PCBN刀具的磨损机理和干切削GCr15时的磨损与寿命

1 引言 目前，对聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的磨损与寿命问题的研究相对硬质合金刀具而言还不够充分。随着PCBN刀具应用范围的不断扩大，如何正确使用PCBN刀具，使其发挥最大加工效益已变得日益重要，因此有必要对PCBN刀具的磨损机理与使用寿命进行系统研究。目前国内外的相关研究内容大多集中在PCBN刀具的一般磨损机理以及在具体加工条件下切削高温合金、铸铁等材料时的切削性能等方面。对于PCBN刀具的重要应用之一——干式切削淬硬钢时的磨损问题迄今还很少有人进行研究。PCBN刀具是经高温高压烧结而成的两相物质，立方氮化硼(CBN)晶粒的高硬度和高稳定性使PCBN刀具具有优异的耐磨性；此外，PCBN刀具存在着粘结剂磨损。因此，PCBN刀具的磨损规律与工作寿命具有一定特殊性。本文以PCBN刀具干式切削不同硬度的GCr15轴承钢为研究对象，系统分析了日本住友公司BN500 牌号PCBN刀具的磨损与寿命问题。 2 PCBN刀具干切削GCr15时的磨损机理

• 机械磨损 切削加工时，刀具与工件之间的高速相对运动引起剧烈摩擦，工件材料中的硬质点对刀具表面具有划伤作用，这种由机械摩擦引起的刀具磨损是最常见的磨损因素之一。由于PCBN刀具的硬度相对被加工材料要高得多，因此其机械磨损并不明显。
• 粘结剂磨损 PCBN刀具由CBN晶粒与结合剂混合烧结而成。切削加工时，作为粘结剂的陶瓷或金属首先被磨耗，从而使CBN晶粒凸出刀具表面而受力松动，直至剥落。 氧化磨损 在一定条件下，CBN可与氧发生化学反应，氧置换出CBN中的氮并生成B2O3，氧化结果造成CBN晶体晶面凹陷、晶棱缩小，使刀具产生“钝化”现象。CBN在650℃时开始氧化(此时有N2释出)，在1035℃时氧化加剧，其化学反应式为 4BN(CBN)+3O2→2N2↑+ 2B2O3 水在高温下也可与CBN发生反应，其化学反应式为 BN(CBN)+3H2O→H3BO3+ NH3 由于这种“水解”作用可导致CBN磨损，因此采用PCBN刀具切削时一般应避免使用水剂切削液。
• 逆转化(相变)磨损 CBN在1234℃时会发生CBN→HBN(六方氮化硼)的逆转化，这种转化起始于晶界微晶区，已转化为HBN的部分因硬度极低而失去切削能力，极易被高速运动的“热切屑流”带走，从而导致PCBN刀具磨损，这种磨损称为逆转化磨损(也称相变磨损)。PCBN刀具在高温(>1200℃)下切削一段时间后，刀刃部分的高温区有时会出现由许多小凹坑构成的不均匀“麻斑”，这是因为切削温度超过了CBN→HBN转化的临界温度所致。产生逆转化磨损后的刀具表面白色“麻斑”实际就是CBN单晶脱落后残留的、已转化的HBN。在CBN→HBN的逆转化中，氧和氧化物起到了催化剂的作用。与此相反，金属钴可通过降低氧化气氛而抑制CBN→HBN转化倾向。
• 化学磨损 PCBN刀具在高温、高压、高速条件下进行切削加工时，刀具工作层与被加工材料及周围介质发生化学反应，当反应生成物被溶化后，在刀具前刀面上将形成一层液态薄膜，其成分主要为化学反应生成的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等(如B2O3、Fe-FeB2共晶体)，另外还有一些金属间化合物。这种液态薄膜对PCBN刀具的磨损具有较大影响。当切削速度较低时，液态薄膜的粘度较大，易被切屑粘结带走，因此刀具磨损较为严重；随着切削速度的升高，切削温度上升，液态薄膜动力粘度下降，对刀—屑间的摩擦可起到明显的润滑作用，且BN在薄膜中已饱和，此时液态薄膜可起到保护层的作用，防止成分扩散和化学磨损的进一步发展，故刀具磨损较小。切削试验表明，刀具结合剂中的Al含量越高，刀具后刀面的磨损速度越快，刀具寿命越短。
