摘要：研究了PCBN刀具的磨損機理和磨損形式。通過對干切削GCr15軸承鋼時刀具的磨損形式及壽命進行試驗研究，得出了工件硬度、切削速度對PCBN刀具磨損的影響規律以及工件硬度在臨界硬度附近時刀具磨損速度最快的結論。加工兩種硬度工件時的刀具壽命方程表明，切削速度對PCBN刀具壽命的影響小于對硬質合金及陶瓷刀具壽命的影響。
　　
　　1 引言
　　
　　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。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。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　PCBN刀具的磨損形式前刀面磨損使用PCBN刀具切削GCr15淬硬軸承鋼時，其前刀面磨損形式為月牙洼磨損，磨損形貌如圖1所示。由于PCBN刀具的高溫硬度高，只有達到一定溫度和壓力后才會產生磨損，因此月牙洼磨損只發生在距刀刃很近的部分，且寬度很窄，這一點有別于硬質合金刀具。

圖1 PCBN刀具前刀面磨損形貌

圖2 PCBN刀具后刀面磨損形貌

　　后刀面磨損PCBN刀具切削GCr15淬硬軸承鋼時的后刀面磨損形貌如圖2所示。從外觀上可觀察到以機械磨損為主的磨損帶，同時粘有一些工件材料，并有CBN晶粒脫落現象。僅從磨損形式上看與硬質合金刀具的磨損并無明顯區別，只是磨損量很小。
　　
　　PCBN刀具磨損原因分析通過對PCBN復合片原始表面及已磨損刀具的前、后刀面進行微觀形貌拍照及化學元素分析，可查明PCBN刀具的磨損原因。為比較不同位置的磨損差異，在前刀面上選取3個測試點，即距離刀刃較近的A點、月牙洼底部的B點和月牙洼背部的C點(參見圖1)；在后刀面磨損帶上選取2個測試點，即距離刀刃較近的D點和磨損帶結束部位的E點(參見圖2)。用HITACHI X-650掃描電鏡(配備電子探針)進行檢測。
　　
　　圖3所示的電子探針分析結果表明，BN500牌號的PCBN復合片所含主要元素有Ti、Al、Hf、N等(由于電子探針的性能關系，未檢測出B元素)。
　　
　　GCr15軸承鋼材料所含化學成分及其含量見表1。通過與PCBN刀具材料成分進行對比，可分析刀具的磨損原因。

　　通過比較前刀面上A、B、C各點的檢測結果可知，月牙洼磨損部位增加了Fe、O、C等元素，且其含量與月牙洼部位有關，月牙洼底部的元素含量最高，如圖4所示，其中Fe和O元素顯示最為清晰。上述元素中，Fe和C來自工件材料，O來自空氣，說明造成前刀面磨損的原因除機械磨損外，還有氧化磨損和化學磨損。來自工件材料的Fe和C在高溫高壓作用下與BN500 結合劑中的金屬元素生成金屬間化合物，Fe還可與CBN中的B反應生成Fe-FeB2共晶體，從而加快了PCBN復合片的磨損。
　　
　　由微觀形貌的電鏡照片可見，刀具表面比復合片的原始表面粗糙得多，并有CBN晶粒凸出，說明其周圍的結合劑已被磨去。比較A、B、C三點的磨損情況可知，其磨損原因相同，僅在磨損程度上存在差別。
　　
　　通過比較后刀面磨損帶上D、E點的檢測結果可知，在距刀刃較近的D點處(見圖5)含有Cr、Fe、C、O等元素，其中Cr、Fe、C等元素來自工件材料，O來自空氣，說明在D點附近除機械磨損外，還有氧化磨損和化學磨損，磨損原因與前刀面基本相同，不同的是在后刀面D點處多了Cr元素，可能產生更為復雜的磨損機理。E點處的化學成分較原復合片多了C、Rb、S、Mn等元素，其中Rb為原復合片中的添加元素，C、S、Mn等元素來自工件材料，這些元素與復合片結合劑中的元素生成碳化物、硫化物和復雜的金屬間化合物，從而加劇了刀具磨損。比較D、E兩點處檢出的元素可知，在D點存在氧化磨損及有鉻、鐵的化合物生成，而在E點并無這一磨損機制；在E點處存在S、Mn元素，并產生相應的化學磨損，而在D點處不存在此磨損原因。
　　
　　由微觀形貌的電鏡照片可見，后刀面上D、E兩點的微觀形貌更為粗糙，且在D點處還粘有異物，在低倍照片上可見后刀面上麻坑較多，說明已有CBN晶粒脫落。另外，前、后刀面磨損部分的金屬Al能譜強度有大幅降低，說明其含量已有減少，而Al作為粘接劑存在于刀具材料中，Al含量的減少說明前、后刀面都有粘結磨損發生。

