CBN-WC-10Co刀具材料的電火花線切割機理

毛　聰　孫小麗　盧　繼　張　健

1.長沙理工大學,長沙,4101142.工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室,長沙,410114

CBN-WC-10Co刀具材料的電火花線切割機理

毛聰1,2孫小麗1,2盧繼1,2張健1,2

1.長沙理工大學,長沙,4101142.工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室,長沙,410114

采用電火花線切割方法對CBN-WC-10Co刀具材料進行了線切割加工實驗,利用帶能譜分析的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了切割試件截面和表面的顯微形貌并進行了成分分析。從微觀角度分別研究了CBN顆粒和硬質合金基體的材料去除機理,分析了CBN-WC-10Co刀具材料的電火花線切割熱損傷情況。研究結果表明:CBN-WC-10Co刀具材料的電火花線切割材料去除機理主要是通過放電通道產生的高溫使材料局部區域熔化或者氣化,在放電爆炸力作用下被拋出熔池,同時放電爆炸力使部分CBN顆粒直接從硬質合金基體脫落,形成凹坑;黏結劑金屬鈷因其導電性好、熔點和沸點低而容易被過量去除,導致WC顆粒因失去支撐結構而從表層脫落,且放電通道內產生的爆炸沖擊波也會造成WC邊緣局部碎裂。

CBN-WC-10Co;刀具材料;電火花線切割；材料蝕除機理;熱損傷

0　引言

刀具是機械制造必不可少的切削加工工具,其材料性能的優劣直接影響切削加工的質量和效率。近年來各種新型刀具材料不斷涌現,超硬刀具材料以其優異的切削性能得到了業界的廣泛認可。超硬材料刀具具有加工效率高、使用壽命長和加工質量好等特點,主要用于零件的精加工。由于改進了人造超硬刀具材料的生產工藝,控制了原料純度和晶粒尺寸，采用了復合材料和熱壓工藝等現代技術和手段，超硬刀具材料的應用范圍不斷擴大，被國際上公認為是當代提高生產率最有希望的刀具材料之一[1-2]。超硬刀具材料主要包括金剛石和立方氮化硼(cubic boron nitride,CBN)，由于天然金剛石價格昂貴,所以生產實際中大多采用人造聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)，以及它們的復合材料。但是金剛石刀具加工鐵系材料時在切削高溫下容易發生石墨化，因而不適宜加工黑色金屬[3]。PCBN刀具材料也存在脆性較大、抗沖擊性能較差、容易破損等缺陷[4]。

雖然PCD和PCBN是目前應用很廣的超硬刀具材料,但是它們自身依然存在上述不足。近年來有學者提出并采用放電等離子體燒結技術制備了CBN-WC-Co無機超硬復合材料[5-6],研究表明該新型材料結合了CBN良好的耐磨性、熱穩定性和高硬度以及硬質合金的高強度、高韌性和耐腐蝕性能，同時克服了CBN強度和韌性不足以及硬質合金硬度和耐磨性稍差的缺點[7-8]。CBN-WC-Co復合刀具材料不僅有望適用于工程陶瓷、光學玻璃和半導體硅片等硬脆材料的高效精密加工,也可能適用于淬火鋼、冷硬鑄鐵和合金鑄鐵等高硬難加工材料的高效精密加工。

CBN-WC-Co復合刀具材料具有高硬度、高韌性和耐磨損等優點,但是這些特性也使得其本身的切削加工和刀具制造過程不同于普通材料和傳統刀具的加工和制造，對其制造工藝和技術提出了更加苛刻的要求。電火花線切割技術屬于非接觸式加工,作為一種現代特種加工方法，它具有加工精度高、表面質量好等特點,為機械制造中一些特殊材料和形狀復雜工件的加工與制造提供了切實可行的途徑[9-10]。由于CBN-WC-Co刀具材料中含有導電性能良好的金屬鈷，因此可以采用電火花線切割技術對其進行加工。但是目前還未見涉及CBN-WC-Co刀具材料電火花線切割加工機理的研究報道。本文通過開展CBN-WC-10Co刀具材料的電火花線切割加工實驗，利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)觀察切割試件的微觀形貌與熱損傷情況,探究CBN-WC-10Co刀具材料電火花線切割機理，為合理選定工藝參數并提高CBN-WC-10Co刀具材料電火花線切割加工質量提供理論基礎和技術保障。

