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　　摘要：研究了PCBN刀具的磨损机理和磨损形式。通过对干切削GCr15轴承钢时刀具的磨损形式及寿命进行试验研究，得出了工件硬度、切削速度对PCBN刀具磨损的影响规律以及工件硬度在临界硬度附近时刀具磨损速度最快的结论。加工两种硬度工件时的刀具寿命方程表明，切削速度对PCBN刀具寿命的影响小于对硬质合金及陶瓷刀具寿命的影响。
　　
　　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
　　
　　PCBN刀具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。

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表1。通过与PCBN刀具材料成分进行对比，可分析刀具的磨损原因。

　　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。
　　
　　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。

　　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。