广东省模具工业协会

PCBN 刀具的磨损机理和干切削 GCr15 时的磨损与寿命

摘要： 研究了 PCBN 刀具的磨损机理和磨损形式。通过对干切削 GCr15 轴承钢时刀具的磨损形式及寿命进行试验研究，得出了工件硬度、切削速度对 PCBN 刀具磨损的影响规律以及工件硬度在临界硬度附近时刀具磨损速度最快的结论。加工两种硬度工件时的刀具寿命方程表明，切削速度对 PCBN 刀具寿命的影响小于对硬质合金及陶瓷刀具寿命的影响。

1 引言

目前，对聚晶立方氮化硼 (PCBN) 刀具的磨损与寿命问题的研究相对硬质合金刀具而言还不够充分。随着 PCBN 刀具应用范围的不断扩大，如何正确使用 PCBN 刀具，使其发挥最大加工效益已变得日益重要，因此有必要对 PCBN 刀具的磨损机理与使用寿命进行系统研究。目前国内外的相关研究内容大多集中在 PCBN 刀具的一般磨损机理以及在具体加工条件下切削高温合金、铸铁等材料时的切削性能等方面。对于 PCBN 刀具的重要应用之一——干式切削淬硬钢时的磨损问题迄今还很少有人进行研究。 PCBN 刀具是经高温高压烧结而成的两相物质，立方氮化硼 (CBN) 晶粒的高硬度和高稳定性使 PCBN 刀具具有优异的耐磨性；此外， PCBN 刀具存在着粘结剂磨损。因此， PCBN 刀具的磨损规律与工作寿命具有一定特殊性。本文以 PCBN 刀具干式切削不同硬度的 GCr15 轴承钢为研究对象，系统分析了日本住友公司 BN500 牌号 PCBN 刀具的磨损与寿命问题。

2 PCBN 刀具干切削 GCr15 时的磨损机理

PCBN 刀具的磨损机理

A. 机械磨损

切削加工时，刀具与工件之间的高速相对运动引起剧烈摩擦，工件材料中的硬质点对刀具表面具有划伤作用，这种由机械摩擦引起的刀具磨损是最常见的磨损因素之一。由于 PCBN 刀具的硬度相对被加工材料要高得多，因此其机械磨损并不明显。

B. 粘结剂磨损

PCBN 刀具由 CBN 晶粒与结合剂混合烧结而成。切削加工时，作为粘结剂的陶瓷或金属首先被磨耗，从而使 CBN 晶粒凸出刀具表面而受力松动，直至剥落。

氧化磨损

在一定条件下， CBN 可与氧发生化学反应，氧置换出 CBN 中的氮并生成 B2O3 ，氧化结果造成 CBN 晶体晶面凹陷、晶棱缩小，使刀具产生“钝化”现象。 CBN 在 650 ℃时开始氧化 ( 此时有 N2 释出 ) ，在 1035 ℃时氧化加剧，其化学反应式为
4BN(CBN)+3O2 → 2N2 ↑ + 2B2O3

水在高温下也可与 CBN 发生反应，其化学反应式为
BN(CBN)+3H2O → H3BO3+ NH3

由于这种“水解”作用可导致 CBN 磨损，因此采用 PCBN 刀具切削时一般应避免使用水剂切削液。

C. 逆转化 ( 相变 ) 磨损

CBN 在 1234 ℃时会发生 CBN → HBN( 六方氮化硼 ) 的逆转化，这种转化起始于晶界微晶区，已转化为 HBN 的部分因硬度极低而失去切削能力，极易被高速运动的“热切屑流”带走，从而导致 PCBN 刀具磨损，这种磨损称为逆转化磨损 ( 也称相变磨损 ) 。 PCBN 刀具在高温 (>1200 ℃ ) 下切削一段时间后，刀刃部分的高温区有时会出现由许多小凹坑构成的不均匀“麻斑”，这是因为切削温度超过了 CBN → HBN 转化的临界温度所致。产生逆转化磨损后的刀具表面白色“麻斑”实际就是 CBN 单晶脱落后残留的、已转化的 HBN 。在 CBN → HBN 的逆转化中，氧和氧化物起到了催化剂的作用。与此相反，金属钴可通过降低氧化气氛而抑制 CBN → HBN 转化倾向。