1　實驗過程

采用的試樣為通過放電等離子體燒結技術制備的CBN-WC-10Co復合刀具材料,本實驗所用放電等離子體燒結爐型號為HP D 25/3,燒結試樣直徑為40 mm,厚度為4 mm,CBN體積分數為30%,Co粉在WC-Co復合粉末中的質量分數為10%。CBN、WC和Co的平均粒徑分別為38 μm、0.8 μm和1.1 μm。采用DK7725型電火花數控線切割機床進行CBN-WC-10Co刀具材料的電火花線切割加工,通過CD-22型線切割控制柜顯示和調節加工參數。電極材料為鉬絲,直徑為0.16 mm,選用正極性加工,工作液為乳化皂水溶液。切割參數為:脈沖寬度20 μs，脈沖間隔6 μs，功放管8個，峰值電流2 A,工作電壓85 V,高速走絲。

試樣切割完成后,分別利用300號、500號和800號金剛石砂紙打磨，然后采用W0.5的金剛石研磨膏和金剛石金相拋光噴霧劑進行拋光處理,再利用全毛呢拋光布拋光30 min,最后利用棕絲絨拋光布精拋1 h。采用丙酮溶液對試樣進行超聲波清洗15 min,再將試件放在流動的自來水下沖洗干凈,并放在風扇下吹干。采用帶能譜分析的QUANTA200型掃描電子顯微鏡觀察試件切割截面和表面的顯微形貌,分析材料的成分,探討CBN-WC-10Co刀具材料的電火花線切割機理，并且進行電火花線切割熱損傷分析。

2　實驗結果與討論

2.1CBN顆粒的電火花線切割材料去除機理

(a)CBN脫落形成凹坑

(b)CBN與基體連接處SEM形貌圖1　CBN-WC-10Co材料切割截面形貌

圖1為電火花線切割CBN-WC-10Co材料的截面SEM照片,由圖1a可以看到，拋光截面靠近線切割表面處存在尺寸為10 μm左右的凹坑，尺寸遠大于WC和Co的顆粒直徑,該凹坑表明電火花線切割過程中發生了CBN顆粒從基體脫落的情況。而由圖1b可以看出,大多數CBN顆粒仍然與基體連接,但是其頂部已經被通過局部區域的熔化或氣化方式去除，并且從圖中可以清晰地看到,切割加工后有些CBN顆粒雖然仍與基體相連,但其連接處已經存在寬度約為1 μm的細微裂紋。

通常情況下，CBN晶體導電性能很差(其本征電導率僅為10-11～10-9S/m,P型CBN晶體電導率為10-3～10-1S/m,n型CBN晶體電導率為10-6～10-2S/m)，很難與鉬絲形成電火花加工所需的兩極。圖2所示為CBN-WC-10Co材料斷口形貌,從圖中可以看出，采用放電等離子體燒結技術制備而成的CBN-WC-10Co復合材料結構組織均勻、致密。CBN顆粒比較均勻地分布在硬質合金基體中，斷口處CBN顆粒大多是被外力所折斷而殘留在硬質合金基體中的，這表明黏結劑金屬鈷作為導電相網絡結構致密、均勻地分布在復合材料中,并且將CBN顆粒與WC顆粒緊密地黏結在一起。同時,圖2中也存在少量的因CBN顆粒被整顆拔出而留下的凹坑，在凹坑的內表面發現一層均勻分布的Co層。這些跡象說明,經過放電等離子體燒結后，在CBN顆粒表面黏結有一層金屬鈷，因此CBN顆粒表面具有一定的導電性。

