摘要：研究了PCBN刀具的磨損機(jī)理和磨損形式。通過對(duì)干切削GCr15軸承鋼時(shí)刀具的磨損形式及壽命進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出了工件硬度、切削速度對(duì)PCBN刀具磨損的影響規(guī)律以及工件硬度在臨界硬度附近時(shí)刀具磨損速度最快的結(jié)論。加工兩種硬度工件時(shí)的刀具壽命方程表明，切削速度對(duì)PCBN刀具壽命的影響小于對(duì)硬質(zhì)合金及陶瓷刀具壽命的影響。
　　
　　1 引言
　　
　　目前，對(duì)聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的磨損與壽命問題的研究相對(duì)硬質(zhì)合金刀具而言還不夠充分。隨著PCBN刀具應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，如何正確使用PCBN刀具，使其發(fā)揮最大加工效益已變得日益重要，因此有必要對(duì)PCBN刀具的磨損機(jī)理與使用壽命進(jìn)行系統(tǒng)研究。目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究?jī)?nèi)容大多集中在PCBN刀具的一般磨損機(jī)理以及在具體加工條件下切削高溫合金、鑄鐵等材料時(shí)的切削性能等方面。對(duì)于PCBN刀具的重要應(yīng)用之一——干式切削淬硬鋼時(shí)的磨損問題迄今還很少有人進(jìn)行研究。PCBN刀具是經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成的兩相物質(zhì)，立方氮化硼(CBN)晶粒的高硬度和高穩(wěn)定性使PCBN刀具具有優(yōu)異的耐磨性；此外，PCBN刀具存在著粘結(jié)劑磨損。因此，PCBN刀具的磨損規(guī)律與工作壽命具有一定特殊性。本文以PCBN刀具干式切削不同硬度的GCr15軸承鋼為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了日本住友公司BN500 牌號(hào)PCBN刀具的磨損與壽命問題。2 PCBN刀具干切削GCr15時(shí)的磨損機(jī)理
　　
　　PCBN刀具的磨損機(jī)理機(jī)械磨損
　　
　　切削加工時(shí)，刀具與工件之間的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起劇烈摩擦，工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)刀具表面具有劃傷作用，這種由機(jī)械摩擦引起的刀具磨損是最常見的磨損因素之一。由于PCBN刀具的硬度相對(duì)被加工材料要高得多，因此其機(jī)械磨損并不明顯。粘結(jié)劑磨損PCBN刀具由CBN晶粒與結(jié)合劑混合燒結(jié)而成。切削加工時(shí)，作為粘結(jié)劑的陶瓷或金屬首先被磨耗，從而使CBN晶粒凸出刀具表面而受力松動(dòng)，直至剝落。
　　
　　氧化磨損
　　
　　在一定條件下，CBN可與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氧置換出CBN中的氮并生成B2O3，氧化結(jié)果造成CBN晶體晶面凹陷、晶棱縮小，使刀具產(chǎn)生“鈍化”現(xiàn)象。CBN在650℃時(shí)開始氧化(此時(shí)有N2釋出)，在1035℃時(shí)氧化加劇，其化學(xué)反應(yīng)式為4BN(CBN)+3O2→2N2↑+ 2B2O3
　　
　　水在高溫下也可與CBN發(fā)生反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為BN(CBN)+3H2O→H3BO3+ NH3
　　
　　由于這種“水解”作用可導(dǎo)致CBN磨損，因此采用PCBN刀具切削時(shí)一般應(yīng)避免使用水劑切削液。
　　