D. 化学磨损

PCBN 刀具在高温、高压、高速条件下进行切削加工时，刀具工作层与被加工材料及周围介质发生化学反应，当反应生成物被溶化后，在刀具前刀面上将形成一层液态薄膜，其成分主要为化学反应生成的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等 ( 如 B2O3 、 Fe-FeB2 共晶体 ) ，另外还有一些金属间化合物。这种液态薄膜对 PCBN 刀具的磨损具有较大影响。当切削速度较低时，液态薄膜的粘度较大，易被切屑粘结带走，因此刀具磨损较为严重；随着切削速度的升高，切削温度上升，液态薄膜动力粘度下降，对刀—屑间的摩擦可起到明显的润滑作用，且 BN 在薄膜中已饱和，此时液态薄膜可起到保护层的作用，防止成分扩散和化学磨损的进一步发展，故刀具磨损较小。切削试验表明，刀具结合剂中的 Al 含量越高，刀具后刀面的磨损速度越快，刀具寿命越短。

E. 扩散磨损

CBN 对铁族元素 (Fe 、 Ni 、 Co 等 ) 具有很强的化学惰性。有研究表明：在 CBN 晶粒与电解铁的扩散实验中 (1200 ℃，加热 30min) 未发现两者之间相互扩散；在 PCBN 与 55 钢的扩散实验中 (1200 ℃，加热 30min) 发现， CBN 聚晶后，刀具中的 B 、 Co 向 Fe 中有少量扩散。另外的加热实验表明： TiN 基、 TiC 基 PCBN 刀具中的 Al 与被加工材料中的 Ni 发生了扩散； Co 基 PCBN 刀具中的 Co 与被加工材料中的 Ni 也发生相互扩散；若刀具材料中含有 Ni ，则扩散磨损更为严重。另外，当 PCBN 刀具结合剂中含有 Al 、被加工材料中含有 Si 时， Si 会向刀具中扩散并与 Al 结合形成 SiAlON ，从而导致刀具磨损。有研究表明：几种刀具材料与铁之间的相互扩散强度由大到小依次为：金刚石→碳化硅→立方氮化硼→氧化铝；而它们与钛合金之间的相互扩散强度的大小顺序则刚好相反，分别为：氧化硅→立方氮化硼→碳化硅→金刚石。

F. 粘结磨损

虽然 CBN 对铁族元素具有较高化学惰性，但对其它元素并非如此。 PCBN 刀具在一定压力和温度条件下进行切削时，随着切屑不断流出，刀尖与被加工材料均不断裸露出新鲜表面，不可避免地要产生元素间的相互扩散，扩散结果使 CBN 的惰性不断降低，与合金元素的亲合倾向不断增加，并为粘结磨损创造了条件。由于切削时切屑、工件与刀具前、后刀面之间存在剧烈摩擦和较大压力，促使它们之间发生粘结。当双方的相对运动使粘结区材料发生破裂而被一方带走时，就造成了 PCBN 刀具的粘结磨损。研究表明：粘结磨损一般是以微粒脱落的形式出现。金属 Ni 会增大刀具与工件材料间的粘结强度，从而加剧粘结磨损。

G. 微裂解磨损

PCBN 是由无数微小而无方向相性的 CBN 单晶组成。在 CBN 聚晶过程中，通过触媒或添加剂向材料中扩散进去一些“杂质” ( 如 Si 、 Ca 、 Cu 等元素 ) ，这些“杂质”存在于晶界间。由于晶界为杂质富集区，强度相对薄弱，从某种意义上可视为“裂纹” ( 称为“精细裂纹” ) 。此外，在先天或加工条件 ( 即使烧结良好 ) 作用下，在原始晶粒内部以及晶界处均存在着内应力。“精细裂纹”和内应力的存在导致聚晶体的实际强度远低于其理论值。 PCBN 刀具切削时，刀刃部微小单晶颗粒脱落现象称为微裂解，数个 CBN 颗粒的剥落称为微崩刃。微裂解与微崩刃混杂磨损是超硬刀具材料特有的磨损类型。