圖2　CBN-WC-10Co材料斷口形貌

在電火花線切割過程中,鉬絲與黏結在CBN顆粒表面的金屬鈷成為電火花加工的兩極,當極間距足夠小，介質被擊穿后，在CBN顆粒表面覆蓋的金屬鈷與鉬絲之間形成放電通道,放電柱中心可以達到10 000 ℃以上的瞬時高溫,使得鈷熔化甚至氣化,同時CBN顆粒部分區域也會熔化或氣化。在形成的放電通道內,液體介質以及兩側電極材料發生瞬時氣化現象并迅速產生熱膨脹,氣化的金屬蒸氣和工作液體積瞬間驟增，由于受外部放電介質的包裹,產生的蒸氣來不及擴散,將形成很大的膨脹力,當膨脹力足夠大,沖破外部放電介質的包裹作用時會導致熱爆炸,熔化的鈷和CBN等產物在熱爆炸力的作用下被拋出熔池，從而使CBN材料被蝕除。單個脈沖的放電能量為[11]

(1)

式中,Wm為單個脈沖的放電能量;te為單個脈沖實際放電時間;u(t)為放電間隙中隨時間而變化的電壓;i(t)為放電間隙中隨時間而變化的電流。

由式(1)可知,脈沖前沿越短,脈沖寬度越大,則單個脈沖能量越高,材料的蝕除能力越強。

津格爾曼的放電爆炸力公式為[12]

(2)

式中，P為放電爆炸力的最大值;β為cp/cV復雜積分函數；cp為質量定壓熱容;cV為質量定容熱容；ρ為液體介質的密度；WL為單位放電柱長度上的能量,與單個脈沖的放電能量成正比;tr為放電脈沖前沿時間；tf為放電脈沖寬度。

瞬間爆炸作用會產生很大的爆炸沖擊波并形成拉應力,使已經被加熱到呈熔融狀態且底部仍被嵌在硬質合金基體中的CBN顆粒脫離試件,形成圖1a所示的凹坑。由式(1)和式(2)可知,單個脈沖的放電能量越高,放電爆炸力就會越大，CBN從基體脫落的可能性越大,造成更多的凹坑出現。然而深嵌在基體中的CBN顆粒不能因爆炸力而脫離試件,其去除方式依然是通過材料本身的熔化和氣化,但是放電爆炸力產生的強大拉應力會造成CBN顆粒與硬質合金基體連接處出現微小裂紋，如圖1b所示。雖然CBN在1000 ℃左右會與水發生水解反應,也會造成CBN的消耗,但是電火花線切割的放電通道升溫迅速，可以瞬間達到10 000 ℃的高溫,因此CBN的水解反應很難發生。

令脈沖寬度為40 μs,而其他切割參數不變。此時單個脈沖能量增大,對材料的蝕除能力增強,大部分CBN直接以熔化或氣化方式去除。從圖3中可以看出CBN顆粒裸露出非常清晰的切割面。但是,脈沖寬度不能過高，因為一方面,隨著脈沖能量的增大,蝕除產物增多,使排氣、排屑條件惡化,間隙消電離時間不足,加工穩定性變差;另一方面,由于單個脈沖放電能量的增大,放電痕也大，使得切割表面粗糙度增大；此外，放電爆炸力也會相應增大,使得加工表面由于受熱和受力雙重影響導致殘余應力的積累。

圖3　脈沖寬度為40 μs時試件的微觀形貌

令脈沖寬度為5 μs,而其他切割參數不變。此時單個脈沖放電能量較低,材料的蝕除效果較差,切割不穩定,尤其是對CBN顆粒的影響較為顯著。圖4是脈沖寬度為5 μs時試件切割表面的微觀形貌,從圖4中可以看出有整顆的CBN顆粒凸出基體表面,CBN去除不徹底。雖然理論上是脈沖寬度小表面粗糙度小，但是脈沖寬度太小,單個脈沖的能量就越小,放電間隙也會相應減小，致使加工穩定性變差。并且，在同樣大小的脈沖能量作用下導電性能較好的硬質合金基體可以順利熔化、氣化，實現材料的去除，而CBN顆粒未能徹底熔化、氣化,在基體上凸出，使切割表面粗糙度增大。

