PCBN 刀具材料的性能及切削20CrMnTi 合金鋼試驗(yàn)研究①

倪紅海， 紀(jì)飛飛， 陳友廣， 聶佳梅

（1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215411； 2.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

20CrMnTi 合金鋼是工業(yè)上應(yīng)用較廣的一類金屬材料，但20CrMnTi 合金鋼精密磨削加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部裂紋和擦傷等缺陷，影響零件的使用壽命和性能［1-7］。采用以車代磨的方式可以有效解決20CrMnTi 合金鋼在砂輪磨削過程中出現(xiàn)的這些問題。 PCBN（聚晶立方氮化硼）超硬刀具擁有高硬度、高耐磨損性、高加工精度等優(yōu)勢(shì)［8-13］，使用其以車代磨切削難加工材料，可以實(shí)現(xiàn)高速車削，并能夠獲得較好的加工質(zhì)量。 目前國內(nèi)外學(xué)者開展了PCBN 刀具切削難加工材料的研究，但沒有與PCBN 刀具材料成分聯(lián)系起來［14-16］。 本文從配方出發(fā)，以CBN（立方氮化硼）為原料、TiCN 和Al 為結(jié)合劑，在六面頂壓機(jī)內(nèi)合成了CBN 含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）50%～70%的PCBN 刀具材料，并對(duì)其進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察，硬度、磨耗比等力學(xué)性能檢測(cè)。 將上述刀具材料制成方形刀具，對(duì)20CrMnTi 進(jìn)行切削試驗(yàn)，分析了CBN 含量對(duì)PCBN 刀具切削性能的影響并探討了PCBN 刀具的磨損形式和磨損機(jī)理。

1 試 驗(yàn)

1.1 PCBN 刀具材料的合成

以CBN（1～3 μm）、TiCN（1～2 μm）、Al 粉（1 μm）為實(shí)驗(yàn)原料，按表1 所示配比進(jìn)行混料。 將混合料置于三維混料機(jī)中研磨混料，然后在真空干燥箱中進(jìn)行干燥。 粉末經(jīng)過高溫真空還原處理后，與硬質(zhì)合金基體一起放入不溶性金屬杯中，然后在冷壓成型機(jī)上預(yù)壓成塊，最后裝入葉蠟石中，并在六面頂壓機(jī)上壓緊，進(jìn)行高溫超高壓燒結(jié)，制得PCBN 刀具材料。

表1 PCBN 的合成配比及燒結(jié)工藝

1.2 樣品表征

按照GB／T 16534《工程陶瓷維氏硬度試驗(yàn)方法》，采用上海恒一VH-5 硬度計(jì)測(cè)定PCBN 的硬度，并通過萊卡倒置金相顯微鏡（型號(hào)：DMI300M）觀察硬度測(cè)試的菱形壓痕形貌。 通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）分析PCBN 刀具材料的表面外觀和致密性以及PCBN 前刀具的磨損形貌。 參照J(rèn)B／T 3235—2013《聚晶金剛石磨耗比測(cè)定方法》，測(cè)定PCBN 復(fù)合材料的磨耗比，磨耗比定義為鋼材磨損的質(zhì)量損失與刀具磨損損失之間的比率；采用超景深體式顯微鏡（型號(hào)：KEYENCEVHX-200）觀測(cè)刀具磨損情況。

1.3 切削試驗(yàn)

PCBN 刀具材料經(jīng)線切割、焊接、刃磨等工序，制成方型刀具（SNGN120408）切削20CrMnTi 合金鋼材料。 試驗(yàn)在CAK4085Anj 機(jī)床上進(jìn)行，采用外圓切削；切削環(huán)境為干式切削。 切削條件為連續(xù)切削，切削速度v=160 m／min，進(jìn)給量f=0.15 mm／r，背吃刀量ap=0.1 mm，切削里程5 km 時(shí)用超景深體式顯微鏡測(cè)量PCBN 刀具后刀面磨損量（VB）。 表2 為20CrMnTi 鋼化學(xué)成分。

