立方氮化硼刀片车削粉末高温合金的刀具磨损

粉末高温合金与其他的铸造和变形高温合金相同，含有许多高熔点合金元素，例如，FGH95(FG02-01)粉末高温合金就含有铬、钴、钼、铌、镍、铁、钽等。这种粉末高温合金是先将合金制成粉末，经热等静压成形，再经锻造而制成的。粉末高温合金的g相含量约为50%(体积)，组织均匀，晶粒细小，屈服强度高，抗疲劳性能好，可用于制造涡轮发动机的涡轮盘等。由于g相含量高，且弥散分布于晶粒间，使粉末高温合金得到很大的强化效应，且在相当高的温度范围内，随温度升高，其硬度反而有所提高，使切削加工性很差。车削时，若采用硬质合金刀具，则刀具磨损十分严重，为此，国内外相继研究采用新刀具材料加工粉末高温合金，与YD15和YG10HT等硬质合金刀片的切削寿命相比，立方氮化硼(CBN)刀片的切削寿命可提高很多倍。试验结果表明，CBN刀片是精车、半精车粉末高温合金的一种理想的刀具材料。

1 试验用CBN刀片及刀具几何参数

1) CBN刀片

目前所用的CBN 刀片有CBN聚晶体型和CBN与硬质合金的复合聚晶型，前者称作聚晶CBN刀片，后者称作复合聚晶CBN刀片。复合聚晶CBN刀片的基底是硬质合金(图1)，其目的是使刀片既有超硬层的高硬度，又有硬质合金相对较高的韧性，并可节约昂贵的超硬材料。CBN刀片的切削性能优越，不仅可用来加工淬硬的材料，而且可加工其他难加工材料。

图1 复合聚晶CBN刀片(GE6000)

本课题采用了图1所示的美国通用电器公司(GE)生产的复合聚晶CBN刀片(以下简称CBN刀片)，其牌号为GE6000，其中含有96%的CBN及4%的Co。CBN基底为硬质合金(WC+Co)，在高温高压条件下，Co从扩散源(硬质合金)基体出发，沿CBN晶界形成Co网络。提高这种CBN刀片质量的关键是减小CBN层与硬质合金层之间的应力差。

图2示出CBN 聚晶体的扫描电镜图片，可明显看出类同水泥地龟裂的晶界。晶界处富集着“杂质组元”，因而在切削力冲击作用下，CBN刀片会发生颗粒剥落或微崩刃。由此看出，使用CBN刀片切削时，机床刚度应较高，而且切削过程中的切削力应基本稳定。

图2 CBN聚晶体扫描电镜图片(×3 500)

2) 车削FGH95粉末高温合金的刀具几何参数刀具几何参数对CBN刀片的切削寿命有很大影响。刀具宜取负前角，对于精车刀具，可用0°～-10°；对于半精车刀具可超过-10°；。刀具后角可在6°～12°范围内选取。为了增强刀刃，可采用负倒棱和刀尖圆弧，负倒棱宽度br1可取0.1mm，负前角γr1可取-10°～-20°，刀尖圆弧半径γδ可取0.5～1mm。

本项试验所采用的CBN刀具的几何参数见图3。由于机夹刀具的刀夹底面倾斜6°，故实际的工作前角γ0=-6°，实际的工作后角α0=6°，实际的负倒棱前角γ01=-21°。

图3 车削FGH95时采用的CBN刀具几何参数

2 车削粉末高温合金的刀具磨损特征

用硬质合金刀具车削粉末高温合金时，刀具磨损剧烈，很快失效。刀具的磨损形貌见图4(工件材料：FGH95；刀片材料：YT726；切削用量：v=15m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r)。图4(a)示出后刀面磨损，既包含了主后刀面磨损，又包含了副后刀面磨损，因而在刀尖区形成了三角形磨损带，后刀面磨损值VB=0.15mm，该磨损值是在刀片的切削路程l仅为3.6m的条件下形成的；图4(b)示出硬质合金刀尖塌陷的形貌，这是由于在较大切削力和切削温度作用下，刀片表面层出现塑性变形而造成的；图4(c)示出刀具前刀面的磨损凹坑，硬质合金已崩碎，而且因刀具表面与粉末高温合金粘结的原因，使硬质合金微粒随切屑一同带走，形成了刀具材料的局部剥落，切削刃已呈现须状崩碎纹。由此可见，用硬质合金刀片车削粉末高温合金的刀具磨损是相当严重的，在经历很短的切削路程条件下，也难以保证必要的加工精度。

