立方氮化硼刀具材料的激光水射流復合工藝加工方法

何同繼，謝皆睿，王 巍，王 石，王一樺，趙靜楠

(1.中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 100018；2.天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

立方氮化硼(cBN)具有超高硬度，是一種難加工的陶瓷材料.聚晶立方氮化硼(PCBN)具有良好的熱穩定性和化學穩定性，工業上已被用作金剛石的替代品.PCBN不與黑色金屬反應，抗氧化能力強[1]，是加工硬鑄鐵、高鉻合金鋼、高強度鎳超合金、粉末金屬合金及金屬基復合材料的理想工具材料[2].PCBN刀具坯料由細小晶體組成，在高溫高壓條件下與金屬(Co)或其他黏結劑燒結而成.常用的黏結劑相包括鎳[3]、碳酸鎂[4-5]和陶瓷(AlN 和 TiN).氮化硼與碳類似，既存在類金剛石 sp3鍵合相(cBN和wBN)，也存在類石墨 sp2鍵合相(hBN和 rBN)，在高溫高壓下，這兩種相之間會發生轉化[6].此外，sp2鍵結構比 sp3鍵結構占有更大的體積[7]，因此轉化后的材料有膨脹原材料的趨勢并產生較大的相變應力.

PCBN工具通常有兩種形式：固態緊湊型或與碳化鎢基體復合型.PCBN在加工過程中提供了高耐磨性，碳化鎢基板提供了所需的韌性和低成本，使復合工具成為制造廠的理想選擇.PCBN坯料的厚度范圍為 1.6～4.8mm，可用于制造圓形、方形、菱形和三角形的刀片，以適應不同行業的特殊用途.

PCBN刀具毛坯硬度極高，加工難度較大.在刀具生產過程中，材料加工速度是一個重要的標準.目前有很多 PCBN加工方法的研究，但尚未有最優的方法可滿足工業生產率所要求的速度、加工精度和成本效益的結合.目前 PCBN刀具的制造方法主要有金剛石鋸、電火花加工、線切割和Nd：YAG激光切割等，這些方法速度慢、精度低.由于刀具磨損較快且加工過程較慢，金剛石磨削加工主要用于精加工.PCBN 的電火花加工(EDM)[8-9]和電火花磨削(EDG)[3,10]加工成本高、速度慢、效率低.如果待切削材料不導電(例如帶 AlN 黏結劑的 PCBN)，則無法使用電火花加工.線切割自動化程度高，但價格昂貴，同時由于 PCBN中 cBN單晶顆粒不導電，線切割加工難度大，易斷絲.常規 Nd：YAG 激光切割存在顆粒形成(由于氣化)和熱損傷等問題，其切口普遍較大，材料損失較多.水射流/激光誘導技術[11]是由瑞士聯邦理工學院的研究人員開發的全新技術，可以精確切割 PCBN材料獲得較小的切口和良好的表面光潔度.與傳統的激光加工和電火花加工相比，其公差要小得多.然而，該工藝的切割速度非常慢，據報道，每切割一個零件需要 120道工序，每道工序的切割速度為25mm/s，切割厚度為1.6mm[11-14].

為提高 PCBN[4]的加工效率和質量，本課題組開發了一種連續波 CO2激光與水射流(LWJ)相結合的新工藝.CO2-LWJ加工系統實現了高功率激光加熱和低壓水射流淬火，實現了裂紋萌生和沿切削路徑的傳播控制.已完成的實驗表明，單次切割速度可達42.3mm/s.CO2-LWJ的優勢在于比傳統的 Nd：YAG激光器加工具有更小的切口(切口寬度可以達到微米級)、較好的表面光潔度、非常小的熱影響區和更快的切削速度.

1 材料與方法

切割實驗的樣品是一種以碳化鎢(WC)為底板的雙層 PCBN材料.材料厚為 1.6mm，其中 PCBN厚度為 1mm，剩余部分為碳化鎢基板.PCBN的組成為 cBN和黏結劑，二者各占質量的 50%，黏結劑的組成為氮化鈦.不同材料的性能見表1.首先用0.2mm 聚焦激光束進行單道直線切割，形成初始凹槽.此后采用激光水射共同作用的工藝，離焦光斑為0.5mm，使現有裂紋在整個試件中延展.激光功率維持在400W，激光掃描速度維持在42.3mm/s，激光器能量密度為 3.18×106kJ/m2.

表1 PCBN、hBN、WC的材料性能Tab.1 Material properties of PCBN，hBN and WC

所有的實驗均采用波長 10.6μm 的連續波 CO2激光器.切割樣品安裝在由數控系統控制的數控平臺上.激光光束通過一個 127mm 聚焦透鏡，在樣品表面照射 0.2mm的聚焦光斑.通過調節激光頭與樣品表面的距離，可以實現離焦.水射流在試樣表面以2mm的距離跟隨激光束.所有實驗均保持恒水壓(0.4MPa).激光束周圍空氣壓力為35kPa，以防止激光與水射流的直接相互作用.