　　3 干切削GCr15時PCBN刀具的壽命分析
　　
　　工件硬度對刀具磨損的影響通過對加工5種硬度(30、40、50、60、64HRC)的工件時刀具后刀面磨損及前刀面月牙洼寬度磨損試驗，可分析工件硬度對刀具磨損的影響規律。加工各種硬度工件時的后刀面磨損量VB的對比如圖6所示。當工件硬度為40、50HRC時，其后刀面磨損量最大，月牙洼磨損也呈現出相同規律(見圖7)；而加工較高或較低硬度的工件時刀具的相對磨損量均較小。這一結果表明，當工件硬度在40～50HRC范圍內時(此時切削溫度較高)，刀具磨損量最大。由此可知：PCBN刀具不適合加工硬度為臨界硬度(GCr15的臨界硬度為50HRC)附近的工件，加工高硬度材料時更能發揮其優良的切削性能。
　　
　　兩種切削條件下PCBN刀具的壽命為了研究PCBN刀具的磨損規律，分別選取40HRC和60HRC兩種硬度的GCr15材料，通過改變切削速度進行刀具磨損試驗，刀具磨損曲線分別如圖8、圖9 所示。

　　通過對試驗數據進行處理，可得到相應的刀具壽命方程。在ap=0.5mm，f=0.15mm/r，工件硬度為60HRC條件下，選取后刀面磨損量VB=0.2mm為磨鈍標準，則切削速度與刀具壽命的關系為VT0.689=1177，相關系數r=0.98；在ap=0.2mm，f=0.08mm/r，工件硬度為40HRC條件下，選取后刀面磨損量VB=0.15mm為磨鈍標準，則切削速度與刀具壽命的關系為VT0.662=752，相關系數r=0.99。由兩個壽命方程的相關系數可知，在試驗條件下，BN500刀具壽命與切削速度的關系符合泰勒公式；此外，PCBN刀具的壽命方程指數(0.689，60HRC；0.662，40HRC)比硬質合金刀具的壽命方程指數(0.1～0.4)和陶瓷刀具的壽命方程指數(0.2～0.4)大得多，說明切削速度對PCBN刀具壽命的影響程度相對較小。比較對應兩種硬度的壽命方程指數可知，在較高工件硬度(60HRC)條件下，切削速度對刀具壽命的影響小于較低工件硬度(40HRC)時的影響。
　　
　　4 結語
　　
　　PCBN刀具的磨損因素較多，磨損機制較復雜，且磨損因素相互影響、相互作用。根據磨損形式的特點，通過調整刀具幾何參數和切削條件，可有效提高刀具壽命。
　　
　　PCBN刀具的前、后刀面磨損區域較小，且集中于切削溫度較高的切削刃附近，磨損原因以機械磨損、氧化磨損和化學磨損為主，后刀面磨損區域有CBN晶粒脫落發生。
　　
　　在臨界硬度(50HRC)附近，PCBN刀具的磨損速度最快，說明PCBN刀具不適宜加工硬度為臨界硬度附近的工件材料。
　　
　　在兩種切削條件下得到的刀具壽命方程指數均在0.6以上，說明切削速度對PCBN刀具壽命的影響小于對陶瓷刀具和硬質合金刀具壽命的影響。