硼鑄鐵汽車引擎汽缸套切削加工用PCBN刀具材料的制備與切削性能研究①

李 妍，崔志華，王 強(qiáng)

（1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 中西機(jī)床技術(shù)培訓(xùn)中心，天津 300350；2.河南工學(xué)院 車輛與交通工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

氣缸套是發(fā)動機(jī)的重要零部件，同時也是易損件，對發(fā)動機(jī)使用壽命和性能有較大影響。發(fā)動機(jī)正常運轉(zhuǎn)時，活塞組件在高溫、高壓燃?xì)獾淖饔孟峦鶑?fù)運動，氣缸套內(nèi)壁需要承受熱負(fù)荷以及交變機(jī)械載荷的雙重作用，損傷較大。隨著發(fā)動機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，與之配套的汽缸套材料的性能也必須不斷改進(jìn)。為了不影響發(fā)動機(jī)的正常工作，汽缸套材料就必須滿足高強(qiáng)度、耐磨損、耐高溫及耐腐蝕等性能要求［1-4］。目前，國內(nèi)普遍采用硼鑄鐵作氣缸套材質(zhì)，其中含硼復(fù)合物或游離塊狀含硼碳化物作為硬質(zhì)相的存在，對提高材質(zhì)耐磨性能有一定幫助。硼鑄鐵強(qiáng)度與硬度高，導(dǎo)致其切削加工比一般材料困難。目前，鑄鐵切削加工主要以硬質(zhì)合金或陶瓷刀具為主，但這些刀具在切削硼鑄鐵時加工效率較低，且破損、磨損、崩刃比較嚴(yán)重，因此需要選取其他刀具材料來對硼鑄鐵進(jìn)行加工，從而提高硼鑄鐵的加工效率、降低生產(chǎn)成本。

聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具比陶瓷和硬質(zhì)合金刀具具有更高硬度和耐磨性，且熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異，同時有較低的摩擦系數(shù)，在現(xiàn)代切削加工中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，成為不可缺少的工具［5-8］，尤其適合汽車工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域的自動加工。專家學(xué)者對PCBN刀具的切削過程進(jìn)行了大量研究［9-14］，結(jié)果都表明PCBN刀具具有優(yōu)異的切削性能。因此，選擇合適的PCBN刀具材料、刀具型號等，再配合合理的切削參數(shù)，可以很好地解決硼鑄鐵的加工難題［1］。本文介紹了一種硼鑄鐵汽車引擎汽缸套切削加工用PCBN刀具材料的制備方法，并對刀具材料制備過程中的組分配比、合成塊組裝以及燒結(jié)工藝參數(shù)進(jìn)行了探討，還對其切削硼鑄鐵汽缸套進(jìn)行了試驗研究。

1 PCBN刀具材料的制備

1.1 刀具原材料配比

PCBN刀具分為高含量和低含量PCBN刀具兩種類型。低含量PCBN刀具中立方氮化硼（CBN）含量通常在60%以下，高含量PCBN刀具中CBN含量通常在90%以上。所用CBN微粉的粒度最細(xì)能達(dá)到納米級，最粗大于10μm，因此，需要根據(jù)被加工工件的性質(zhì)以及加工要求，選擇合適的CBN粒度。用粗顆粒CBN合成的PCBN刀具抗機(jī)械磨損能力強(qiáng)，適合工件大切深的粗加工；用細(xì)顆粒CBN合成的PCBN刀具抗壓強(qiáng)度高、耐磨性好、被加工件表面粗糙度好，適合精加工。通過大量試驗和對參考文獻(xiàn)中CBN含量、粒度、結(jié)合劑種類的研究分析與參考［15-21］，最終確定硼鑄鐵汽車引擎汽缸套切削加工用PCBN刀具材料的配方見表1。

表1 刀具原材料組分配比

1.2 PCBN組裝結(jié)構(gòu)

按表1所示配比進(jìn)行稱料后，將粉料裝入硬質(zhì)合金球磨罐中，以工業(yè)酒精為介質(zhì)，球料比5∶1，研磨混料2.5 h；混料結(jié)束后將球磨罐放入150℃烘箱中干燥3 h，然后將粉料過篩取出；最后將混合粉料裝入Φ22.3 mm×4.5 mm鉬杯中，再在冷壓機(jī)上預(yù)壓成塊，經(jīng)高溫還原和高溫真空處理后，按照圖1所示的組裝方式進(jìn)行組裝。在國產(chǎn)鉸鏈六面頂壓機(jī)（CS-VII（HD））中高溫超高壓燒結(jié)。