　　逆轉(zhuǎn)化(相變)磨損CBN在1234℃時(shí)會(huì)發(fā)生CBN→HBN(六方氮化硼)的逆轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化起始于晶界微晶區(qū)，已轉(zhuǎn)化為HBN的部分因硬度極低而失去切削能力，極易被高速運(yùn)動(dòng)的“熱切屑流”帶走，從而導(dǎo)致PCBN刀具磨損，這種磨損稱為逆轉(zhuǎn)化磨損(也稱相變磨損)。PCBN刀具在高溫(>1200℃)下切削一段時(shí)間后，刀刃部分的高溫區(qū)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)由許多小凹坑構(gòu)成的不均勻“麻斑”，這是因?yàn)榍邢鳒囟瘸^了CBN→HBN轉(zhuǎn)化的臨界溫度所致。產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)化磨損后的刀具表面白色“麻斑”實(shí)際就是CBN單晶脫落后殘留的、已轉(zhuǎn)化的HBN。在CBN→HBN的逆轉(zhuǎn)化中，氧和氧化物起到了催化劑的作用。與此相反，金屬鈷可通過降低氧化氣氛而抑制CBN→HBN轉(zhuǎn)化傾向。
　　
　　化學(xué)磨損PCBN刀具在高溫、高壓、高速條件下進(jìn)行切削加工時(shí)，刀具工作層與被加工材料及周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)生成物被溶化后，在刀具前刀面上將形成一層液態(tài)薄膜，其成分主要為化學(xué)反應(yīng)生成的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等(如B2O3、Fe-FeB2共晶體)，另外還有一些金屬間化合物。這種液態(tài)薄膜對(duì)PCBN刀具的磨損具有較大影響。當(dāng)切削速度較低時(shí)，液態(tài)薄膜的粘度較大，易被切屑粘結(jié)帶走，因此刀具磨損較為嚴(yán)重；隨著切削速度的升高，切削溫度上升，液態(tài)薄膜動(dòng)力粘度下降，對(duì)刀—屑間的摩擦可起到明顯的潤(rùn)滑作用，且BN在薄膜中已飽和，此時(shí)液態(tài)薄膜可起到保護(hù)層的作用，防止成分?jǐn)U散和化學(xué)磨損的進(jìn)一步發(fā)展，故刀具磨損較小。切削試驗(yàn)表明，刀具結(jié)合劑中的Al含量越高，刀具后刀面的磨損速度越快，刀具壽命越短。
　　
　　擴(kuò)散磨損CBN對(duì)鐵族元素(Fe、Ni、Co等)具有很強(qiáng)的化學(xué)惰性。有研究表明：在CBN晶粒與電解鐵的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)中(1200℃，加熱30min)未發(fā)現(xiàn)兩者之間相互擴(kuò)散；在PCBN與55鋼的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)中(1200℃，加熱30min)發(fā)現(xiàn)，CBN聚晶后，刀具中的B、Co向Fe中有少量擴(kuò)散。另外的加熱實(shí)驗(yàn)表明：TiN基、TiC基PCBN刀具中的Al與被加工材料中的Ni發(fā)生了擴(kuò)散；Co基PCBN刀具中的Co與被加工材料中的Ni也發(fā)生相互擴(kuò)散；若刀具材料中含有Ni，則擴(kuò)散磨損更為嚴(yán)重。另外，當(dāng)PCBN刀具結(jié)合劑中含有Al、被加工材料中含有Si時(shí)，Si會(huì)向刀具中擴(kuò)散并與Al結(jié)合形成SiAlON，從而導(dǎo)致刀具磨損。有研究表明：幾種刀具材料與鐵之間的相互擴(kuò)散強(qiáng)度由大到小依次為：金剛石→碳化硅→立方氮化硼→氧化鋁；而它們與鈦合金之間的相互擴(kuò)散強(qiáng)度的大小順序則剛好相反，分別為：氧化硅→立方氮化硼→碳化硅→金剛石。
　　
