pcbn刀具材料的性能分析

pcbn刀具材料的性能分析

0数控机床聚结体原料采用聚晶态氮化钾（nbn）一词，以多孔氮为原料，不参与香料的制备，以在高压下形成聚结体。主要用于数控机床、多用途机床、自动线、专用高速机床、柔性生产单元或柔性生产系统,对淬火钢、模具钢、白口铸铁或压铸件;合金钢、工具钢、热喷涂、焊材料进行精加工和半精加工,同时能高速切削HRC35以上钴基和镍基高温合金、热喷涂材料、硬质合金、陶瓷及其它难加工材料,可进行高速车削、铣削、镗削、钻(铰)削等,是用车、铣代替磨削的最主要的刀具。1结论和存在的问题PCBN刀具的硬度仅次于金刚石,大大高于陶瓷刀具和硬质合金刀具,因而可加工HRC60以上的淬火钢、灰口铁、白口铁以及硬度高达HRC70以上的YG15、YG20、YG25硬质合金,其寿命为陶瓷刀具的3～5倍、硬质合金刀具的5～15倍。PCBN刀具的高耐磨性和长寿命大大提高了工件的加工精度,减少了换刀和磨刀的次数,提高了工效。PCBN刀具材料与其他刀具材料的性能比较列于表1中。PCBN刀具优良的切削性能主要集中体现在以下几个方面:(1)高硬度和优良的耐磨性表2给出了几种硬质材料的显微硬度HV的值,从表2中可以看出立方氮化硼的显微硬度仅次于金刚石的硬度,是世界上目前发现的第二种超硬材料。这种高硬度使其具有很高的耐磨性,用它制作刀具,在切淬硬合金钢材料时,其耐磨性为无涂层硬质合金刀具的50倍,为涂层硬质合金刀具的30倍。(2)立方氮化硼有很高的热稳定性立方氮化硼的耐热温度高达1400～1500℃,比金刚石的耐热温度(700～800℃)几乎高一倍。立方氮化硼在1370℃以上,才由立方晶体转变为六方晶体而开始软化,用它制作刀具可以高速切削高温合金,其切削速度比硬质合金刀具高3～5倍。(3)立方氮化硼有极强的化学稳定性立方氮化硼是化学惰性特别大的物质,在中性还原气候介质中,对酸碱都是稳定的,与碳在2000℃时才起反应,与铁族材料在1200～1300℃时也不起反应。立方氮化硼与各种材料的粘结和扩散作用比硬质合金小得多,可以用来切削金刚石不能切削的钢铁材料。(4)立方氮化硼的导热性能好立方氮化硼的导热系数为79.54W/m·K,仅次于金刚石(146.5W/m·K)。并且随着温度的提高立方氮化硼的导热系数逐渐增大,有利于切削区的温度和刀具的热量扩散。(5)较低的摩擦系数:PCBN与不同材料的磨擦系数为0.1～0.3,较低的摩擦系数使切削力减小,切削温度降低,不易产生积屑,有利于降低加工材料的表面粗糙度。(6)可重磨:PCBN刀具的聚晶切削刃采用先进的镶嵌工艺,镶嵌牢固。可采用粒度180～240目的人造金刚石树脂砂轮在普通工具磨床上刃磨,方便用户,降低刀具成本。2作切削刀具的制备由于单晶CBN的粒度小,而且存在易劈裂的“解理面”,不能直接用于制造切削刀具,在工业上作切削刀具大多是聚晶的PCBN,PCBN是由无数细小的无方向性CBN单晶构成的,会使劈裂的影响大大减少,而且随着切削刀具的磨损会连续的露出新鲜的晶体。根据体系中是否加入结合剂,可以把PCBN分为有结合剂的PCBN和纯PCBN,近几年表面镀覆的PCBN发展较快。2.1试验材料和产品CBN单晶表面有一层致密的氧化硼薄膜,这层薄膜阻碍了CBN晶粒间的直接键合,所以难得到CBN与CBN之间的直接键合的高强度的PCBN,因而在聚合过程中,加入多种结合剂材料以加强CBN晶粒间的连接。目前国内外PCBN的结合剂基本有2种类型。第一种是由金属及其合金组成的金属结合剂。这种结合剂对提高PCBN的韧性起到良好的作用,但在高温条件下结合剂软化,对PCBN的耐磨性起到副作用。第二类是目前正在发展的陶瓷与金属或金属合金组成的结合剂。因为纯陶瓷结合剂可以解决高温条件下软化的问题,但这种PCBN抗冲击性能差,寿命短,而由陶瓷和金属组成的混合剂的结合剂,则弥补了纯金属结合剂和纯陶瓷结合剂的各自缺点。从目前来看,有结合剂的PCBN正朝着高断裂韧性、高耐磨性方向发展,同时尺寸越来越大。世界先进国家的公司如美国G.E.公司,英国De.Beers公司,以及日本住友公司等,在金属陶瓷复合聚晶立方氮化硼PCBN研究与应用方面投入大量的人力和物力,对其进行不断试验研究,产品已经大量商品化。由G.E.