圖4　脈沖寬度為5 μs時試件切割表面的微觀形貌

本文實驗所用CBN-WC-10Co復合材料中CBN的體積分數適中,總體來說加工性能較好,加工狀態穩定,切割截面相對較為平整。但是由于CBN顆粒直徑比WC顆粒直徑大,其脫落形成的凹坑在一定程度上給后續工序如刃磨、拋光增加了工作量和難度。CBN顆粒直徑大小及其體積分數都會影響CBN-WC-10Co復合材料電火花線切割的材料蝕除方式和切割質量。因此，在保證CBN-WC-10Co復合材料硬度、韌性和耐磨性的前提下，CBN顆粒直徑的選擇及其體積分數的確定對切割表面質量和后續工序非常重要。

綜上,CBN顆粒的去除機理主要包括兩個方面:一是CBN顆粒表面覆蓋的導電相金屬鈷和鉬絲形成放電通道,通道內的高溫使電極材料CBN顆粒局部區域熔化或者氣化，熔融產物由放電爆炸力拋出通道；二是部分CBN顆粒在放電爆炸力作用下整體脫離硬質合金基體，形成凹坑。

2.2硬質合金基體的電火花線切割材料去除機理

圖5　硬質合金線切割表面拋光前的SEM圖片

圖5所示為未經拋光處理的CBN-WC-10Co復合材料電火花線切割的硬質合金基體SEM表面形貌，可以看出表面存在很多形狀不規則、寬度為1 μm左右的裂紋,WC顆粒的形狀也存在不同程度的邊緣破損，出現這種現象的主要原因是CBN、WC和Co的熱物理性能參數存在差異。眾所周知,電火花線切割的切割性能與工件材料的熱物理性能密切相關。當工件材料的導電性較差時,其電阻率較大,在工件材料上消耗的電壓降相應增大,則作用在放電間隙的電壓降減小,結果導致單個脈沖能量降低[13]。工件材料的熱導率越大,其熱量散失就越快,相同時間內能量積聚就會越少。工件材料的熔點和沸點越高,則去除材料需要更多的熱量和更大的脈沖能量,單個脈沖能量去除材料體積的能力越差。工件材料的質量熱容越大，單位體積材料熔化或氣化所需要的能量就越多,因此電火花線切割效率越低。CBN、WC和Co的熱物理性能參數見表1。由表1可知，盡管Co的熱導率和質量熱容相比WC的略大,線切割過程中在相同單脈沖能量的情況下,Co積聚的能量少,上升的溫度低,但是Co的熔點和沸點均遠小于WC的熔點與沸點,因此在升溫較低時Co也會出現熔化或氣化而被去除，同時Co的放電間隙電壓高,即使在放電間隙較大的情況下也可以產生電火花放電,從而Co的材料去除量比WC的大，因此硬質合金基體中大部分黏結相Co會先于部分WC晶粒熔化或氣化，造成Co的過量去除，并由放電爆炸力把熔化物質拋出放電通道，被流動的工作液及時帶走。

表1　CBN、WC與Co的熱物理性能參數[14]

黏結劑金屬鈷的過量去除，使得連接WC的支撐結構遭到破壞，造成WC小顆粒脫落。高溫高壓的放電通道內由于氣化形成的強大膨脹力急劇擴散，產生強烈的沖擊波，使得硬質合金受到強有力的沖擊，造成WC顆粒邊緣局部碎裂。

對CBN-WC-10Co線切割試件進行切割表面拋光處理后,得到圖6所示的SEM表面形貌。從圖中可以看到拋光表面存在平均直徑為1 μm左右的蝕坑。出現這種現象的原因一方面是在線切割過程中,放電柱中心溫度極高,達到WC的熔點或者沸點,使得放電柱中心位置的WC通過熔化或氣化方式被蝕除,因此在WC顆粒表面留下圖6所示的小蝕坑;另一方面是在WC材料的蝕除過程中,部分WC被氣化,氣化過程具有爆炸特性,伴隨產生很大的機械脈沖壓力，被加熱到熔化狀態而因表面張力作用仍留在小坑中的WC顆粒被機械脈沖壓力所擠出或濺出，從而在試件表面形成小蝕坑。

