超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼

HEATS

1 前言 % G7 [1 O! v" q0 q4 G) P

    随着现代科技的发展，各种新型工件材料得到了发展和应用。其中有不少是难加工材料，且其加工精度与技术条件的要求越来越高。传统的刀具材料，如高速钢、硬质合金、陶瓷等常不能满足上述加工的需要，而必须采用超硬材料刀具。

    由于超硬刀具材料与被加工材料之间的摩擦系数很小，制成刀具时能够刃磨、研磨出极其锋利的切削刃。故超硬材料刀具可以进行精密切削与超精密切削。在这一方面，金刚石刀具尤为突出，人们常用金刚石刀具对有色金属及其合金进行超精密切削。

    利用超硬材料刀具有高硬度、高杨氏模量、高导热性能与低摩擦、低热膨胀的特点，故可切削各种硬材料和难加工材料。但是，除考虑超硬刀具材料与被加工材料之间机械、物理性能和匹配以外，还应注意它们之间化学性能的匹配。 " b$ {9 B& F9 _( v$ K6 ~1 k( j

    本文中将阐明PCPN刀具加工淬硬钢与冷硬铸铁的优越性，和金刚石刀具不能切削淬硬钢的原因，并列出切削试验数据。

    本文还将介绍超硬材料刀具切削难加工材料(如纯Mo、纯W数种硬脆非铁质金属与非金属材料以及复合材料等)的情况，列出切削试验数据，分析切削机理。 , O& i% {. }. O& j4 W' S

2  聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢 ; F0 ?4 n3 @4 h7 Q# w

    用PCBN刀具车削淬硬钢T10A(60～63HRC)，并与人造金刚石(PCD)、硬质合金YS8、Si3N4基复合陶瓷刀具进行对比。 ( @% ^8 n+ a3 A: _# O/ k

- J0 \/ q( J+ h& h2 U

图1所示为PCBN与PCD刀具的磨损曲线。

# }$ `/ Z2 E+ t! T6 P, j- b. g4 b [

    切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min

    刀具几何参数：γ₀=0°，α₀=8°

' @! g& Q1 S: H* h

    PCBN：κ_r =45°，λ_s=0°，r_ε=0.5mm，b_γ1=0.2mm，γ₀₁=-20°

; k3 K/ b4 F7 ?9 M# i3 {& Z, t

    PCD：r_ε=4mm，λ_s =0°，b_γ1=0.2mm，γ₀₁=-20°

' f2 d- S2 ?! O D6 }; q+ |5 G5 Q

Z9 i9 g1 @ E. N8 ?+ h7 k+ F

    不加切削液。 8 C2 x4 _2 g( Q& H

图2所示为YS8与Si₃N₄基复合陶瓷刀具的磨损曲线。

2 i5 y7 d7 o" N9 ?/ k. G( \" \

4 Q1 w4 c8 i, u9 c1 F

" z* g+ }. U$ k8 m4 g4 i7 z) ~% D

    切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min

: f `, _9 D/ u3 X" C3 o9 D

    刀具几何参数：γ₀=-8°，α₀=8°，κ_r =45°，λ_s =-4°，r_ε=0.5mm。不加切削液。

8 N8 [9 O# f2 k$ T9 O& l7 u

    由图1、图2可以看出，在车削淬硬钢时，Si₃N₄基复合陶瓷刀具的磨损略小于YS8硬质合金，它们的切削速度低，ν=44m/min。

    在切削速度高达ν=84m/min时，PCBN的后刀面磨损量大为减缓。切削时间近30min，VB=0.25～0.3mm。但PCD刀具急剧磨损。因为在700℃以上，金刚石在Fe元素的催化作用下转化为石墨而失去了硬度。金刚石中的C元素易向淬硬钢工件方面扩散，降低刀具的硬度。在700～800~C温度下，它也能产生氧化反应：

    C+O→CO " [$ V# h7 S5 ?

    CO+O→CO2

作者还用PCBN刀具车削淬硬合金钢CrMnB(60～64HRC)，切削用量、刀具几何参数同上，但切削速度从18m/min到150m/min范围内变化，分为6档，得到6条磨损曲线；然后规定磨钝标准为VBs=0.2mm，进一步得到T-ν曲线如图3所示。

1 T) t8 E/ p& L; v, d. @

    其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T^1.84

! J6 z7 F8 L- c' }" l* h3 [

    虽然6把PCBN刀具的切削数据比较分散，但仍有刀具耐用度随切削速度提高而降低的规律。但m=1.84，比一般刀具的m值大得多，说明切削速度在18～150m/min范围内对刀具耐用度的影响很小。

