PCBN刀具切削鎳基合金時(shí)的氧化與擴(kuò)散磨損分析*

胡小龍,邵芳,王仁偉

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025)(2.貴州理工學(xué)院, 貴陽(yáng) 550003)(3.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 濟(jì)南 250100)

由于PCBN刀具具有優(yōu)異的綜合性能，如強(qiáng)度高，耐熱性好，對(duì)高溫合金具有良好的導(dǎo)熱性和化學(xué)惰性等，使其適合用來(lái)高速加工材料，但刀具磨損的機(jī)理隨著速度和溫度的升高而變得復(fù)雜[1-4]。PCBN刀具的磨損較大程度地影響了零件表面的加工質(zhì)量，是切削加工領(lǐng)域較為突出的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，給出可行性較強(qiáng)的控制刀具磨損的方法至關(guān)重要。

WAN等[5]研究了高速切削加工中刀具的磨損及損壞機(jī)理，得出切削溫度和熱應(yīng)力對(duì)刀具磨損和損壞的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高速切削加工與傳統(tǒng)切削加工的本質(zhì)不同，刀具的失效機(jī)理也更復(fù)雜。CHEN等[6]研究了PCBN刀具表面的磨損與材料的磨損性能之間的關(guān)系，對(duì)預(yù)測(cè)刀具磨損、提高刀具壽命具有重要參考價(jià)值。ZHU等[7-8]論述了PCBN刀具切削加工鎳基合金的失效機(jī)理，揭示了基于非平衡熱力學(xué)理論預(yù)測(cè)刀具壽命的原理，并在切削實(shí)驗(yàn)中得到了較好的印證。SHAO等[9]利用熱力學(xué)理論研究了PCBN刀具在高速切削過(guò)程中的磨損機(jī)理，發(fā)現(xiàn)隨著速度和溫度升高，刀具磨損的機(jī)理變得更加復(fù)雜。因此，由于PCBN刀具具有的獨(dú)特化學(xué)和機(jī)械性能，在加工過(guò)程中能有較高的材料去除率，且能加工堅(jiān)硬的工件材料(如不銹鋼和高溫合金等)，有必要充分了解PCBN刀具的磨損性能，這樣才能有效地開(kāi)發(fā)刀具的潛在能力，用來(lái)加工硬質(zhì)材料并提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

我們進(jìn)行了PCBN刀具切削鎳基合金試驗(yàn)，運(yùn)用熱力學(xué)理論預(yù)測(cè)并分析試驗(yàn)現(xiàn)象，通過(guò)掃描電鏡和能譜儀觀測(cè)分析刀具表面的磨損形貌，研究刀具發(fā)生擴(kuò)散、氧化磨損的本質(zhì)與規(guī)律，以及PCBN刀具中BN元素在鎳基合金中的元素?cái)U(kuò)散及溶解度等。

1 試驗(yàn)方法及條件

在PUMA300LM數(shù)控機(jī)床上編程后進(jìn)行鎳基合金棒外圓切削試驗(yàn)，選用美國(guó)GE 公司生產(chǎn)的刀具BZN8200(其前角為3o,后角為7o)，工件材料為GH907鎳基合金棒料，直徑28 mm，鎳基合金主要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。加工過(guò)程中的切削工藝參數(shù)為：切削速度v=300 m/min，進(jìn)給量f=0.2 mm/r，切削深度ap=0.5 mm。

表1 鎳基合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

為探究刀具磨損前后的元素含量變化，在切削2200 m后分別對(duì)刀具前刀面(圖1a)和后刀面(圖1b)的切削磨損表面進(jìn)行SEM線(xiàn)掃描。前刀面掃描距離為225 μm，后刀面掃描距離為280 μm。

2 氧化磨損分析

由于PCBN刀具高速切削產(chǎn)生的局部高溫使氧氣在其中發(fā)揮主要作用，導(dǎo)致氧化產(chǎn)物在刀具表面堆積形成層狀薄膜，而使刀具的氧化磨損進(jìn)一步加劇并復(fù)雜化[9]。由熱力學(xué)知識(shí)可知，化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行與平衡取決于其吉布斯自由能的變化。物質(zhì)的吉布斯自由能函數(shù)公式為：

ΔG=ΔH-TΔS

(1)

其中：ΔG為反應(yīng)的吉布斯自由能變，J/mol；T為反應(yīng)時(shí)的溫度，K；ΔS為反應(yīng)的熵差，(J·mol-1·K-1)；ΔH為反應(yīng)焓變，J/mol。

吉布斯自由能變?chǔ)表明了函數(shù)G做功的能力，若ΔG<0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，此時(shí)不可逆；ΔG=0 反應(yīng)可以進(jìn)行，亦可逆；ΔG>0，反應(yīng)不能進(jìn)行。