公司研究的BENCompact复合片直径为8.3mm、13.2mm、23.5mm、50.8mm。片的总厚度分别为1.6mm、3.2mm、4.8mm,其中的PCBN净厚分别为0.6mm、1.2mm、1.6mm,适用于切削高硬度高速钢、冷硬铸铁、超硬耐磨合金等。由DeBeers公司研究的AMBORITE商标的AMB90、DBA80、DBC50和DBN45的PCBN,是用CBN的不同粒径、不同含量和不同黏结剂合成,其CBN含量分别为90%、80%、50%和45%,适用于高速切削淬火钢、高硬度轧辊,加工表面十分光洁,见表3。借助于更大的压机获得了高压力(>5GPa)和高温(>1400℃),其中AMB90的最大直径已经从60mm增加到101.6mm,直径增加287%,大大增强其市场适应性和产品的经济效益。日本Sumitomo(住友)公司生产的BNX10等PCBN产品具有优良的耐磨性,其PCBN刀具广泛应用于切削加工,替代硬质合金刀具,在加工不锈钢方面具有优异的效果,其PCBN刀具用量已占硬质合金、陶瓷刀具市场的50%。文献表明:陶瓷组份中氧化铝、氮化铝、硼化铝等成分烧结时,对提高PCBN的强度有较好的效果,高熔点金属组份可用TiC、TiN、WC、NBe等,尤其是以Ti为主的化合物,如除TiC、TiN外的(TiW)C、TiW、TiTa等加人后,对PCBN的抗磨性和抗破损性都会有所提高。粘结合金除Co、Ni外,可以采用与陶瓷结合剂亲和性好的元素,如用Sb、Sn、Mg、Cu等。稀土元素在烧结过程中会起到积极的作用。如加入Y、Dy等的氧化物和氮化物以及Ce、Nd、Gd、Lu等元素也可以,这些稀土元素与硼化铝和硼化钛一起渗入到CBN晶粒间和陶瓷结合剂中,促使聚晶致密,提高PCBN的强度。元素六(ElementSix)公司采用碳化物、氮化物、碳氮化物、烧结碳化物、烧结氮化物、烧结碳氮化物以及其混合物形成一种复杂的核分散于基体中,基体中包括超硬材料如金刚石或CBN和结合剂,在高温高压下合成PCD或PCBN,形成如蜂窝状的结构,具有优良的强度和断裂韧性。美国史密斯(Smithinternational)公司制备的复合体系,包括两相组成的有序微观结构,其中第一结构相由金属陶瓷材料、PCD、PCBN等组成,第二结构相由Co,Ni,Fe,W,Mo,Cu,Al,Nb,Ti,Ta,金属陶瓷、和合金等组成,第二结构相至少与一定量的第一相紧密接触,复合体系至少包含两层的有序结构,用于钻孔及加工切削工具。由于CBN由高强度的共价键构成,烧结高纯度的CBN结合体是相当困难的,或者说需要更高的压力(大约7GPa),才能得到致密的烧结体。最近XiaoZhengRong的报告指出,渗透到CBN和WC混合层中的Co在CBN烧结过程中起到重要的影响。XiaoZheng-Rong和TakaakiTsurumi研究了CBN-Al的烧结,和在高温高压烧结过程中的化学反应,研究发现,经过固态的CBN和熔融态的Al反应,产生了新的物质AlN,AlB2和α-AlB2,烧结过程中观察到了AlN和AlB2的晶粒快速长大,将导致烧结体机械强度下降。日本三菱金属公司以陶瓷TiCN-Al2O3、TiN-TiCN-TiB2与CBN复合制备PCBN,耐高温性能好,但抗冲击性能较差,容易出现崩刃、破损现象。昭和电工以TiC与CBN复合制备PCBN,同样存在上述问题。刘一波等以Al-TiC0.47-B与CBN掺杂制备PCBN,对燃烧过程中的化学反应进行了初步研究,发现Al-Ti燃烧反应,形成液相AlTi3、TiAl、TiAl3相,并与CBN反应生成AlN、A1B、TiN、TiB2,反应区的高温导致CBN颗粒表面六方化,降低了表面硬度,以致PCBN耐磨性较低。王艳辉等以ZrO2(Y2O3)增韧的Si3N4与CBN复合制备PCBN,研究了ZrO2的相变及增韧机理,发现相变增韧与微裂纹增韧作用相互叠加。但石淼森指出Si3N4在200～300℃时,摩擦系数升高,300～500℃摩擦系数降低,磨削初期磨耗大,耐磨性差。2.2试验和结果分析由于有结合剂的PCBN中存在非CBN的组分,降低了CBN的硬度和强度,从而直接导致其耐磨性降低,因此近年来纯PCBN发展迅速。G.E.