PCBN 刀具切削时，由于热切屑流的摩擦与刮研、被加工材料材质不均导致的微冲击、机床—工件—刀具系统的振动等因素，使聚晶体首先在晶界处产生裂纹，单晶颗粒的非连续脱落造成刀具的微裂解和微崩刃，在刃口处形成凸凹不平的裂解区并不断扩大，直至引起裂断。

H. 非正常磨损

非正常磨损主要指 PCBN 刀具的崩刃型破损 (CBN 团块崩落 ) 。产生崩刃型破损的原因与切削条件选用不当、刀具使用不合理、加工设备条件差、操作者缺乏经验等因素有关 ( 有时也与复合片质量问题有关 ) 。刀具刃磨质量不高也是造成刀具碎裂的一个重要因素。刃磨时在刀具表面留下的划痕会大大降低刀具强度，进而会使 CBN 晶粒从划痕处脱落，造成刀具的微裂解磨损和微崩刃，直至刀具破损。

PCBN 刀具的各种磨损形式是相互影响、共同作用的，如氧化磨损和相变磨损必然伴随着粘结磨损，并可使机械磨损加剧，同时也会促进剥落磨损和微崩刃磨损的产生。由于各种磨损因素的综合作用，使不同磨损形式相互渗透与交错。当月牙洼磨损出现时，说明切削温度已接近 1200 ℃；当刀具表面出现微小乳突状麻点时，表明发生了相变磨损，切削高温区已超过 1200 ℃，此时必须对切削用量、刀具几何角度等作相应调整，必要时可采取使用冷却液或 N2 保护等防护性措施。

2. PCBN 刀具的磨损形式

A. 前刀面磨损

使用 PCBN 刀具切削 GCr15 淬硬轴承钢时，其前刀面磨损形式为月牙洼磨损，磨损形貌如图 1 所示。由于 PCBN 刀具的高温硬度高，只有达到一定温度和压力后才会产生磨损，因此月牙洼磨损只发生在距刀刃很近的部分，且宽度很窄，这一点有别于硬质合金刀具。

图 1 PCBN 刀具前刀面磨损形貌        图 2 PCBN 刀具后刀面磨损形貌

B. 后刀面磨损

PCBN 刀具切削 GCr15 淬硬轴承钢时的后刀面磨损形貌如图 2 所示。从外观上可观察到以机械磨损为主的磨损带，同时粘有一些工件材料，并有 CBN 晶粒脱落现象。仅从磨损形式上看与硬质合金刀具的磨损并无明显区别，只是磨损量很小。

3. PCBN 刀具磨损原因分析

通过对 PCBN 复合片原始表面及已磨损刀具的前、后刀面进行微观形貌拍照及化学元素分析，可查明 PCBN 刀具的磨损原因。为比较不同位置的磨损差异，在前刀面上选取 3 个测试点，即距离刀刃较近的 A 点、月牙洼底部的 B 点和月牙洼背部的 C 点 ( 参见图 1) ；在后刀面磨损带上选取 2 个测试点，即距离刀刃较近的 D 点和磨损带结束部位的 E 点 ( 参见图 2) 。用 HITACHI X-650 扫描电镜 ( 配备电子探针 ) 进行检测。

图 3 所示的电子探针分析结果表明， BN500 牌号的 PCBN 复合片所含主要元素有 Ti 、 Al 、 Hf 、 N 等 ( 由于电子探针的性能关系，未检测出 B 元素 ) 。

GCr15 轴承钢材料所含化学成分及其含量见下表。通过与 PCBN 刀具材料成分进行对比，可分析刀具的磨损原因。

表 1 GCr15 的化学成分及含量

通过比较前刀面上 A 、 B 、 C 各点的检测结果可知，月牙洼磨损部位增加了 Fe 、 O 、 C 等元素，且其含量与月牙洼部位有关，月牙洼底部的元素含量最高，如图 4 所示，其中 Fe 和 O 元素显示最为清晰。上述元素中， Fe 和 C 来自工件材料， O 来自空气，说明造成前刀面磨损的原因除机械磨损外，还有氧化磨损和化学磨损。来自工件材料的 Fe 和 C 在高温高压作用下与 BN500 结合剂中的金属元素生成金属间化合物， Fe 还可与 CBN 中的 B 反应生成 Fe-FeB2 共晶体，从而加快了 PCBN 复合片的磨损。