　　粘結(jié)磨損雖然CBN對(duì)鐵族元素具有較高化學(xué)惰性，但對(duì)其它元素并非如此。PCBN刀具在一定壓力和溫度條件下進(jìn)行切削時(shí)，隨著切屑不斷流出，刀尖與被加工材料均不斷裸露出新鮮表面，不可避免地要產(chǎn)生元素間的相互擴(kuò)散，擴(kuò)散結(jié)果使CBN的惰性不斷降低，與合金元素的親合傾向不斷增加，并為粘結(jié)磨損創(chuàng)造了條件。由于切削時(shí)切屑、工件與刀具前、后刀面之間存在劇烈摩擦和較大壓力，促使它們之間發(fā)生粘結(jié)。當(dāng)雙方的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使粘結(jié)區(qū)材料發(fā)生破裂而被一方帶走時(shí)，就造成了PCBN刀具的粘結(jié)磨損。研究表明：粘結(jié)磨損一般是以微粒脫落的形式出現(xiàn)。金屬Ni會(huì)增大刀具與工件材料間的粘結(jié)強(qiáng)度，從而加劇粘結(jié)磨損。
　　
　　微裂解磨損PCBN是由無數(shù)微小而無方向相性的CBN單晶組成。在CBN聚晶過程中，通過觸媒或添加劑向材料中擴(kuò)散進(jìn)去一些“雜質(zhì)”(如Si、Ca、Cu等元素)，這些“雜質(zhì)”存在于晶界間。由于晶界為雜質(zhì)富集區(qū)，強(qiáng)度相對(duì)薄弱，從某種意義上可視為“裂紋”(稱為“精細(xì)裂紋”)。此外，在先天或加工條件(即使燒結(jié)良好)作用下，在原始晶粒內(nèi)部以及晶界處均存在著內(nèi)應(yīng)力。“精細(xì)裂紋”和內(nèi)應(yīng)力的存在導(dǎo)致聚晶體的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其理論值。PCBN刀具切削時(shí)，刀刃部微小單晶顆粒脫落現(xiàn)象稱為微裂解，數(shù)個(gè)CBN顆粒的剝落稱為微崩刃。微裂解與微崩刃混雜磨損是超硬刀具材料特有的磨損類型。
　　
　　PCBN刀具切削時(shí)，由于熱切屑流的摩擦與刮研、被加工材料材質(zhì)不均導(dǎo)致的微沖擊、機(jī)床—工件—刀具系統(tǒng)的振動(dòng)等因素，使聚晶體首先在晶界處產(chǎn)生裂紋，單晶顆粒的非連續(xù)脫落造成刀具的微裂解和微崩刃，在刃口處形成凸凹不平的裂解區(qū)并不斷擴(kuò)大，直至引起裂斷。
　　
　　非正常磨損非正常磨損主要指PCBN刀具的崩刃型破損(CBN團(tuán)塊崩落)。產(chǎn)生崩刃型破損的原因與切削條件選用不當(dāng)、刀具使用不合理、加工設(shè)備條件差、操作者缺乏經(jīng)驗(yàn)等因素有關(guān)(有時(shí)也與復(fù)合片質(zhì)量問題有關(guān))。刀具刃磨質(zhì)量不高也是造成刀具碎裂的一個(gè)重要因素。刃磨時(shí)在刀具表面留下的劃痕會(huì)大大降低刀具強(qiáng)度，進(jìn)而會(huì)使CBN晶粒從劃痕處脫落，造成刀具的微裂解磨損和微崩刃，直至刀具破損。
　　
　　PCBN刀具的各種磨損形式是相互影響、共同作用的，如氧化磨損和相變磨損必然伴隨著粘結(jié)磨損，并可使機(jī)械磨損加劇，同時(shí)也會(huì)促進(jìn)剝落磨損和微崩刃磨損的產(chǎn)生。由于各種磨損因素的綜合作用，使不同磨損形式相互滲透與交錯(cuò)。當(dāng)月牙洼磨損出現(xiàn)時(shí)，說明切削溫度已接近1200℃；當(dāng)?shù)毒弑砻娉霈F(xiàn)微小乳突狀麻點(diǎn)時(shí)，表明發(fā)生了相變磨損，切削高溫區(qū)已超過1200℃，此時(shí)必須對(duì)切削用量、刀具幾何角度等作相應(yīng)調(diào)整，必要時(shí)可采取使用冷卻液或N2保護(hù)等防護(hù)性措施。
　　
　　PCBN刀具的磨損形式前刀面磨損使用PCBN刀具切削GCr15淬硬軸承鋼時(shí)，其前刀面磨損形式為月牙洼磨損，磨損形貌如圖1所示。由于PCBN刀具的高溫硬度高，只有達(dá)到一定溫度和壓力后才會(huì)產(chǎn)生磨損，因此月牙洼磨損只發(fā)生在距刀刃很近的部分，且寬度很窄，這一點(diǎn)有別于硬質(zhì)合金刀具。