(a)后刀面磨损(×400) (b)刀尖塌陷(×650) (c)前刀面破碎磨损凹坑(×300)
图4 硬质合金刀片车削粉末高温合金的磨损形貌

 用CBN刀片车削粉末高温合金时，刀具磨损量很小，若在扫描电镜下观察刀具后刀面，可发现刀刃并无缺损，仅沿主刀刃和副刀刃处有一条白带，见图5(工件材料：FGH95；刀具材料：GE6000；切削用量：v=70m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r；切削距离l=151m)。图中右边示出CBN刀片车削FGH95粉末高温合金时形成的带状切屑。这条白带是一层粘附物，是粘结在刀具表面上的粉末高温合金材料，呈层叠云雾状。主后刀面和副后刀面的粘附物形态示于图6(切削条件与图5相同)。从整体上看，CBN车刀车削粉末高温合金的后刀面粘附与硬质合金车削时不同，CBN车刀的粘附物较少，只有极薄的一层，而且粘附宽度很窄。图示的粘附物宽度不大于100µm；硬质合金车刀的粘附量则较大，接触区的粘结层已产生周期性局部破坏。

图5 CBN刀片车削粉末高温合金的后刀面扫描电镜图片(×200)

(a)主后刀面粘附(×700) (b)副后刀面粘附(×700)
图6 CBN刀片车削粉末高温合金的后刀面粘附物形貌

3 CBN刀片车削粉末高温合金的刀具磨损机理

用具有负前角和负倒棱的CBN刀片车削FGH95粉末高温合金时，切屑呈暗红色的“半熔态”，沿副刀刃方向流出，切削温度很高。在高温高压作用下，CBN刀片不仅易与粉末高温合金材料相互粘结，造成粘结磨损，而且会出现氧化磨损和相变磨损；若受到冲击力，还会产生CBN颗粒剥落和微崩刃。

1) CBN刀片的粘结磨损

切削过程中，CBN刀片前、后刀面的摩擦区里，存在微观突出点的接触，这些接触点的接触压强很高，从而破坏了刀具表面上形成的氧化膜，使刀具表面与被加工粉末高温合金之间容易产生粘结现象。如果在CBN和粉末高温合金内同时发生断裂，就产生了磨损粉末，生成粘结磨损。粘结磨损是压力和温度的函数。出现粘结磨损时，粘结层会产生周期性局部破坏，导致CBN表层材料的疲劳破坏，形成微粒状脱落。另外，在高温条件下，CBN的惰性不断降低，刀片与粉末高温合金材料合金元素间的亲和倾向不断增加，也创造了粘结的条件。粉末高温合金中的Ni，Cr，Mo，Co，Ti等元素含量较高，在一定的切削温度和压力作用下，极易与CBN发生亲和作用。当刃前区的切削温度达到1200℃左右时，局部CBN颗粒将呈现“半融熔”状，此时的粘结磨损更加剧烈。

图7，8(v=70m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r)分别示出CBN刀片主后刀面和副后刀面的粘结形貌，其中，图(a)是刃区全貌，图(b)为刃区局部放大形貌。由图7可见，沿CBN刀片的后刀面有明显的粘附物，在靠近负倒棱处，粘附物呈条纹状，且伴有粘屑。由图8可以看出，沿副后刀面的粘附量并不小于沿主后刀面的粘附量，粘附物呈层叠云雾状，充分表明这种粘附物是不断积累而形成的。