• 扩散磨损 CBN对铁族元素(Fe、Ni、Co等)具有很强的化学惰性。有研究表明：在CBN晶粒与电解铁的扩散实验中(1200℃，加热30min)未发现两者之间相互扩散；在PCBN与55钢的扩散实验中(1200℃，加热30min)发现，CBN聚晶后，刀具中的B、Co向Fe中有少量扩散。另外的加热实验表明：TiN基、TiC基PCBN刀具中的Al与被加工材料中的Ni发生了扩散；Co基PCBN刀具中的Co与被加工材料中的Ni也发生相互扩散；若刀具材料中含有Ni，则扩散磨损更为严重。另外，当PCBN刀具结合剂中含有Al、被加工材料中含有Si时，Si会向刀具中扩散并与Al结合形成SiAlON，从而导致刀具磨损。有研究表明：几种刀具材料与铁之间的相互扩散强度由大到小依次为：金刚石→碳化硅→立方氮化硼→氧化铝；而它们与钛合金之间的相互扩散强度的大小顺序则刚好相反，分别为：氧化硅→立方氮化硼→碳化硅→金刚石。
• 粘结磨损 虽然CBN对铁族元素具有较高化学惰性，但对其它元素并非如此。PCBN刀具在一定压力和温度条件下进行切削时，随着切屑不断流出，刀尖与被加工材料均不断裸露出新鲜表面，不可避免地要产生元素间的相互扩散，扩散结果使CBN的惰性不断降低，与合金元素的亲合倾向不断增加，并为粘结磨损创造了条件。由于切削时切屑、工件与刀具前、后刀面之间存在剧烈摩擦和较大压力，促使它们之间发生粘结。当双方的相对运动使粘结区材料发生破裂而被一方带走时，就造成了PCBN刀具的粘结磨损。研究表明：粘结磨损一般是以微粒脱落的形式出现。金属Ni会增大刀具与工件材料间的粘结强度，从而加剧粘结磨损。
• 微裂解磨损 PCBN是由无数微小而无方向相性的CBN单晶组成。在CBN聚晶过程中，通过触媒或添加剂向材料中扩散进去一些“杂质”(如Si、Ca、Cu等元素)，这些“杂质”存在于晶界间。由于晶界为杂质富集区，强度相对薄弱，从某种意义上可视为“裂纹”(称为“精细裂纹”)。此外，在先天或加工条件(即使烧结良好)作用下，在原始晶粒内部以及晶界处均存在着内应力。“精细裂纹”和内应力的存在导致聚晶体的实际强度远低于其理论值。PCBN刀具切削时，刀刃部微小单晶颗粒脱落现象称为微裂解，数个CBN颗粒的剥落称为微崩刃。微裂解与微崩刃混杂磨损是超硬刀具材料特有的磨损类型。 PCBN刀具切削时，由于热切屑流的摩擦与刮研、被加工材料材质不均导致的微冲击、机床—工件—刀具系统的振动等因素，使聚晶体首先在晶界处产生裂纹，单晶颗粒的非连续脱落造成刀具的微裂解和微崩刃，在刃口处形成凸凹不平的裂解区并不断扩大，直至引起裂断。
• 非正常磨损 非正常磨损主要指PCBN刀具的崩刃型破损(CBN团块崩落)。产生崩刃型破损的原因与切削条件选用不当、刀具使用不合理、加工设备条件差、操作者缺乏经验等因素有关(有时也与复合片质量问题有关)。刀具刃磨质量不高也是造成刀具碎裂的一个重要因素。刃磨时在刀具表面留下的划痕会大大降低刀具强度，进而会使CBN晶粒从划痕处脱落，造成刀具的微裂解磨损和微崩刃，直至刀具破损。
PCBN刀具的各种磨损形式是相互影响、共同作用的，如氧化磨损和相变磨损必然伴随着粘结磨损，并可使机械磨损加剧，同时也会促进剥落磨损和微崩刃磨损的产生。由于各种磨损因素的综合作用，使不同磨损形式相互渗透与交错。当月牙洼磨损出现时，说明切削温度已接近1200℃；当刀具表面出现微小乳突状麻点时，表明发生了相变磨损，切削高温区已超过1200℃，此时必须对切削用量、刀具几何角度等作相应调整，必要时可采取使用冷却液或N2保护等防护性措施。
• PCBN刀具的磨损形式
• 前刀面磨损 使用PCBN刀具切削GCr15淬硬轴承钢时，其前刀面磨损形式为月牙洼磨损，磨损形貌如图1所示。由于PCBN刀具的高温硬度高，只有达到一定温度和压力后才会产生磨损，因此月牙洼磨损只发生在距刀刃很近的部分，且宽度很窄，这一点有别于硬质合金刀具。
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  图1 PCBN刀具前刀面磨损形貌

