谱分析,得到各元素的含量见表 2.

图 5

图 5 刀具表面形貌及能谱测量点 Fig.5 Micrograph and energy spectrum measurement point of toool surface

表 2(Table 2)

表 2 各元素的质量和原子分数 Tab. 2 Mass and atomic percentage of each element 元素 质量分数/% 原子分数/% C K 10.47 14.78 O K 62.27 66.04 Na K 24.24 17.89 Ca K 3.03 1.28

表 2 各元素的质量和原子分数 Tab. 2 Mass and atomic percentage of each element

由表 2可知,O元素所占的比例最高,说明刀具表面含有较多的氧化物,还含有一定量的Na、Ca和C元素.比较基体材料和表 2成分可以推断出:表面存在盐类物质是导致刀具表面氧化的原因.基体不含Na,说明有外来物附着在了刀具表面上.结合刀具的生产过程,可以推断盐类物质来自于刀具的盐浴热处理工艺.根据XRD试验结果中的物相分析,发现刀具表面的氧化物主要为NaNO₃、Na₃H(CO₃)₂·2H₂O、Fe₂O₃和Fe₃O₄等物质,SEM观察到了这些物质的形貌.这些附着物不仅会降低刀具表面的性能;而且这些表面附着物和基体表面结合得比较牢固,一般清洗技术(如超声波)较难清洗干净.为此,研究一种合理的清洗技术显得尤为重要.

通过上述分析可知,表面覆盖物的来源主要有以下几个方面:盐浴炉采用NaCl作为熔剂,在热处理过程中同CO₂、H₂、O₂和N₂形成了NaNO₃、Na₃H(CO₃)·2H₂O.基体Fe能与H₂O、O₂形成Fe₂O₃和Fe₃O₄.

本文对高压水射流的清洗参数进行了研究.由式(1)和式(2)可知,压力与射流速度成正比,与喷嘴直径成反比.

射流速度:

喷嘴直径:

根据企业实际应用的参数,在较小范围内利用正交试验法研究了以下三种方案.表 3为第一种清洗方案,在时间和喷头直径均保持一定的条件下,试验了55 MPa、60 MPa和66 MPa三种压强,比较了不同压强下的清洗效果.表 4为第二种清洗方案,在压强和喷头直径保持一定的条件下,试验了30 s、60 s和120 s三种时间.表 5为第三种清洗方案,在最佳的压强和喷射时间下,试验了三种不同喷头尺寸的清洗效果,喷头直径分别为1.2 mm、1.4 mm和2.0 mm.通过比较发现,高压水压强为60 MPa、喷头直径为1.4 mm和清洗时间为60 s时,刀具表面的氧化物被清除干净,与没有清洗的部分有明显的区别,如图 6所示.该参数可有效地清洗刀具表面,清洗效果明显、成本较低、无污染.

表 3(Table 3)

表 3 第一种清洗参数 Tab. 3 First cleaning patterns 编号 压强/MPa 时间/s 喷头直径/mm 效果 1 55 60 1.4 清洗效果较差 2 60 60 1.4 清洗效果良好 3 66 60 1.4 良好,但是压力 太大,反弹的水 珠较多

表 3 第一种清洗参数 Tab. 3 First cleaning patterns

表 4(Table 4)

表 4 第二种清洗参数 Tab. 4 Second cleaning patterns 编号 压强/MPa 时间/s 喷头直径/mm 效果 1 60 30 1.4 清洗效果较差 2 60 60 1.4 清洗效果良好 3 60 120 1.4 良好,但是时间较长

表 4 第二种清洗参数 Tab. 4 Second cleaning patterns

表 5(Table 5)

表 5 第三种清洗参数 Tab. 5 Third cleaning patterns 编号 压强/MPa 时间/s 喷头直径/mm 效果 1 60 60 1.2 清洗效果良好,但是水 柱较小,反弹压力较大 2 60 60 1.4 清洗效果良好 3 60 60 2.0 较差

表 5 第三种清洗参数 Tab. 5 Third cleaning patterns

图 6

图 6 清洗后的效果 Fig.6 Effect image after cleaning

用SEM进一步观察清洗后的样品表面形貌,如图 7所示.EDS检测发现,清洗前的覆盖物 NaNO₃、Na₃H(CO₃)₂·2H₂O、Fe₂O₃和Fe₃O₄已经被清洗掉,只留下了Fe和C等基体材料,说明清洗工艺选择较为合理.

图 7

图 7 刀具清洗后的SEM图像 Fig.7 SEM micrograph of tool after cleaning

(1) 通过显微观察及分析,确定刀具表面覆盖物为NaNO₃、Na₃H(CO₃)₂·2H₂O、Fe₂O₃和Fe₃O₄,形貌呈棒状和颗粒状等.

(2) 高压水压强为60 MPa、喷头直径为1.4 mm以及清洗时间为60 s的参数条件下,可以清除覆盖物.高压水射流清洗技术具有高效、环保特点,是刀具表面清洗的发展方向.