圖1 PCBN刀具前刀面磨損形貌

圖2 PCBN刀具后刀面磨損形貌

　　后刀面磨損PCBN刀具切削GCr15淬硬軸承鋼時(shí)的后刀面磨損形貌如圖2所示。從外觀上可觀察到以機(jī)械磨損為主的磨損帶，同時(shí)粘有一些工件材料，并有CBN晶粒脫落現(xiàn)象。僅從磨損形式上看與硬質(zhì)合金刀具的磨損并無明顯區(qū)別，只是磨損量很小。
　　
　　PCBN刀具磨損原因分析通過對(duì)PCBN復(fù)合片原始表面及已磨損刀具的前、后刀面進(jìn)行微觀形貌拍照及化學(xué)元素分析，可查明PCBN刀具的磨損原因。為比較不同位置的磨損差異，在前刀面上選取3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，即距離刀刃較近的A點(diǎn)、月牙洼底部的B點(diǎn)和月牙洼背部的C點(diǎn)(參見圖1)；在后刀面磨損帶上選取2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，即距離刀刃較近的D點(diǎn)和磨損帶結(jié)束部位的E點(diǎn)(參見圖2)。用HITACHI X-650掃描電鏡(配備電子探針)進(jìn)行檢測(cè)。
　　
　　圖3所示的電子探針分析結(jié)果表明，BN500牌號(hào)的PCBN復(fù)合片所含主要元素有Ti、Al、Hf、N等(由于電子探針的性能關(guān)系，未檢測(cè)出B元素)。
　　
　　GCr15軸承鋼材料所含化學(xué)成分及其含量見表1。通過與PCBN刀具材料成分進(jìn)行對(duì)比，可分析刀具的磨損原因。

　　通過比較前刀面上A、B、C各點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果可知，月牙洼磨損部位增加了Fe、O、C等元素，且其含量與月牙洼部位有關(guān)，月牙洼底部的元素含量最高，如圖4所示，其中Fe和O元素顯示最為清晰。上述元素中，F(xiàn)e和C來自工件材料，O來自空氣，說明造成前刀面磨損的原因除機(jī)械磨損外，還有氧化磨損和化學(xué)磨損。來自工件材料的Fe和C在高溫高壓作用下與BN500 結(jié)合劑中的金屬元素生成金屬間化合物，F(xiàn)e還可與CBN中的B反應(yīng)生成Fe-FeB2共晶體，從而加快了PCBN復(fù)合片的磨損。
　　
　　由微觀形貌的電鏡照片可見，刀具表面比復(fù)合片的原始表面粗糙得多，并有CBN晶粒凸出，說明其周圍的結(jié)合劑已被磨去。比較A、B、C三點(diǎn)的磨損情況可知，其磨損原因相同，僅在磨損程度上存在差別。
　　
　　通過比較后刀面磨損帶上D、E點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果可知，在距刀刃較近的D點(diǎn)處(見圖5)含有Cr、Fe、C、O等元素，其中Cr、Fe、C等元素來自工件材料，O來自空氣，說明在D點(diǎn)附近除機(jī)械磨損外，還有氧化磨損和化學(xué)磨損，磨損原因與前刀面基本相同，不同的是在后刀面D點(diǎn)處多了Cr元素，可能產(chǎn)生更為復(fù)雜的磨損機(jī)理。E點(diǎn)處的化學(xué)成分較原復(fù)合片多了C、Rb、S、Mn等元素，其中Rb為原復(fù)合片中的添加元素，C、S、Mn等元素來自工件材料，這些元素與復(fù)合片結(jié)合劑中的元素生成碳化物、硫化物和復(fù)雜的金屬間化合物，從而加劇了刀具磨損。比較D、E兩點(diǎn)處檢出的元素可知，在D點(diǎn)存在氧化磨損及有鉻、鐵的化合物生成，而在E點(diǎn)并無這一磨損機(jī)制；在E點(diǎn)處存在S、Mn元素，并產(chǎn)生相應(yīng)的化學(xué)磨損，而在D點(diǎn)處不存在此磨損原因。
　　