(a)刃区粘附全貌(×220) (b)刃区粘附局部放大(×700)
图7 CBN刀片主后刀面的粘附物形貌

(a)刃区粘附全貌(×250) (b)刃区粘附局部放大(×770)
图8 CBN刀片副后刀面的粘附物形貌

 2) CBN刀片的氧化磨损和相变磨损

刀片具有优异的切削性能，不仅有较高的硬度和热稳定性，而且对铁族元素有高化学惰性，但是，在一定条件下，会发生立方氮化硼(CBN)向结构与石墨相似的六方氮化硼(HBN)的转化，即CBN→HBN的转化，刀刃处转化为HBN的那一部分将降低硬度，失去切削能力。上述的这种相变发生在一定温度条件下，例如，当切削温度达到1000～1200℃，在空气气氛下切削时，就可能出现CBN向HBN的转化。

用CBN刀片切削时，即使切削温度未达到CBN→HBN的转化温度，也会产生氧化和放氮现象，其反应式为

BN(CBN)→[N]+[B]
[N]+[N]→N2↑

在切屑流的强烈摩擦与热冲击作用下，CBN表面形成的氧化膜将会很快为摩擦所破坏，造成氧化磨损。

相变磨损和氧化磨损的结果使CBN的活性增强，惰性下降，切削能力变差。

3) CBN刀片表面的颗粒剥落和微崩刃

由于CBN刀尖是由无数细小的CBN颗粒构成的，晶界处富集的“杂质组元”相当于一种“精细裂纹”，因而大大降低了晶界强度，而且存在不均匀的内应力，使刃口部位的微观强度也不均匀。当热切屑流通过刀尖流经前刀面时，不仅会产生高温摩擦，而且会产生微冲击和加工振动，这就有可能使CBN颗粒剥落，并出现微崩刃。CBN刀刃及前、后刀面的这种磨损形式是高硬度聚晶所特有的。

当用扫描电镜观察已被粉末高温合金热切屑流滑擦并产生CBN颗粒剥落的CBN刀片前刀面时，可以看到刀刃已有缺损，而且靠近刀刃的前刀面处有剥落层，见图9(v=70m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r)。其中，图(a)为刀刃处全貌，图(b)为刀刃与切屑作用区的放大形貌。

(a)刀刃处全貌(×110) (b)刀刃与切屑作用区的放大形貌(×200)
图9 CBN刀刃的缺损及CBN颗粒的剥落形貌

 4 车削粉末高温合金时CBN与硬质合金刀具磨损的比较

与硬质合金相比，CBN刀片车削粉末高温合金的刀具磨损量要小得多，因而CBN刀片的加工精度可以得到保证。

当采用YT726硬质合金，以切削速度v=15m/min、切削深度ap=0.2mm、进给量f=0.1mm/r的切削用量车削FGH95粉末高温合金，切削路程仅为3.6m时，后刀面磨损量VB=0.15mm，此时车刀的径向磨损量为0.016mm，反映在工件直径上的变化量dd=0.032mm。

若采用CBN刀片车削粉末高温合金，切削路程l与后刀面磨损量VB的关系曲线见图10(工件材料：FGH95；刀具：GE6000，CBN刀片；切削用量：v=70m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r)。切削路程l=3.6m时，后刀面磨损量几乎测量不出，最大估计值VB=0.004mm。此时，由于后刀面磨损反映在工件直径上的变化量dd=0.0008mm，即在短时间车削中，工件直径变化量不到1µm。

图10 切削路程l与后刀面磨损量VB的关系曲线

结论

用CBN车刀半精车或精车粉末高温合金材料是可行的，与硬质合金相比，不仅加工质量高，而且刀具寿命显著提高。

由于粉末高温合金材料中的Ni，Gr，Mo，Ti，Nb等元素在一定的切削温度作用下与CBN刀片表面有较强的亲合作用，因而发生较明显的粘结。粘结会形成刀具表面的微粒脱落，造成粘结磨损。

当切削温度达到1000～1200℃时，刀具表面会产生氧化与放氮现象，过高的温度还会产生CBN→HBN的转化，使CBN刀刃失去切削能力。为此，在采用CBN刀具切削时，必须注意选择合适的切削用量和刀具几何参数，使切削温度不致过高。

由于CBN刀刃处会产生颗粒剥落和微崩刃，因此必须控制切削力和切削振动，并选用刚性较好的机床。