切削不同铸铁材料的PCBN超硬材料刀具磨损研究现状

　　聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具是以立方氮化硼（CBN）单晶为原料，在高温高压下加入粘结剂烧结形成CBN的块状聚合体。其主要制备工艺为热压烧结法，根据CBN含量的高低及粘结剂种类的不同，PCBN刀具又可以分成不同的种类，而决定刀具质量的因素主要有原材料（即CBN单晶粒度）、烧结工艺、粘结剂纯度等。最常见的PCBN刀片是由0.5mm左右的PCBN层直接烧结在硬质合金基体上形成的复合材料，既具有PCBN的高硬度、良好耐磨性和化学稳定性，同时又有硬质合金可焊性好的优点。

　　由于具有极高的硬度和化学稳定性，PCBN刀具可以实现高速切削和干式切削，为多种难加工金属材料提供了一种高效的解决方案，符合现代刀具 发展的主要方向，即高寿命、高切削效率、低加工成本、高精度和低粗糙度，满足难切削材料加工的要求。随着刀具制造技术的不断改进，PCBN刀具的应用将得到更快的发展。目前这种刀具适合铸铁、淬硬钢以及其他难加工金属的切削。

　　随着铸铁材料在汽车发动机，尤其是柴油发动机中的应用水平的提高，对铸铁材料切削加工工艺技术和相关理论的研究也就显得更加重要。本文对目前PCBN超硬材料刀具切削铸铁材料的研究进展进行了综述，重点对刀具磨损的影响因素进行了分析和总结。

　　目前汽车发动机制造领域常用的铸铁主要包 括灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁，其组织性能及应用特点见表1。各类铸铁材料中的石墨形状、基体成分以及各种化学元素含量的不同决定了其用途不同，也影响了由该材料制成的铸件的加工性能。

表1  各种铸铁材料的性能及用途

　　灰铸铁能较好地满足发动机工作条件对发动机零部件材料性能的要求，其铸造性能、消振性能、切削加工性能以及耐磨性较好，能够满足大功率柴油机零件的性能要求。对灰铸铁切削性能的研究，可以达到降低制造成本、提高生产率以及提高刀具寿命的目的，尤其是高速切削技术的推广及应用，对刀具材料、切削灰铸铁的性能和刀具寿命提出了更高的要求。

　　对于PCBN刀具切削加工灰铸铁的研究，相对于其他铸铁材料更多。PCBN刀具适合高速干切削灰铸铁，通常情况下切削速度超过800m/min，一些刀具甚至可以将切削速度提高到2000m/min。影响PCBN刀具磨损的因素主要有刀具的CBN含量及粘结剂种类、刀具切削参数和几何参数、工件材料等。

　　2.1  CBN含量及粘结剂的影响

　　王德跃等发现，在加工相同面积的灰铸铁时，CBN质量分数为90%的PCBN刀具比CBN质量分数为65%的刀具磨损量更小，这是因为CBN含量高的刀具硬度更高、耐磨性更好的缘故；而Kato等用不含结合剂的PCBN与PCBN刀具BW80（含金属结合剂）高速铣削灰铸铁进行比较，发现无结合剂 的刀具耐磨性更好，加工出的工件表面粗糙度更低。另外王文龙等研究了Co对PCBN复合片的性能影响，认为Co对高含量PCBN复合片加工灰铸铁时的影响不大，Co作为金属粘结剂虽然会降低PCBN的耐磨性，增加其机械磨损量，但同时也能提高其烧结强度，减少剥落和崩刃。

　　2.2  刀具切削参数和几何参数的影响

　　刀具切削参数和几何参数的改变也会影响刀具的磨损程度。姚学祥等通过研究发现，随着倒棱参数（宽度和角度）从0.10×10°增大到0.20×20°，刀具使用寿命先增加后缩短，在0.15×15°时 使用寿命最高，这是因为较小的倒棱参数导致刀具刃口容易破损，随着倒棱参数的增加，刃口抗破损能力增强，此时刀具寿命会变长；当倒棱参数增加到足够大时，由于切削力的增大，刀具寿命又会缩短。宋银胜通过实验得出切削灰铸铁的合理切削参数，见表2。