公司采用2～4μm或8～12μm的CBN粉末在7.7GPa高压和2100～2350℃高温下,无任何烧结助剂制备纯净的、半透明的PCBN复合片,研究表明其杨氏模量E、剪切模量C、泊松比v分别为665～895GPa、95～405GPa、0.11～0.15GPa,与纯CBN的理论杨氏模量E909GPa、剪切模量C405GPa、泊松比v0.12极为接近。日本住友公司2000年研制了几乎全部为CBN的纯PCBN,其CBN含量大于99.9%。由于它是采用六方氮化硼(hBN)在催化剂及高温高压下直接转化为CBN,因此其硬度和热稳定性远远大于普通的PCBN,如表4。K.S.Neo比较了这两种PCBN的性能和切削特点,发现这两种PCBN都能够在高速切削中获得高质量的表面,其中纯PCBN的切削表面粗糙度更低,见图1和图2。同时发现在更高速度切削时,纯PCBN的耐磨性能更好,这可能是由于纯PCBN具有更高的硬度、机械强度和耐热性能。Dub,S.N采用块状的热解石墨状BN在高达8GPa的压力和2200～2550℃的高温下合成高纯PCBN,得到的PCBN的晶粒大小为100～400nm,相对于单晶CBN具有更高的硬度和断裂韧性。Casanova在8GPa和1850℃下有或无结合剂的情况下制备PCBN,采用X-ray射线和拉曼光谱研究其烧结过程中的弹性变形动力学过程,短烧结时间表明:合成了高塑性变形的晶粒,相比于无烧结剂,铝体系黏结剂严重影响塑性变形和缺陷退火工艺。Sumiya.H.研究发现在高含量CBN(≥99.9%),细晶粒(<0.5μm)的情况下,在7.7GPa、2200～2400℃下,制备的纯PCBN在任何温度下,都表现出最高的硬度和断裂强度。虽然纯PCBN在体系中几乎不存在其它化合物,表现出接近于单晶CBN的性质与特点,但其制备条件要求苛刻,目前只有少数公司能够合成,距离大规模的商品化还需要进行更多的研究。2.3基复合材料的研磨和切割表面镀覆PCBN主要指在PCBN的表面,通过物理气相沉积的方法,表面镀覆一层1～3μm左右的陶瓷镀层,如氮化物TiN等。PCBN刀具除了使用切面外,其通常在切削刃(刀口)上提供一个“磨石”。对于高的负倒棱角,大的刀口磨石会产生较大的应力和较多的热量。据报道在加工的表面产生大量的残余应力,解决这一问题的方法就是通过PCBN表面镀层延长疲劳寿命。有充分的证据说明,镀层能够提高PCBN切割工具的性能。Jiang,Wenping等采用CBN-TiN复合涂层应用于PCBN复合片中,复合涂层结合了CBN的高热稳定性和耐磨性及TiN的优良润滑性等优点,在切削硬化钢时表现出好的耐磨性和使用寿命。表面镀覆PCBN在应用过程中,表现出不同的摩擦化学磨损。当加工的钢中含有不同粒度的淬火碳时,镀层易于磨损,对切割工具的性能有不利的影响,因此确定镀层的厚度范围很困难。3研磨和化学磨损通常根据CBN的含量将PCBN工具材料分为高CBN含量和低CBN含量PCBN,这两种PCBN的特点、性质及应用范围见表5。J.Barry根据IS0513:2001“硬质切割工具材料的说明与应用”的国际标准,描述了PCBN的应用领域、相应的ISO分类和使用材料的相关特征,如图3。不仅因为工件材料的复杂性质,而且切割工具的形状和镀层等因素都会影响工具的性能,因此应根据成分和微观结构,来使切割工具和工具材料标准化。Gimenez,S指出PCBN工具切割应用过程中,可能出现两种磨损机理,即研磨磨损和化学磨损。研磨磨损的增加主要是因为工件中的硬颗粒,对于PCBN来说主要是含铁材料中的碳化物,例如在钢中发现的最硬碳化物其硬度达到2000HV。化学或较精确的摩擦化学磨损被认为是一种耐热反应活性的过程,较高的切割速度导致较高的温度,反应速度伴随切割边缘温度的升高而增大,因此,摩擦化学磨损对整个磨损过程的增加相对贡献增大。另外一个因素就是在加工过程中工具与工件之间最大的接触周期。试验表明,在相同条件下,在精确的间歇切割操作中产生的温度远远低于连续操作时产生的温度。因此,在间歇加工过程中,不仅要考虑间歇几何尺寸的重要性,还要考虑工具接触的最大时间周期。PCBN的三个关键性质:耐磨性、耐摩擦化学磨损性和强度,影响不同的PCBN在工具材料中的应用。图4列举了不同工具材料对PCBN的性能的要求,表明硬化钢加工具有最大的适应