  
  

  
  

  

  
  图2 PCBN刀具后刀面磨损形貌

  
  

  
  

• 后刀面磨损 PCBN刀具切削GCr15淬硬轴承钢时的后刀面磨损形貌如图2所示。从外观上可观察到以机械磨损为主的磨损带，同时粘有一些工件材料，并有CBN晶粒脱落现象。仅从磨损形式上看与硬质合金刀具的磨损并无明显区别，只是磨损量很小。
• PCBN刀具磨损原因分析 通过对PCBN复合片原始表面及已磨损刀具的前、后刀面进行微观形貌拍照及化学元素分析，可查明PCBN刀具的磨损原因。为比较不同位置的磨损差异，在前刀面上选取3个测试点，即距离刀刃较近的A点、月牙洼底部的B点和月牙洼背部的C点(参见图1)；在后刀面磨损带上选取2个测试点，即距离刀刃较近的D点和磨损带结束部位的E点(参见图2)。用HITACHI X-650扫描电镜(配备电子探针)进行检测。 图3所示的电子探针分析结果表明，BN500牌号的PCBN复合片所含主要元素有Ti、Al、Hf、N等(由于电子探针的性能关系，未检测出B元素)。 GCr15轴承钢材料所含化学成分及其含量见下表。通过与PCBN刀具材料成分进行对比，可分析刀具的磨损原因。 表  GCr15的化学成分及含量

  成分 C Mn Si Cr S P

  含量(%) 0.95～1.05 0.20～0.40 0.15～0.35 1.30～1.65 <0.020 <0.027

  通过比较前刀面上A、B、C各点的检测结果可知，月牙洼磨损部位增加了Fe、O、C等元素，且其含量与月牙洼部位有关，月牙洼底部的元素含量最高，如图4所示，其中Fe和O元素显示最为清晰。上述元素中，Fe和C来自工件材料，O来自空气，说明造成前刀面磨损的原因除机械磨损外，还有氧化磨损和化学磨损。来自工件材料的Fe和C在高温高压作用下与BN500 结合剂中的金属元素生成金属间化合物，Fe还可与CBN中的B反应生成Fe-FeB2共晶体，从而加快了PCBN复合片的磨损。
  

  
  图3 BN500 复合片原始表面化学元素分析结果

  
  

  
  

  
  

  

  
  图4 前刀面月牙洼底部化学元素分析

  
  

  
  

  
  

  
  

  

  
  图5 后刀面磨损带刀刃附近点的化学元素分析

  
  

  
  