采用掃描電鏡(JEOL JSM-606LV 型，20kV)對切削質量進行了檢測，并對切削特征進行了表征.采用光學顯微鏡測量切口深度.利用拉曼光譜對橫切面和未切割的樣品中存在的材料進行結構分析.

2 理論分析

通過斷裂力學分析，確定 PCBN-WC試樣激光水射流加工實驗的裂紋擴展行為.由圖1可知：在激光掃描的作用下，材料沿激光的掃描路徑產生水平和垂直的微裂紋，破壞了材料原介質的連續性.由于慣性力和載荷在微裂紋附近集中，導致裂紋的進一步擴展，進而使材料沿著激光掃描路徑和垂直于激光掃描路徑的V型口擴展.激光掃描使材料表面受熱，產生局部切割，導致裂紋成形和擴展.在隨后的激光水射流復合加工開始時，試樣的邊緣會產生裂紋.隨著激光束的移動，現有的裂紋沿著 LWJ路徑向板的中心擴展，實現了材料的分離.

圖1 裂紋擴展機制Fig.1 Crack propagation mechanism

3 結果與討論

CO2-LWJ聚焦和離焦光束切割PCBN-WC試樣的照片如圖2所示.

圖2 CO2-LWJ聚焦和離焦光束切割 PCBN-WC試樣結果圖Fig.2 Results of cutting PCBN-WC samples with CO2-LWJ focusing and defocusing beams

在之前對固體 PCBN的切割研究中，成功地利用單通道聚焦 LWJ光束實現了材料的分離.但由于碳化鎢的高韌性，即使在相同的切削條件下，以碳化鎢為基體的 PCBN也不能進行切削.增加能量輸入會導致試樣的破壞性崩裂和不受控制的斷裂(圖2(a)).由于采用聚焦光束切割實驗結果不理想，隨后的實驗引入聚焦與離焦相結合的激光水射流加工工藝，實現了裂紋可控并且切口較小的加工完成度.首先，聚焦的 LWJ光束在沒有物質分離的情況下產生表面切痕(圖2(b)).然后進行激光水射流離焦光束加工，成功地實現了該雙層試樣的穿透切割，且沒有造成太大的表面損傷(圖2(c)).雖然有時仍能觀察到側向裂縫，但與聚焦切割(圖2(d))相比明顯減少.

采用掃描電鏡(SEM)對試樣橫截面的顯微結構特征進行了研究，結果如圖3所示，其中圖3(a)為三層不同表面形貌的橫截面.

圖3 掃描電鏡(SEM)下試樣橫截面的顯微結構特征Fig.3 Microstructural characteristics of cross section of samples under scanning electron microscope(SEM)

對整個厚度的多個位置進行拉曼光譜分析，結果如圖4所示.頂層為 LWJ系統加工區域，沒有 cBN相，但在 1160、1370、1530cm-1附近出現了幾個新的波峰.其中1370cm-1處的吸收峰為hBN相，證明了在激光加熱和水射流加工過程中，發生由原來的PCBN到hBN的相變.1560cm-1處的吸收峰為碳化硼峰，被認為是線性鏈的不對稱拉伸所致.此外，1530～1560cm-1處的吸收峰為 LWJ切割時黏結劑化學反應產生的碳簇峰.拉曼結果驗證了激光加工區域的相變，因此在 SEM 照片中標記為相變區(圖3(a)).斷裂形貌的中間層僅在 1057cm-1和1302cm-1處出現 cBN的吸收峰，與未加工試樣組成相同，如圖3(a)所示為斷裂帶.底層標記為 WC區，是由裂紋在 WC材料中的擴展而形成的.根據圖中顯示，相變PCBN-WC樣本的深度約400μm.離焦光束在較深區域內對材料的相變轉化是單通道聚焦光束的兩倍.圖3(b)為PCBN與WC界面間橫向裂紋擴展導致的剝落 PCBN層.圖3(c)為轉化材料的剝落和從轉化區底部開始橫向微裂紋的萌生.嚴重的損壞不僅造成材料的浪費，而且給樣品的后處理帶來不便，需要后續以精加工的方式完成材料的切削.

圖4 相變區和斷裂帶的拉曼光譜Fig.4 Raman spectrum of transformed zone and fracture zone

4 結 語

在 1.6mm碳化鎢基體上進行 LWJ切割 PCBN的實驗工藝參數為 42.3mm/s和400W.采用單道聚焦光束直線切割，形成初始凹槽后進行離焦激光與水射流共同作用的新方法，成功地實現了全切割.在集中切削過程中出現橫向裂紋，與集中切削相比，激光水射加工能明顯抑制不受控制的橫向裂紋.

單道聚焦光束直線切割致使試樣表面首先產生劃痕，然后在離焦激光與水射流的共同作用下部分立方氮化硼沿切割路徑相變為六方氮化硼.由于 hBN比 cBN占有更大的體積，這導致周圍材料的拉伸應力受約束膨脹和擴展，應力驅動激光加工的溝槽沿厚度方向傳播，使試樣分離，完成材料的切割.即在相變引起的體積膨脹所施加的應力場作用下，通過控制斷裂擴展，證明了材料的分離機理，由此為提高立方氮化硼材料的加工質量提供了一種新的思路.