表2 20CrMnTi 鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

2 結(jié)果分析

2.1 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖1為不同CBN 含量的PCBN 刀具材料拋光表面掃描圖。 PCBN 表面均由黑色區(qū)域與灰色區(qū)域構(gòu)成，其中黑色區(qū)域?yàn)镃BN，灰色區(qū)域?yàn)門iCN 和Al 所組成的結(jié)合劑，黑灰區(qū)域交錯(cuò)分布。 樣品經(jīng)過拋光處理后表面致密性良好，CBN 顆粒與結(jié)合劑連接緊密。 燒結(jié)致密化是保證PCBN 刀具材料質(zhì)量的關(guān)鍵。 此外，加入的TiCN 在CBN 顆粒之間均勻分散，同時(shí)TiCN 具有導(dǎo)電導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性良好以及熔點(diǎn)高、硬度高等特性，體系中均勻分散的TiCN 有助于提高PCBN 燒結(jié)體的耐熱性與抗沖擊性。

圖1 不同CBN 含量的PCBN 刀具材料表面SEM 圖像

2.2 硬度分析

PCBN 刀具材料硬度分析結(jié)果見圖2。 硬度測(cè)試載荷10 kg，保壓時(shí)間15 s，選取拋光試樣表面邊緣到中間的7～9 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試。 圖2（a）為BN60 樣品的表面壓痕圖，圖中2 個(gè)壓痕的寬度基本相同，說明刀具材料硬度比較均勻。 從圖（b）可以看出，PCBN 的顯微硬度與CBN 含量成正比。 CBN 和TiCN 硬度分別為80 GPa 和35 GPa，兩者硬度值存在較大差距，因此，試樣整體硬度取決于CBN 含量，CBN 含量越高，PCBN 的整體硬度也越高。 當(dāng)CBN 含量為70%時(shí)，PCBN 的硬度值最大，為32.97 GPa。

圖2 PCBN 刀具材料硬度分析結(jié)果

2.3 磨耗比分析

圖3為CBN 含量對(duì)PCBN 刀具材料磨耗比的影響。 磨耗比是檢測(cè)PCBN 刀具材料耐磨性的重要指標(biāo)。 設(shè)定磨耗比測(cè)定儀砂輪線速度25 m／s，主軸轉(zhuǎn)速4 500 r／min，加載時(shí)間600 s。 每個(gè)PCBN 樣品測(cè)試3 ～5 次，取其平均值為最終磨耗比值。 從圖3 可知，磨耗比隨著CBN 含量增加而增加，與試樣硬度曲線相吻合。 CBN 含量從50%增加到70%時(shí)，刀具磨耗比從4 800 增加到7 400。 本試驗(yàn)條件下黏結(jié)劑對(duì)CBN 顆粒有很好把持力，CBN 顆粒在磨削過程中不易脫落。 由于結(jié)合劑的耐磨性低于CBN，刀具耐磨性主要與CBN 含量有關(guān)，CBN 含量越高，刀具耐磨性越好。

