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PCBN刀具的常見磨損原因(詳細)
文:網絡轉載 來源:mmsonline.com.cn 時間:2008-11-25 點擊:5293
目前,對聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的磨損與壽命問題的研究相對硬質合金刀具而言還不夠充分。隨著PCBN刀具應用范圍的不斷擴大,如何正確使用PCBN刀具,使其發揮最大加工效益已變得日益重要,因此有必要對PCBN刀具的磨損機理與使用壽命進行系統研究。目前國內外的相關研究內容大多集中在PCBN刀具的一般磨損機理以及在具體加工條件下切削高溫合金、鑄鐵等材料時的切削性能等方面。對于PCBN刀具的重要應用之一——干式切削淬硬鋼時的磨損問題迄今還很少有人進行研究。PCBN刀具是經高溫高壓燒結而成的兩相物質,立方氮化硼(CBN)晶粒的高硬度和高穩定性使PCBN刀具具有優異的耐磨性;此外,PCBN刀具存在著粘結劑磨損。因此,PCBN刀具的磨損規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軸承鋼為研究對象,系統分析了日本住友公司BN500 牌號PCBN刀具的磨損與壽命問題。

2 PCBN刀具干切削GCr15時的磨損機理

PCBN刀具的磨損機理

A. 機械磨損

  切削加工時,刀具與工件之間的高速相對運動引起劇烈摩擦,工件材料中的硬質點對刀具表面具有劃傷作用,這種由機械摩擦引起的刀具磨損是最常見的磨損因素之一。由于PCBN刀具的硬度相對被加工材料要高得多,因此其機械磨損并不明顯。

B. 粘結劑磨損

  PCBN刀具由CBN晶粒與結合劑混合燒結而成。切削加工時,作為粘結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,直至剝落。

氧化磨損

  在一定條件下,CBN可與氧發生化學反應,氧置換出CBN中的氮并生成B2O3,氧化結果造成CBN晶體晶面凹陷、晶棱縮小,使刀具產生“鈍化”現象。CBN在650℃時開始氧化(此時有N2釋出),在1035℃時氧化加劇,其化學反應式為
4BN(CBN)+3O2→2N2↑+ 2B2O3

  水在高溫下也可與CBN發生反應,其化學反應式為
  BN(CBN)+3H2O→H3BO3+ NH3

  由于這種“水解”作用可導致CBN磨損,因此采用PCBN刀具切削時一般應避免使用水劑切削液。

C. 逆轉化(相變)磨損

  CBN在1234℃時會發生CBN→HBN(六方氮化硼)的逆轉化,這種轉化起始于晶界微晶區,已轉化為HBN的部分因硬度極低而失去切削能力,極易被高速運動的“熱切屑流”帶走,從而導致PCBN刀具磨損,這種磨損稱為逆轉化磨損(也稱相變磨損)。PCBN刀具在高溫(>1200℃)下切削一段時間后,刀刃部分的高溫區有時會出現由許多小凹坑構成的不均勻“麻斑”,這是因為切削溫度超過了CBN→HBN轉化的臨界溫度所致。產生逆轉化磨損后的刀具表面白色“麻斑”實際就是CBN單晶脫落后殘留的、已轉化的HBN。在CBN→HBN的逆轉化中,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轉化傾向。

D. 化學磨損

  PCBN刀具在高溫、高壓、高速條件下進行切削加工時,刀具工作層與被加工材料及周圍介質發生化學反應,當反應生成物被溶化后,在刀具前刀面上將形成一層液態薄膜,其成分主要為化學反應生成的氧化物、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。這種液態薄膜對PCBN刀具的磨損具有較大影響。當切削速度較低時,液態薄膜的粘度較大,易被切屑粘結帶走,因此刀具磨損較為嚴重;隨著切削速度的升高,切削溫度上升,液態薄膜動力粘度下降,對刀—屑間的摩擦可起到明顯的潤滑作用,且BN在薄膜中已飽和,此時液態薄膜可起到保護層的作用,防止成分擴散和化學磨損的進一步發展,故刀具磨損較小。切削試驗表明,刀具結合劑中的Al含量越高,刀具后刀面的磨損速度越快,刀具壽命越短。

E. 擴散磨損

  CBN對鐵族元素(Fe、Ni、Co等)具有很強的化學惰性。有研究表明:在CBN晶粒與電解鐵的擴散實驗中(1200℃,加熱30min)未發現兩者之間相互擴散;在PCBN與55鋼的擴散實驗中(1200℃,加熱30min)發現,CBN聚晶后,刀具中的B、Co向Fe中有少量擴散。另外的加熱實驗表明:TiN基、TiC基PCBN刀具中的Al與被加工材料中的Ni發生了擴散;Co基PCBN刀具中的Co與被加工材料中的Ni也發生相互擴散;若刀具材料中含有Ni,則擴散磨損更為嚴重。另外,當PCBN刀具結合劑中含有Al、被加工材料中含有Si時,Si會向刀具中擴散并與Al結合形成SiAlON,從而導致刀具磨損。有研究表明:幾種刀具材料與鐵之間的相互擴散強度由大到小依次為: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散強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。

F. 粘結磨損

  雖然CBN對鐵族元素具有較高化學惰性,但對其它元素并非如此。PCBN刀具在一定壓力和溫度條件下進行切削時,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,不可避免地要產生元素間的相互擴散,擴散結果使CBN的惰性不斷降低,與合金元素的親合傾向不斷增加,并為粘結磨損創造了條件。由于切削時切屑、工件與刀具前、后刀面之間存在劇烈摩擦和較大壓力,促使它們之間發生粘結。當雙方的相對運動使粘結區材料發生破裂而被一方帶走時,就造成了PCBN刀具的粘結磨損。研究表明:粘結磨損一般是以微粒脫落的形式出現。金屬Ni會增大刀具與工件材料間的粘結強度,從而加劇粘結磨損。

G. 微裂解磨損

  PCBN是由無數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散進去一些“雜質”(如Si、Ca、Cu等元素),這些“雜質”存在于晶界間。由于晶界為雜質富集區,強度相對薄弱,從某種意義上可視為“裂紋”(稱為“精細裂紋”)。此外,在先天或加工條件(即使燒結良好)作用下,在原始晶粒內部以及晶界處均存在著內應力。“精細裂紋”和內應力的存在導致聚晶體的實際強度遠低于其理論值。PCBN刀具切削時,刀刃部微小單晶顆粒脫落現象稱為微裂解,數個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,由于熱切屑流的摩擦與刮研、被加工材料材質不均導致的微沖擊、機床—工件—刀具系統的振動等因素,使聚晶體首先在晶界處產生裂紋,單晶顆粒的非連續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并不斷擴大,直至引起裂斷。

H. 非正常磨損

  非正常磨損主要指PCBN刀具的崩刃型破損(CBN團塊崩落)。產生崩刃型破損的原因與切削條件選用不當、刀具使用不合理、加工設備條件差、操作者缺乏經驗等因素有關(有時也與復合片質量問題有關)。刀具刃磨質量不高也是造成刀具碎裂的一個重要因素。刃磨時在刀具表面留下的劃痕會大大降低刀具強度,進而會使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磨損,并可使機械磨損加劇,同時也會促進剝落磨損和微崩刃磨損的產生。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。當月牙洼磨損出現時,說明切削溫度已接近1200℃;當刀具表面出現微小乳突狀麻點時,表明發生了相變磨損,切削高溫區已超過1200℃,此時必須對切削用量、刀具幾何角度等作相應調整,必要時可采取使用冷卻液或N2保護等防護性措施。

 
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