高压水射流技术清洗刀具的研究

作者简介： 黄园园(1989-),女,材料科学专业,学士.

通讯作者: 付亚波,男,博士,主要从事铜及铜合金及表面清洗等研究.

摘要： 刀具是机械制造中用于切削加工的工具,表面热处理后易形成一层覆盖物影响其使用性能.主要研究了高压水射流技术清洗刀具,通过SEM、XRD测试得出刀具表面覆盖物为NaNO3、Na3H(CO3)2·2H2O、Fe2O3、Fe3O4,形貌呈棒状、颗粒状等.为了清除这些覆盖物,采用DBG-1850Fg3型清洗机进行试验,发现在高压水压强为60 MPa、喷头直径为1.4 mm、清洗时间为60 s的条件下,表面的覆盖物可被清除.高压水射流清洗技术具有高效、环保等特点,是刀具表面清洗的发展方向.

关键词： 高压水射流; 清洗; 刀具; 氧化物

中图分类号： TP 69文献标志码： A

Research on Cleaning Cutting Tools with High Pressure Water Jet

HUANG Yuanyuan, FU Yabo, MENG Zhilai, SHI Yufeng,

WEI Sangsang, YANG Feijun, CHU Yanyun

(School of Physics and Electical Engineering, Taizhou University, Taizhou 318000, China)

Abstract： Cutting tool is widely used for processing cutting in mechanical manufacturing, however,a layer of chemical covering formed on the surface after heat treatment will affect its properties.The cleaning effect by using highpressure water jet technology to remove the chemical covering on the cutting tool’s surface is studied and presented in this paper.The chemical covering on the cutting tool’s surface was checked and analyzed by SEM and XRD instruments.Analysis show that the covering contains NaNO3,Na3H(CO3)2· 2H2O,Fe2O3 and Fe3O4,and the shapes are rodlike and/or grainlike.In order to remove the covering,some cleaning tests were carried out by using cleaning machine—DBG-1850Fg3.The result scanned by SEM shows that the chemical covering was removed when water pressure at 60 MPa,the sprayer head,1.4 mm in diameter and cleaning time 60 s.High pressure water jet cleaning technology has the advantages of high efficiency and environmental protection.It presents the development of the surface cleaning of cutting tools.

Key words： high pressure water jet; clearing; cutting tools; surface oxidation

0前言

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.

上海有色金属第35卷

第1期黄园园,等:高压水射流技术清洗刀具的研究

图1未清洗的刀具表面图片

Fig.1Surface 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.

1试验参数

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1DBG-1850Fg3型清洗机参数

Tab.1Parameter 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-160303718508001 450

2结果与讨论

2.1XRD检测结果

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.

2.2SEM试验结果分析

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

图2XRD图谱

Fig.2XRD patterns

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氧化后刀具表面的SEM图像

Fig.3SEM 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放大6 000倍后的SEM图像

Fig.4SEM 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刀具表面形貌及能谱测量点

Fig.5Micrograph and energy spectrum

measurement point of toool surface

表2各元素的质量和原子分数

Tab.2Mass and atomic percentage

of each element

元素质量分数/%原子分数/%C K10.4714.78O K62.2766.04Na K24.2417.89Ca K3.031.28

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.

3刀具表面清洗参数研究

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:

V=C(2Pρ)12(1)

喷嘴直径:

d=4QπV=4QπC2Pρ(2)

式中:V为射流速度,m/s;C为流速系数;P为射流压力,MPa;Q为液体流量,cm3/s;ρ为液体密度,g/cm3.

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第一种清洗参数

Tab.3First cleaning patterns

编号压强/MPa时间/s喷头直径/mm效果155601.4清洗效果较差260601.4清洗效果良好366601.4良好,但是压力太大,反弹的水珠较多

表4第二种清洗参数

Tab.4Second cleaning patterns

编号压强/MPa时间/s喷头直径/mm效果160301.4清洗效果较差260601.4清洗效果良好3601201.4良好,但是时间较长

表5第三种清洗参数

Tab.5Third cleaning patterns

编号压强/MPa时间/s喷头直径/mm效果160601.2清洗效果良好,但是水

柱较小,反弹压力较大260601.4清洗效果良好360602.0较差

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6清洗后的效果

Fig.6Effect image after cleaning

图7刀具清洗后的SEM图像

Fig.7SEM micrograph of tool after cleaning

4结论

(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.

参考文献:

［1］郑文虎.刀具材料和刀具的选用［M］.北京:国防工业出版社,2012:1-10.

［2］陈云,杜齐明,董万福,等.代金属切削刀具实用技术［M］.北京:化学工业出版社,2008:48-49.

［3］王志杰.高速钢刀具热处理缺陷的原因及预防措施［J］.金属加工(热处理),2010(1):29-30.

［4］张继峰.超声波清洗在生产线中的应用［J］.金属制品,2005,31(1):23-24.

［5］卢晓江,何迎春,赖维.高压水射流清洗技术及应用［M］.北京:化学工业出版社,2006:18-19.

［6］刘金林,付亚波,崔静,等.HPb583易切削铅黄铜阀门材料表面变色原因研究［J］.上海有色金属,2013,34(1):24-27.第35卷第1期2014年3月上海有色金属SHANGHAI NONFERROUS METALSVol.35, No.1Mar. 2014