圖3 CBN 含量對(duì)PCBN 刀具材料磨耗比的影響

2.4 CBN 含量對(duì)PCBN 刀具切削性能的影響

圖4為v=160 m／min、f=0.1 mm／r、ap=0.1 mm切削條件下，PCBN 刀具后刀面切削里程5 km 時(shí)的磨損形貌圖。 本試驗(yàn)以后刀面磨損區(qū)的寬度作為判定刀具磨損的標(biāo)準(zhǔn)，后刀面的磨損率雖不能完全體現(xiàn)刀具的磨損速率，但也可以從一個(gè)側(cè)面反映刀具磨損快慢，因?yàn)樗鼘?duì)加工零件的表面光潔度和尺寸精度有顯著影響。 由圖4 可知，PCBN 刀具后刀面磨損量隨著PCBN刀具材料中CBN 含量增加而減小，CBN 含量50%時(shí)，PCBN 刀具磨損量最大，達(dá)到0.390 mm，CBN 含量70%時(shí)，PCBN 刀具磨損量最小，為0.179 mm。 由圖可知，PCBN 刀具后刀面磨損呈三角形，BN50 和BN55 刀具后刀面出現(xiàn)了較大區(qū)域的磨損寬度。 分析可知，高速精密切削20CrMnTi 合金結(jié)構(gòu)鋼過程中，刀具與工件劇烈摩擦，對(duì)工件材料的硬質(zhì)相產(chǎn)生劃痕，產(chǎn)生較高的溫度和應(yīng)力，從而加劇磨損，并可能引起局部剝落，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起崩刃。 BN65 和BN70 刀具的CBN 含量相對(duì)較高，具有極好的耐磨損性和強(qiáng)韌性，因此相對(duì)于CBN 含量低的BN50 和BN55 刀具，總體抗磨損情況較好，在切削里程達(dá)到5 km 時(shí)沒有出現(xiàn)明顯的崩刃和CBN 顆粒脫落現(xiàn)象。 本試驗(yàn)中CBN 含量高的PCBN刀具相對(duì)于CBN 含量低的PCBN 刀具，在高速精密切削20CrMnTi 合金結(jié)構(gòu)鋼時(shí)具有更長的使用壽命。

圖4 PCBN 刀具高速切削20CrMnTi 合金結(jié)構(gòu)鋼后刀面的磨損形貌圖

2.5 PCBN 刀具的磨損形式及機(jī)理分析

圖5為v=160 m／min、f=0.1 mm／r、ap=0.1 mm、切削里程5 km 時(shí)，BN50 刀具高速切削20CrMnTi 合金結(jié)構(gòu)鋼時(shí)前刀面的掃描照片和相應(yīng)位置的EDS 線掃描圖。 從圖5（a）可以觀察到灰色物質(zhì)黏附在刀具上，靠近刀尖處灰色物質(zhì)數(shù)量較多，同時(shí)還觀察到有凹坑存在。 對(duì)灰色物質(zhì)進(jìn)行EDS 線掃描分析，表明灰色物中含有C、O、Fe、Ti、Cr 等元素，這些元素都是工件材料20CrMnTi 合金鋼的主要組成元素。 在高速切削過程中，刀具發(fā)生黏結(jié)磨損，20CrMnTi 合金鋼中的組成元素黏結(jié)并擴(kuò)散沉積在刀具的前刀面上，形成灰色組織層。 磨損的刀具上出現(xiàn)了氧元素，推測(cè)BN50 刀具在切削過程中發(fā)生了氧化反應(yīng)，并生成了B2O3，使CBN 晶體表面凹陷，晶體邊緣收縮，刀具“鈍化”，即氧化磨損。 結(jié)合劑中的TiCN 和Al3＋也可能與空氣中的氧在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成TiO2和Al2O3。 推測(cè)刀具材料和工件材料可能發(fā)生以下氧化反應(yīng)［17-18］：

圖5 BN50 前刀面SEM 照片及相應(yīng)區(qū)域EDS 線掃描圖譜

從以上分析可以看出，BN50 前刀面的損傷不是孤立形式，而是多種形式的組合，是氧化、黏結(jié)、擴(kuò)散磨損以及局部剝落等各種磨損機(jī)制綜合作用的結(jié)果。

3 結(jié) 論

1） PCBN 刀具的耐磨性和顯微硬度與刀具中CBN 含量成正比，CBN 含量70%時(shí)，PCBN 的硬度和磨耗比均最大，分別為32.97 GPa 和7 400。

2） CBN 含量高的PCBN 刀具在高速切削20CrMnTi合金鋼時(shí)有更長的使用壽命。

3） PCBN 刀具高速切削20CrMnTi 合金鋼的磨損機(jī)理為局部剝落、黏結(jié)磨損、氧化磨損以及擴(kuò)散磨損等綜合作用的結(jié)果。