表2  PCBN刀具切削灰铸铁时合理的切削参数

　　2.3  工件材料的影响

　　工件材料的金相组织对切削过程也有很大影响。朱从容等用整体PCBN刀具高速切削不同灰铸铁，发现在高速切削以珠光体为主的GG25时刀具寿命较长，而以相同参数切削以铁素体为主的GG20时刀具寿命较短。陈五一进行了更深入的研究，发现PCBN刀具低速（400m/min）切削高铁素体工件时更容易发生扩散磨损并在刀具前刀面形成月牙洼，而在高速（1100m/min）切削时不容易形成月牙洼。Gastel等发现PCBN刀具在高速（800m/min）切削灰铸铁时，刀具表面会形成“自愈”的MnS层（见图1），这种薄膜是由于工件材料中的Mn和S元素在高温条件下发生反应而形成的，能够阻止刀具的粘结磨损并起润滑作用。

图1  刀尖上的MnS薄膜

　　2.4  切削环境的影响

　　陈五一还对富氧气氛中的切削进行了研究，发现氧可以延长CBN刀具加工灰铸铁时的耐用度，因为富氧气氛中形成的氧化膜既可以减轻扩散磨损又可以充当润滑剂减轻磨粒磨损。刘战强等发现湿切（使用极压切削油）比干切磨损更严重，因为刀具在湿切条件下会承受较大热冲击从而引起热裂纹，最终加剧了刀具前后刀面的磨损。

　　在灰铸铁铁水中加入球化剂，使S、氧等杂质元 素的含量大大降低，同时在结晶过程中析出球状石墨（如图2），最终得到球墨铸铁。球墨铸铁已经被广泛应用到汽车、航天、船舶及其他重工业领域。但是球墨铸铁硬度大、强度高的特点使其加工困难，用一般的硬质合金刀具进行切削，刀具磨损速度较快。近年来国内大连理工大学和南非Wit-watersrand大学对PCBN刀具切削球墨铸铁进行了研究。

图2  球墨铸铁中的球状石墨

　　3.1   CBN含量及粘结剂种类的影响

　　为了研究不同成分的PCBN刀具的使用情况，李玉标等使用2种相同粘结剂但不同CBN含量的刀具DBW85（CBN质量分数85%）和DBC50（CBN质量分数50%）对等温淬火球墨铸铁（ADI）进行切削加工，发现CBN含量高的刀具寿命更高，其原因是ADI硬度高、导热性差、要求刀具具有良好的抗 冲击能力，而CBN含量高的刀具具有高的硬度和热导率。另外李玉标等还发现粘结剂中的W元素可以提高刀具的耐用度，因为W元素具有较高的熔点和稳定性，会提高PCBN刀具的断裂韧度，减少微崩刃的发生。张弘弢等研究发现， CBN含量低（质量分数65%）且采用陶瓷粘结剂的刀具切削力较小。因为CBN含量较低的刀具粘结剂含量高，而铸铁中的Ti和Hf等，可以在高温高压下与陶瓷粘结剂中的N、B元素反应，提高刀具材料的强度，且陶瓷结合剂抗高温性能较好，因此使用陶瓷结合剂的刀具时，刀—屑亲和性小，切削力相对较小。

　　3.2  刀具切削参数和几何参数的影响

　　Katuku等通过一系列研究发现，切削速度对刀具的磨损机制影响很大，当切削速度小于150m/min时，以粘结磨损为主；切削速度大于150m/min时，扩散磨损和化学磨损为主。PCBN刀具切削等温淬火球墨铸铁时切削速度为150～500m/min时可以获得较长的刀具寿命和较小的切削力。波兰奥波莱工业大学Grzesik等用低CBN含量的刀具切削球墨铸铁，发现随着切削速度的增加，切削力会缓慢减小，切削温度升高，表面粗糙度降低，刀具寿命缩短；随着进给量的增大，切削力增大，切削温度先降低后升高（进给量为0.12mm/r时最低）。另外，刀具钝圆半径对刀具的寿命也有影响，半径较小（0～3.1μm）时，刀尖易破损；半径大于4.8μm时，切削阻力大，产生的高温会加剧刀具磨损。其他工艺参数对刀具磨损及切削力也有影响，如倒棱角度。由于在切削加工球墨铸铁件时，PCBN刀具耐磨性较差，并且切削球墨铸铁汽车零件时的速度相对较低，加工效率并不是很高，所以在实际生产中很少使用PCBN刀具加工球墨铸铁件。因此，对PCBN刀具切削球墨铸铁材料的研究较少。