图 3 BN500 复合片原始表面化学元素分析结果

图 4 前刀面月牙洼底部化学元素分析

图 5 后刀面磨损带刀刃附近点的化学元素分析

由微观形貌的电镜照片可见，刀具表面比复合片的原始表面粗糙得多，并有 CBN 晶粒凸出，说明其周围的结合剂已被磨去。比较 A 、 B 、 C 三点的磨损情况可知，其磨损原因相同，仅在磨损程度上存在差别。

由微观形貌的电镜照片可见，后刀面上 D 、 E 两点的微观形貌更为粗糙，且在 D 点处还粘有异物，在低倍照片上可见后刀面上麻坑较多，说明已有 CBN 晶粒脱落。另外，前、后刀面磨损部分的金属 Al 能谱强度有大幅降低，说明其含量已有减少，而 Al 作为粘接剂存在于刀具材料中， Al 含量的减少说明前、后刀面都有粘结磨损发生。

3 干切削 GCr15 时 PCBN 刀具的寿命分析

1. 工件硬度对刀具磨损的影响

通过对加工 5 种硬度 (30 、 40 、 50 、 60 、 64HRC) 的工件时刀具后刀面磨损及前刀面月牙洼宽度磨损试验，可分析工件硬度对刀具磨损的影响规律。加工各种硬度工件时的后刀面磨损量 VB 的对比如图 6 所示。当工件硬度为 40 、 50HRC 时，其后刀面磨损量最大，月牙洼磨损也呈现出相同规律 ( 见图 7) ；而加工较高或较低硬度的工件时刀具的相对磨损量均较小。这一结果表明，当工件硬度在 40 ～ 50HRC 范围内时 ( 此时切削温度较高 ) ，刀具磨损量最大。由此可知： PCBN 刀具不适合加工硬度为临界硬度 (GCr15 的临界硬度为 50HRC) 附近的工件，加工高硬度材料时更能发挥其优良的切削性能。

2. 两种切削条件下 PCBN 刀具的寿命

为了研究 PCBN 刀具的磨损规律，分别选取 40HRC 和 60HRC 两种硬度的 GCr15 材料，通过改变切削速度进行刀具磨损试验，刀具磨损曲线分别如图 8 、图 9 所示。

图 6 加工不同硬度工件时的后刀面磨损量 VB        图 7 加工不同硬度工件时的月牙洼宽度 KB

通过对试验数据进行处理，可得到相应的刀具寿命方程。在 ap=0.5mm ， f=0.15mm/r ，工件硬度为 60HRC 条件下，选取后刀面磨损量 VB=0.2mm 为磨钝标准，则切削速度与刀具寿命的关系为 VT0.689=1177 ，相关系数 r=0.98 ；在 ap=0.2mm ， f=0.08mm/r ，工件硬度为 40HRC 条件下，选取后刀面磨损量 VB=0.15mm 为磨钝标准，则切削速度与刀具寿命的关系为 VT0.662=752 ，相关系数 r=0.99 。由两个寿命方程的相关系数可知，在试验条件下， BN500 刀具寿命与切削速度的关系符合泰勒公式；此外， PCBN 刀具的寿命方程指数 (0.689 ， 60HRC ； 0.662 ， 40HRC) 比硬质合金刀具的寿命方程指数 (0.1 ～ 0.4) 和陶瓷刀具的寿命方程指数 (0.2 ～ 0.4) 大得多，说明切削速度对 PCBN 刀具寿命的影响程度相对较小。比较对应两种硬度的寿命方程指数可知，在较高工件硬度 (60HRC) 条件下，切削速度对刀具寿命的影响小于较低工件硬度 (40HRC) 时的影响。

4 结语

1. PCBN 刀具的磨损因素较多，磨损机制较复杂，且磨损因素相互影响、相互作用。根据磨损形式的特点，通过调整刀具几何参数和切削条件，可有效提高刀具寿命。

2. PCBN 刀具的前、后刀面磨损区域较小，且集中于切削温度较高的切削刃附近，磨损原因以机械磨损、氧化磨损和化学磨损为主，后刀面磨损区域有 CBN 晶粒脱落发生。

3. 在临界硬度 (50HRC) 附近， PCBN 刀具的磨损速度最快，说明 PCBN 刀具不适宜加工硬度为临界硬度附近的工件材料。