圖1 樣品組裝方式

圖1所示燒結(jié)塊是由原料杯體（樣品）、鹽管、鹽片、石墨片、石墨管、鈦片、鋼圈堵頭和葉臘石塊一起組成的實心塊體。葉臘石是層狀結(jié)構(gòu)，在高壓下有良好的傳壓效果；鹽管與鹽片可以對高溫下熔融鹽起到均衡壓力的作用，使原料粉體盡量接近等靜壓的狀態(tài)。同時利用鈦片、碳片、石墨管以及導(dǎo)電鋼圈的導(dǎo)電性能對組裝塊進(jìn)行加熱燒結(jié)，最終合成PCBN復(fù)合材料。

1.3 PCBN燒結(jié)工藝參數(shù)

除配方體系外，合成工藝也是影響PCBN性能的主要因素。其中合成工藝主要指合成時間、溫度、壓力。合成溫度與合成壓力分別可以通過壓機(jī)中的合成功率和油壓間接地反映。本實驗的制備合成工藝曲線如圖2所示，反映了合成功率、合成壓力與合成時間的關(guān)系。合成塊內(nèi)部壓力最高為5.5 GPa。先升溫至1 100℃保溫240 s，然后再升至1 500℃保溫600 s；總合成時間為1 050 s。

圖2 PCBN合成工藝曲線

2 PCBN刀具材料的表征與性能研究

2.1 PCBN刀具材料的表征方法

采用日本X′pert PRO型粉末衍射儀對樣品進(jìn)行物相分析。按照GB／T 16534—2009《精細(xì)陶瓷室溫硬度試驗方法》，采用上海恒一VH-5硬度計測定PCBN的硬度。用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)（型號CMT—4304）測定樣品強(qiáng)度，跨距10 mm，加載速度0.5 mm／min。通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（S-4800）分析PCBN材料的表面形貌。參照J(rèn)B／T 3235—2013聚晶金剛石磨耗比測定方法，測定PCBN樣品的磨耗比，磨耗比定義為SiC砂輪的磨損質(zhì)量損失與PBCN刀具樣品的磨損質(zhì)量損失之比。利用落球式抗沖擊試驗儀測定樣品抗沖擊性。采用北京時代公司的SR6表面粗糙度儀測量工件表面粗糙度。

2.2 PCBN刀具材料的表征與性能研究

先將燒結(jié)后的PCBN樣品進(jìn)行平磨和拋光處理，然后研究PCBN刀具材料內(nèi)部物相和力學(xué)性能，以判斷燒結(jié)工藝和配方組成是否合理，為PCBN刀具材料的性能提升提供重要的指導(dǎo)依據(jù)。

圖3為燒結(jié)合成后的PCBN復(fù)合材料XRD圖譜。從圖3可知，PCBN復(fù)合材料主要由BN，TiN，TiB2以及Al2O3等物相組成。原始粉末中的鈦粉經(jīng)過高溫高壓反應(yīng)后，全部變成了TiN和TiB2。TiN熔點高、耐磨損性強(qiáng)和化學(xué)穩(wěn)定性高；TiB2抗磨損性能和熱傳導(dǎo)性強(qiáng)，力學(xué)性能優(yōu)異；氧化鋁（α-Al2O3）化學(xué)穩(wěn)定性好，與鐵系金屬親和力小，不易黏結(jié)和擴(kuò)散磨損，抗氧化和耐高溫能力強(qiáng)。綜上所述，TiN，TiB2以及Al2O3的結(jié)合相作為最終結(jié)合劑黏接CBN，能夠制備出兼具韌性好、熱穩(wěn)定性高、硬度高、導(dǎo)電性好的PCBN復(fù)合材料，非常適用于鑄鐵類零件的加工。

圖3 PCBN復(fù)合材料的XRD圖譜

圖4為PCBN復(fù)合材料的SEM圖。圖中均勻分布著黑色、白色和灰色3種顏色區(qū)域，且黑色區(qū)域占比最高，灰色與白色有規(guī)律地排布在黑色區(qū)域周圍，通過XRD分析結(jié)果可以推斷出這是主相CBN與TiB2、Al2O3、TiN構(gòu)成的結(jié)合相，說明混料工藝合理。CBN顆粒通過結(jié)合劑黏結(jié)在一起，提高了復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合劑和CBN顆粒的高結(jié)合強(qiáng)度可以有效減少PCBN刀具在高速切削過程中的顆粒脫落和刀片崩刃現(xiàn)象。