3  聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁

    用PCBN刀具车削球墨冷硬铸铁(含C 2.8～3.5％，Mn 0.4～1.0％，Si 0.3～3.2％)，硬度为58～68HS。

3 ?8 h# j ^; f3 v, a

    切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min

    刀具几何参数：γ₀=-3°，α₀=8°，κ_r =84°，λ_s =0°，r_ε=0.6mm，b_γ1=O.25mm，γ₀₁=-15°，不加切削液。

0 {0 F* p: _7 d0 R G% p1 Q

图4为这一组试验的磨损曲线。可见PCBN刀具的耐用度相当长，切削路程达8000m时，VB值仅为0.16mm。

) f: l3 D1 I# Y* F$ N* o

    若用硬质合金YG6X刀具车削冷硬铸铁，切削速度只能采用6～10m/min，其刀具耐用度和加工效率均比PCBN刀具低得多。

    在工业工程与机械制造中，黑色金属特别是钢、铁用量最大，故PCBN在钢、铁的硬切削中能发挥重大作用。PCBN刀具正可补金刚石刀具之不足。

0 }7 L* z" j e' q/ q

4  超硬刀具切削纯钼、纯钨

4 g% u4 s8 j2 N1 ?+ r

    用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。

    切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min

- n9 H9 i1 ~5 e

    切削试验中：兼用硬质合金813作对比。

    刀具几何角度：

: o1 p5 z4 }9 G' o9 k

    CVD γ₀=-5°，α₀=7°，κ_r =45°，λ_s =3°，r_ε=0.5mm

    813 γ₀=30°，α₀=9°，κ_r =90°，λ_s =O°，r_ε=0.3mm

; U: B- z' s+ v+ Z" J/ p

    不用切削液。

CVD厚膜金刚石刀具用两种切削速度：第一种：ν=64m/min，与813对比，此时CVD刀具磨损甚快。第二种：ν=32.3m/min，也不如813。刀具磨损曲线如图5所示。

    由图5可见，硬质合金813刀具用ν=64m/min车削纯钼时，刀具磨损比CVD金刚石刀具慢得多，CVD金刚石刀具的切削速度降低到32.3m/min时，也不能改变这一状况。好像金刚石刀具的高硬度不起作用。有人认为，制造纯钼时，可能渗入了少量的碳元素，而形成了钼的碳化物，其硬度很高(Mn₂C为74HRA)；还可能形成钼的氮化物和氧化物。从而使金刚石刀具在加工中容易磨损。还有人认为金刚石与Mo能产生化学反应，改变了刀具表面层与刀尖部分的性质，使刀具磨损加快。作者倾向于后一种解释。总之，金刚石刀具不适合切削纯钼；生产中钼的加工常使用硬质合金刀具。

( m. C) v- n* c! ?& I

    再用CVD金刚石与PCBN刀具车削纯钨棒(硬度350HBS)，兼与硬质合金YS8刀具作对比。

切削用量：αp=0.1mm，f=0.04mm/r，ν=2.99m/min

    刀具几何参数：

, j6 z7 L6 |7 [; ~* P( q5 B. Q

    CVD γ₀=-5°，α₀=8°，κ_r =75°，r_ε=O.5mm

- |2 A0 w6 t8 e5 _

    CBN γ₀=O°，α₀=8°，κ_r =75°，r_ε=0.5mm，b_γ=0.2mm，γ₀₁=-15°

    YS8 γ₀=20°，α₀=8°，κ_r =75°，r_ε=0.5mm。不用切削液。

* b, h3 v' s% M

刀具磨损曲线如图6所示。

& H V3 W) H' ?4 f- G

    再用CVD金刚石刀具车削纯钨，改变三种切削速度，切削深度％与进给量f同上，做切削试验，得T-v曲线如图7(VBs=0.05mm)和图8(VBs=0.07mm)所示。

, u- {' T Z7 N5 y& C' u6 g* ~. h

    由图6～图8可以看出，纯钨是很难加工的。切削速度仅为2.99m/min时，YS8刀具很快磨损失效。CVD金刚石与PCBN刀具尚可胜任；但当切削速度提高后，CVD金刚石刀具的使用寿命也不是很长，且前刀面产生月牙洼磨损。有人认为，钨元素易与碳元素化合形成高硬度的WC(2000HV)，导致刀具磨损，甚至还有其他化学作用。那么，PCBN刀具的切削机理又是如何？故金刚石与立方氮化硼刀具加工钼、钨的切削机理尚待进一步探讨。

8 t/ O! l* t0 C+ w

7 g9 v( X/ \& K

    根据图7、图8，可得T-ν曲线的泰勒(Taylor)方程。

    CVD金刚石厚膜刀具车削纯钨

. f8 J# `" ?/ H: F" j+ s4 {1 s* g

    当VBs=0.05mm时，在ν=15～20范围内，

6 d- Z8 r7 d2 C5 {* m

    Taylor方程为ν=18/T^0.726

7 x# ?5 C" @2 Z, I: H

    当VBs=0.07mm时，

0 p) d0 ?: b, Z& u

    taylor方程为ν=50/T^0.88

3 J# M& F2 W! ~: K' t/ X

    方程中的T的指数值亦远远大于一般刀具。一般刀具，其指数仅为0.2左右。