　　石墨在蠕墨铸铁中以蠕虫状形态存在，如图3。蠕墨铸铁和其他2种铸铁相比有很多优势。与传统的灰铸铁相比，其具有更高的强度、更高的延展性、铸态性能变化更小、热裂纹的发生率更小；与球墨铸铁相比，其切削加工性能和传热性能更好、弹性模量更低、铸造性能更好。蠕墨铸铁正在逐渐替代灰铸铁用于汽车发动机的缸盖等零件的生产中，是汽车铸造行业的新型材料。但是蠕墨铸铁属于难加工材料，对机床和刀具提出了更高的要求。

图3  蠕墨铸铁显微组织

　　4.1  工件材料的影响

　　关于PCBN超硬刀具切削蠕墨铸铁的研究，国外开始得较早，主要是研究工件材料对刀具磨损的影响。Heck等发现PCBN刀具在切削蠕墨铸铁时，刀具表面并没有形成MnS自润滑薄膜。Gastel等和Abele等通过进一步研究认为，未形成自润滑薄膜的原因是蠕墨铸铁中的S含量较少，Gastel还发现PCBN刀具在切削蠕墨铸铁和灰铸铁2种材料时的磨损机理相同，都主要是化学磨损。切削蠕墨铸铁时的刀具磨损更严重（如图4），其主要原因是因为切削蠕墨铸铁时的刀尖温度更高。Dawson等在同等速度下连续切削，发现PCBN刀具切削蠕墨铸铁的寿命只有切削灰铸铁时的1/10左右，Dawson也认为首要原因就是由于没有形成MnS自润滑薄膜；此外，蠕墨铸铁中高的Ti含量也是造成刀具磨损严重的原因，工件中的Ti或其化合物硬度较高，会加剧刀具的磨粒磨损。根据原始设备制造商（OEM）的标准，蠕墨铸铁中Ti的质量分数应严格控制在0.015%以内。

图4  切削速度为800m/min时PCBN刀具的磨损形貌

　　4.2  加工方式的影响

　　为了减少PCBN超硬刀具切削蠕墨铸铁时的磨损，实现连续高速切削，Tyler和Guo使用了一种新的加工方式——辅助调节加工（MAM），如图5。研究发现MAM与传统切削方式相比，刀具耐用度提高了大约20倍，因为这种辅助调节可以改善刀具—切屑的接触情况，提高切屑的流动性以形成断续的切屑，最终减轻PCBN刀具的热化学磨损。另外Tyler还研究了不同切削液对刀具磨损的影响，发现在相同条件下使用含S切削液的刀具磨损程度最轻，Tyler认为可能是切削液中的S与工件中的Mn发生反应生成了致密的MnS薄膜的缘故。除了研究PCBN刀具切削蠕墨铸铁的磨损机理之外，一些学者还针对蠕墨铸铁的切削加工提出了一些建议，Heck等认为要高效加工蠕墨铸铁可以用断续切削代替连续切削，在降低切削速度的同时可以提高进给量。国内研究蠕墨铸铁的主要是吉林大学和上海交通大学等少数高校，使用的切削工具主要是涂层硬质合金刀具，而PCBN超硬材料刀具具有高硬度及高速干切削加工的特点，使用PCBN超硬材料刀具高效切削蠕墨铸铁将是一个重要的方向。

图5  辅助调节加工（MAM）示意图

　　对PCBN刀具切削不同铸铁材料时磨损的影响因素进行了总结。虽然切削不同铸铁材料时的刀具磨损机制大致相同，如粘结磨损、扩散磨损和化学磨损等，但刀具的磨损情况却有很大的差别。

　　PCBN刀具切削铁素体含量较高的灰铸铁时，在前刀面易形成月牙洼，且在切削刃处会出现很多热应力裂纹；在切削球墨铸铁时，在冲击力的作用下刀具易发生崩刃，也会出现因粘结磨损导致的月牙洼；切削蠕墨铸铁时，由于铸铁中Ti元素的影响及难以形成MnS润滑膜，刀具磨损更为严重，以氧化和扩散磨损等化学磨损为主。目前PCBN切削蠕墨铸铁并不理想，还需要对刀具材料及切削工艺和磨损机理进行深入研究。

文章整理自《粉末冶金工业》