圖4 PCBN復(fù)合材料的SEM圖

PCBN復(fù)合材料力學(xué)性能測試結(jié)果如表2所示。PCBN復(fù)合材料的顯微硬度為3 669HV，抗沖擊次數(shù)63次，抗彎強(qiáng)度為906 MPa，磨耗比為8 858，表明PCBN復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，在鑄鐵類零件加工中有很好的應(yīng)用前景。PCBN材料內(nèi)部各顆粒之間連接緊密，未發(fā)現(xiàn)有明顯的氣孔存在，表面顯微結(jié)構(gòu)致密，具有較好的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度值。PCBN復(fù)合材料具有較高的磨耗比，說明復(fù)合材料耐磨性較好，CBN顆粒在磨削過程中不易脫落，結(jié)合劑對CBN顆粒具有較強(qiáng)把持力，能顯著提升切削效果。PCBN超硬刀具在切削加工工件的過程中刀尖部分需要承受較大的切削力，很容易出現(xiàn)脆性斷裂甚至崩刃的現(xiàn)象，因此，PCBN刀具材料必須具備很好的抗沖擊韌性。本實驗合成所使用的原始結(jié)合劑在體系內(nèi)部與CBN原位反應(yīng)所生成的TiN／TiB2有利于提高復(fù)合材料韌性，TiN／TiB2與CBN之間界面干凈、黏結(jié)性好，當(dāng)材料受到外力作用時，良好的界面結(jié)合能夠承載更大的載荷，有很好的抗沖擊性。

表2 PCBN復(fù)合材料力學(xué)性能檢測結(jié)果

3 PCBN刀具切削實驗

切削參數(shù)是影響切削加工效率和加工工件表面質(zhì)量的重要因素。表面光潔度是評價工件表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，它與切削參數(shù)、車床的振動、機(jī)械零件的耐磨性以及疲勞強(qiáng)度等諸多因素有關(guān)，對機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命和可靠性有重要影響。本實驗采用單因素實驗法研究了切削三因素（進(jìn)給量f、切削速度v、切削深度u）對工件表面粗糙度的影響規(guī)律。

采用整體PCBN材料制成的SNGN120408刀具作為實驗刀具，加工氣缸套。氣缸套材質(zhì)為硼鑄鐵，硬度190～230HB。連續(xù)精車氣缸套表面，采用手持式粗糙度儀測量工件表面粗糙度，分辨率0.001μm。切削實驗參數(shù)和結(jié)果如表3所示。

表3 切削實驗參數(shù)及切削實驗結(jié)果

由表3可知，本實驗合成的PCBN刀具材料具有良好的耐磨性，用其加工氣缸套的表面粗糙度能夠滿足生產(chǎn)要求，表面粗糙度Ra均小于1.6μm，而且通過調(diào)整切削參數(shù)，加工工件表面粗糙度可以達(dá)到0.486μm。圖5為加工后的氣缸套零件圖。

圖5 加工后的氣缸套零件圖

為進(jìn)一步表征PCBN刀具的切削性能，對比分析了PCBN刀具與傳統(tǒng)陶瓷刀具的性能，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，PCBN刀具與傳統(tǒng)陶瓷刀具加工氣缸套相比，切削效率提升了12.5%，切削壽命提升了300%，表明PCBN刀具在鑄鐵類零件加工中有很好的應(yīng)用前景。

表4 PCBN刀具與陶瓷刀具加工氣缸套性能對比

4 結(jié) 論

1）采用細(xì)顆粒CBN，并以Al2O3／Ti為原始結(jié)合劑，制備了一種硼鑄鐵汽車引擎汽缸套切削加工用的PCBN刀具材料，采用該刀具加工汽缸套，工件表面粗糙度可達(dá)0.486μm。

2）PCBN刀具材料具有很好的力學(xué)性能，微觀組織結(jié)構(gòu)均勻、致密，顯微硬度為3 669HV，抗沖擊次數(shù)63次，抗彎強(qiáng)度為906 MPa，磨耗比為8 858，表明PCBN刀具材料具有良好的力學(xué)性能，在鑄鐵類零件加工中有很好的應(yīng)用前景。

3）PCBN刀具與傳統(tǒng)陶瓷刀具加工氣缸套相比，切削效率提升了12.5%，切削壽命提升了300%。