圖6　硬質合金線切割表面拋光后的SEM圖片

圖7和圖8分別是脈沖寬度為40 μs和5 μs(其他切割參數不變)情況下硬質合金基體表面拋光后的微觀形貌，可以看出：圖7有很密集的WC碎裂區域,缺口雜亂;圖8的硬質合金表面平整,沒有出現明顯的WC破損現象,表面質量相對較好。硬質合金導電性能良好,電火花切割過程中在同樣的脈沖電源作用下,脈沖寬度越大，則單脈沖能量越高,Co的過量去除越嚴重,并且放電爆炸力也相應增大,使得脆性的WC顆粒更容易破損，造成比較密集的WC碎裂區域。相反,當脈沖寬度很小時,單個脈沖能量較低,Co的過量去除現象有所改善,放電爆炸力的影響減小，WC和Co主要由熔化、氣化方式直接去除,可以得到較好的加工表面。

圖7　脈寬40 μs時硬質合金切割表面拋光后的微觀形貌

圖8　脈寬5 μs時硬質合金切割表面拋光后的微觀形貌

總之,硬質合金的材料去除機理主要包括三個方面:一是黏結劑金屬鈷導電性好、熔點和氣化點低,導致在放電通道內由于高溫而被過量去除,鈷的過量去除破壞了WC顆粒的穩定結構,使得WC顆粒在爆炸力作用下從表層直接脫落;二是高溫高壓的放電通道內由于產生強有力的爆炸沖擊波，在爆炸沖擊波作用下WC顆粒邊緣局部碎裂;三是WC氣化產生的機械脈沖壓力將被加熱到熔化狀態而因表面張力作用留在小坑中的WC擠出或者濺出,在其表面形成蝕坑。

2.3CBN-WC-10Co的WEDM熱損傷分析

圖9為CBN-WC-10Co復合刀具材料電火花線切割截面SEM照片,從圖中可以看出切割表面存在平均厚度大概為3 μm左右的熔化凝固層和7 μm左右的熱損傷層,熱損傷層與里層硬質合金基體材料之間沒有裂紋,并且過渡平穩沒有非常明顯的界限。在電火花放電的瞬時高溫和工作液快速冷卻作用下,CBN-WC-10Co的表面層發生了很大變化,可以將其分為熔化凝固層和熱損傷層。雖然電火花線切割加工的放電通道溫度很高，但是放電時間短產生能量少，在工作液的及時冷卻作用下，工件實際熱影響區相對較小。

圖9　切割截面微觀形貌

有學者[15-16]提出WC-Co硬質合金本質上是一種典型的顆粒增強型復合材料,就硬質合金的性能而言,鈷相成分非常重要,碳化鎢晶粒以及局部失鈷等都是不符合復合概念的組織缺陷,而且這些缺陷都會影響到顆粒增強作用的發揮,使硬質合金的性能降低。從該理論可以看出,黏結劑金屬鈷的含量和分布均勻性對于硬質合金的強度而言有很重要的影響，當鈷相材料遭到破壞或者局部缺失時,其強度和韌性也會受到嚴重影響。由硬質合金的電火花線切割機理可知,切割表面的硬質合金黏結劑金屬鈷由于高溫被過量去除造成鈷的大量缺失,這肯定會在一定程度上影響硬質合金切割表面原有優良的強度和韌性,降低CBN-WC-10Co刀具材料的硬度、強度以及韌性。

(a)未經拋光處理的線切割表面

(b)A點能譜圖圖10　CBN-WC-10Co線切割表面未經拋光處理的能譜分析

圖10為未處理的切割表面的能譜圖,從圖中可以看出切割表面除了存在原子百分數分別為39.94%、22.55%和4.36%的C、W和Co等元素以外，還存在原子百分數分別為29.69%、2.04%和1.42%的O、K和Ca等元素，這是因為皂化冷卻液中含有水以及K、Ca等元素。在加工過程中由于高溫高壓作用，這些元素不可避免地擴散到復合材料表面，又由于工作液的快速冷卻使少部分熔化的工件材料冷凝并重新覆蓋在加工表面上，在表面形成了一層很薄的熔化凝固層，而擴散到表面的各種元素也被禁錮其中。同時由于切口處CBN顆粒的脫落，也會在一定程度上造成加工放電的不穩定，形成熱影響區。熱影響層處于熔化層和基體之間，只是受到熱的影響并沒有發生金相組織變化，它與基體也沒有明顯的界限。線切割過程中，在高溫作用下,硬質合金表面的WC會發生W、C離子鍵斷裂,W原子與O原子以單鍵和雙鍵連接生成WO3[17]。雖然CBN高溫時在一定條件下會發生向六方氮化硼的轉化，但是電火花線切割過程放電時間短且在工作液的快速冷卻作用下,通常不會發生這一轉變。