　　由微觀形貌的電鏡照片可見，后刀面上D、E兩點(diǎn)的微觀形貌更為粗糙，且在D點(diǎn)處還粘有異物，在低倍照片上可見后刀面上麻坑較多，說明已有CBN晶粒脫落。另外，前、后刀面磨損部分的金屬Al能譜強(qiáng)度有大幅降低，說明其含量已有減少，而Al作為粘接劑存在于刀具材料中，Al含量的減少說明前、后刀面都有粘結(jié)磨損發(fā)生。

　　3 干切削GCr15時(shí)PCBN刀具的壽命分析
　　
　　工件硬度對(duì)刀具磨損的影響通過對(duì)加工5種硬度(30、40、50、60、64HRC)的工件時(shí)刀具后刀面磨損及前刀面月牙洼寬度磨損試驗(yàn)，可分析工件硬度對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律。加工各種硬度工件時(shí)的后刀面磨損量VB的對(duì)比如圖6所示。當(dāng)工件硬度為40、50HRC時(shí)，其后刀面磨損量最大，月牙洼磨損也呈現(xiàn)出相同規(guī)律(見圖7)；而加工較高或較低硬度的工件時(shí)刀具的相對(duì)磨損量均較小。這一結(jié)果表明，當(dāng)工件硬度在40～50HRC范圍內(nèi)時(shí)(此時(shí)切削溫度較高)，刀具磨損量最大。由此可知：PCBN刀具不適合加工硬度為臨界硬度(GCr15的臨界硬度為50HRC)附近的工件，加工高硬度材料時(shí)更能發(fā)揮其優(yōu)良的切削性能。
　　
　　兩種切削條件下PCBN刀具的壽命為了研究PCBN刀具的磨損規(guī)律，分別選取40HRC和60HRC兩種硬度的GCr15材料，通過改變切削速度進(jìn)行刀具磨損試驗(yàn)，刀具磨損曲線分別如圖8、圖9 所示。

　　通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到相應(yīng)的刀具壽命方程。在ap=0.5mm，f=0.15mm/r，工件硬度為60HRC條件下，選取后刀面磨損量VB=0.2mm為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，則切削速度與刀具壽命的關(guān)系為VT0.689=1177，相關(guān)系數(shù)r=0.98；在ap=0.2mm，f=0.08mm/r，工件硬度為40HRC條件下，選取后刀面磨損量VB=0.15mm為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，則切削速度與刀具壽命的關(guān)系為VT0.662=752，相關(guān)系數(shù)r=0.99。由兩個(gè)壽命方程的相關(guān)系數(shù)可知，在試驗(yàn)條件下，BN500刀具壽命與切削速度的關(guān)系符合泰勒公式；此外，PCBN刀具的壽命方程指數(shù)(0.689，60HRC；0.662，40HRC)比硬質(zhì)合金刀具的壽命方程指數(shù)(0.1～0.4)和陶瓷刀具的壽命方程指數(shù)(0.2～0.4)大得多，說明切削速度對(duì)PCBN刀具壽命的影響程度相對(duì)較小。比較對(duì)應(yīng)兩種硬度的壽命方程指數(shù)可知，在較高工件硬度(60HRC)條件下，切削速度對(duì)刀具壽命的影響小于較低工件硬度(40HRC)時(shí)的影響。
　　
　　4 結(jié)語
　　
　　PCBN刀具的磨損因素較多，磨損機(jī)制較復(fù)雜，且磨損因素相互影響、相互作用。根據(jù)磨損形式的特點(diǎn)，通過調(diào)整刀具幾何參數(shù)和切削條件，可有效提高刀具壽命。
　　
　　PCBN刀具的前、后刀面磨損區(qū)域較小，且集中于切削溫度較高的切削刃附近，磨損原因以機(jī)械磨損、氧化磨損和化學(xué)磨損為主，后刀面磨損區(qū)域有CBN晶粒脫落發(fā)生。
　　
　　在臨界硬度(50HRC)附近，PCBN刀具的磨損速度最快，說明PCBN刀具不適宜加工硬度為臨界硬度附近的工件材料。
　　
　　在兩種切削條件下得到的刀具壽命方程指數(shù)均在0.6以上，說明切削速度對(duì)PCBN刀具壽命的影響小于對(duì)陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具壽命的影響。