  由微观形貌的电镜照片可见，刀具表面比复合片的原始表面粗糙得多，并有CBN晶粒凸出，说明其周围的结合剂已被磨去。比较A、B、C三点的磨损情况可知，其磨损原因相同，仅在磨损程度上存在差别。 通过比较后刀面磨损带上D、E点的检测结果可知，在距刀刃较近的D点处(见图5)含有Cr、Fe、C、O等元素，其中Cr、Fe、C等元素来自工件材料，O来自空气，说明在D点附近除机械磨损外，还有氧化磨损和化学磨损，磨损原因与前刀面基本相同，不同的是在后刀面D点处多了Cr元素，可能产生更为复杂的磨损机理。E点处的化学成分较原复合片多了C、Rb、S、Mn等元素，其中Rb为原复合片中的添加元素，C、S、Mn等元素来自工件材料，这些元素与复合片结合剂中的元素生成碳化物、硫化物和复杂的金属间化合物，从而加剧了刀具磨损。比较D、E两点处检出的元素可知，在D点存在氧化磨损及有铬、铁的化合物生成，而在E点并无这一磨损机制；在E点处存在S、Mn元素，并产生相应的化学磨损，而在D点处不存在此磨损原因。 由微观形貌的电镜照片可见，后刀面上D、E两点的微观形貌更为粗糙，且在D点处还粘有异物，在低倍照片上可见后刀面上麻坑较多，说明已有CBN晶粒脱落。另外，前、后刀面磨损部分的金属Al能谱强度有大幅降低，说明其含量已有减少，而Al作为粘接剂存在于刀具材料中，Al含量的减少说明前、后刀面都有粘结磨损发生。
3 干切削GCr15时PCBN刀具的寿命分析
• 工件硬度对刀具磨损的影响 通过对加工5种硬度(30、40、50、60、64HRC)的工件时刀具后刀面磨损及前刀面月牙洼宽度磨损试验，可分析工件硬度对刀具磨损的影响规律。加工各种硬度工件时的后刀面磨损量VB的对比如图6所示。当工件硬度为40、50HRC时，其后刀面磨损量最大，月牙洼磨损也呈现出相同规律(见图7)；而加工较高或较低硬度的工件时刀具的相对磨损量均较小。这一结果表明，当工件硬度在40～50HRC范围内时(此时切削温度较高)，刀具磨损量最大。由此可知：PCBN刀具不适合加工硬度为临界硬度(GCr15的临界硬度为50HRC)附近的工件，加工高硬度材料时更能发挥其优良的切削性能。
• 两种切削条件下PCBN刀具的寿命 为了研究PCBN刀具的磨损规律，分别选取40HRC和60HRC两种硬度的GCr15材料，通过改变切削速度进行刀具磨损试验，刀具磨损曲线分别如图8、图9 所示。
  

  
  

  
  

  

  
  图6 加工不同硬度工件时的后刀面磨损量VB

  
  

  
  

  

  
  图7 加工不同硬度工件时的月牙洼宽度KB

  
  

  
  

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  图8 刀具磨损曲线(60HRC)

  
  

  
  

  

  
  图9 刀具磨损曲线(40HRC)

  
  

  
  

  通过对试验数据进行处理，可得到相应的刀具寿命方程。在ap=0.5mm，f=0.15mm/r，工件硬度为60HRC条件下，选取后刀面磨损量VB=0.2mm为磨钝标准，则切削速度与刀具寿命的关系为VT0.689=1177，相关系数r=0.98；在ap=0.2mm，f=0.08mm/r，工件硬度为40HRC条件下，选取后刀面磨损量VB=0.15mm为磨钝标准，则切削速度与刀具寿命的关系为VT0.662=752，相关系数r=0.99。由两个寿命方程的相关系数可知，在试验条件下，BN500刀具寿命与切削速度的关系符合泰勒公式；此外，PCBN刀具的寿命方程指数(0.689，60HRC；0.662，40HRC)比硬质合金刀具的寿命方程指数(0.1～0.4)和陶瓷刀具的寿命方程指数(0.2～0.4)大得多，说明切削速度对PCBN刀具寿命的影响程度相对较小。比较对应两种硬度的寿命方程指数可知，在较高工件硬度(60HRC)条件下，切削速度对刀具寿命的影响小于较低工件硬度(40HRC)时的影响。
4 结语
• PCBN刀具的磨损因素较多，磨损机制较复杂，且磨损因素相互影响、相互作用。根据磨损形式的特点，通过调整刀具几何参数和切削条件，可有效提高刀具寿命。
• PCBN刀具的前、后刀面磨损区域较小，且集中于切削温度较高的切削刃附近，磨损原因以机械磨损、氧化磨损和化学磨损为主，后刀面磨损区域有CBN晶粒脱落发生。
• 在临界硬度(50HRC)附近，PCBN刀具的磨损速度最快，说明PCBN刀具不适宜加工硬度为临界硬度附近的工件材料。
• 在两种切削条件下得到的刀具寿命方程指数均在0.6以上，说明切削速度对PCBN刀具寿命的影响小于对陶瓷刀具和硬质合金刀具寿命的影响。