圖11為經拋光后的電火花線切割表面SEM照片以及能譜圖,由圖11可知,拋光后的切割表面相對平整光滑,基體材料不受外來元素的侵入。因此拋光去除表面變質層后,重新露出里層沒有受到電火花線切割影響的材料,還原了CBN-WC-10Co材料的高硬度、高韌性和良好的耐磨性。

(a)線切割表面拋光后形貌

(b)B區能譜圖圖11　CBN-WC-10Co電火花線切割表面拋光后的能譜分析

3　結論

(1)電火花線切割CBN-WC-10Co刀具材料時,放電通道內的高溫使CBN顆粒和硬質合金基體局部區域熔化或氣化,由放電爆炸力拋出通道，同時部分CBN顆粒在放電爆炸力作用下脫離基體,形成凹坑。

(2)金屬鈷在放電通道內由于高溫被過量去除,鈷的過量去除破壞了WC小顆粒的穩定結構,使其在爆炸力作用下從表層直接脫落,放電通道內產生的強有力爆炸沖擊波還會造成WC邊緣的局部碎裂。

(3)WC氣化產生的機械脈沖壓力將被加熱到熔化狀態而因表面張力作用仍留在小坑中的WC擠出或者濺出,在切割表面形成蝕坑。

(4)CBN-WC-10Co刀具材料的電火花線切割試件熱影響區小,變質層厚度較薄,采用拋光工藝可以很容易去除表面變質層,還原CBN-WC-10Co材料的高硬度、高韌性和良好的耐磨性。

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(編輯盧湘帆)

On Cutting Mechanism of CBN-WC-10Co Composite Cutting Tool Material with WEDM

Mao Cong1,2Sun Xiaoli1,2Lu Ji1,2Zhang Jian1,2

1.Changsha University of Science & Technology,Changsha,410114 2.Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle,Hunan Province,Changsha,410114

Traditional machining was unsuitable for CBN-WC-10Co composite cutting tool material due to its perfect toughness,high hardness and excellent abrasive resistance.WEDM was an effective method for the cutting tool material because of the unique advantages.Experiments on WEDM of CBN-WC-10Co composite cutting tool material were carried out.The surface properties of WEDM specimens were analyzed by scanning electron microscopy(SEM).The material removal mechanism and thermal damage of CBN-WC-10Co were discussed.The study indicates that the material removal mechanism with WEDM is mainly due to the extremely high temperature generated by the discharge channel which makes the local material melt or gasification,and the products are thrown out under the action of discharge explosive force.Meanwhile,the discharge explosive force makes part of CBN particles directly fall off from the cemented carbide and forms pits.Cobalt is easy to over-removal for the good conductivity,low melting point and boiling point,and then WC particles always drop from the surface owing to the losing of the supporting structure.The shock wave generated in the discharge channel can also cause the appearance of the local crack at WC grains edge.

CBN-WC-10Co composite;cutting tool material;wire electrical discharge machining(WEDM);material removal mechanism;thermal damage

2014-08-01

國家自然科學基金資助項目(51375061);湖南省教育廳科學研究項目(13K054);長沙市科技計劃資助項目(K1308035-11)

TH142.2< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.12.015

毛聰，男，1975年生。長沙理工大學汽車與機械工程學院副教授、博士。主要研究方向為磨削加工理論與裝備、刀具材料等。發表論文30余篇。孫小麗,女,1987年生。長沙理工大學汽車與機械工程學院碩士研究生。盧繼,男,1990年生。長沙理工大學汽車與機械工程學院碩士研究生。張健,男,1980年生。長沙理工大學汽車與機械工程學院副教授、博士。