試驗(yàn)前，預(yù)測(cè)刀具材料與工件材料可能發(fā)生的4個(gè)氧化反應(yīng)[10]是：

4BN+3O2=2N2+2B2O3

(2)

2B4C+7O2=4B2O3+2CO

(3)

2Fe+O2=2FeO

(4)

Si+O2=SiO2

(5)

根據(jù)文獻(xiàn)[11]可得式(2)～式(5)的4種氧化反應(yīng)在不同溫度時(shí)的吉布斯自由能如表2所示。由表2值可計(jì)算出4個(gè)氧化反應(yīng)的吉布斯自由能變均小于0，表明4個(gè)氧化反應(yīng)均可能發(fā)生；反應(yīng)式(3)的吉布斯自由能變的絕對(duì)值最大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他反應(yīng)式的，說(shuō)明其氧化反應(yīng)最有可能發(fā)生，即產(chǎn)生較多量的B2O3。

摻入納米氧化硅后，在限制膨脹約束過(guò)程中，孔隙分布趨于均勻。但約束卸除后，一方面，膨潤(rùn)土吸水孔隙脹開(kāi)，納米氧化硅進(jìn)入脹開(kāi)后孔隙；另一方面，在收縮時(shí)，硅與膨潤(rùn)土界面交接處產(chǎn)生了微觀收縮裂隙[14]，大孔隙數(shù)量增加，如新增孔徑>1.8μm的孔隙。同時(shí)，由于顆粒膨脹擠壓約束作用，相應(yīng)的小孔隙數(shù)量也在增加，因此，摻入納米氧化硅的膨潤(rùn)土，在限制膨脹結(jié)束、自然風(fēng)干收縮穩(wěn)定后，孔隙分布范圍更廣。

表2 4個(gè)可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能

對(duì)圖1a中的刀具前刀面磨損區(qū)域進(jìn)行能譜(EDS)分析，得到圖2的能譜分析圖和其元素半定量分析結(jié)果(表3)。表3中的結(jié)果除PCBN刀具本身的元素外，還含有大量的O元素，證明前刀面磨損區(qū)域含有某種氧化物；由于檢測(cè)結(jié)果中含有大量硼原子和氧原子，說(shuō)明檢測(cè)區(qū)域生成了B2O3，這與理論推測(cè)結(jié)果吻合。生成的B2O3大量黏結(jié)在刀具表面，降低了刀具的切削性能，同時(shí)產(chǎn)生刀具磨損。

表3 前刀面磨損區(qū)的元素含量

3 擴(kuò)散磨損分析

由熱力學(xué)理論[11-12]知：切削鎳基合金時(shí)，BN在合金中的Ni、Al和Fe元素的溶解度分別為：

CBN= exp[(ΔGBN+ 40 459.84)/2RT]

(6)

CBN= exp[(ΔGBN+37 976.55)/2RT]

(7)

CBN= exp[(ΔGBN-15 100)/2RT]

(8)

BN的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能與溫度T的關(guān)系[11]：

(9)

PCBN中的主要成分為CBN，其在工件材料中的溶解度可簡(jiǎn)約為BN在工件材料中的溶解度。為分析刀具的擴(kuò)散磨損機(jī)理，選取鎳基合金中的Ni、Al和Fe元素為研究對(duì)象，計(jì)算PCBN刀具中BN在其中的溶解度，結(jié)果如表4所示，其溶解度曲線(xiàn)如圖3所示。

由表4及圖3可知：3種元素中BN在Fe中的溶解度最低，當(dāng)溫度達(dá)到1500 K時(shí)，BN在鎳基合金Fe中的溶解度為0.005 041 8，可忽略不計(jì)，在理論上說(shuō)明PCBN刀具加工含F(xiàn)e元素較多的材料時(shí)不易發(fā)生擴(kuò)散磨損；BN在Ni元素中、1500 K時(shí)的溶解度達(dá)到了0.046 887 7，是1000 K時(shí)溶解度0.000 649的70多倍；在高溫時(shí)，BN在Al元素中也表現(xiàn)出了較高溶解度，且Ni元素的溶解度略大于Al元素的。說(shuō)明切削時(shí)尤其在高速切削時(shí)，局部產(chǎn)生高溫，刀具的擴(kuò)散磨損不容忽視。

表4 在不同溫度下 BN在Ni、Al和Fe中的溶解度

為進(jìn)一步探析刀具的磨損機(jī)理，分析前、后刀面擴(kuò)散磨損的差異性，對(duì)刀具表面O、Ni、Al和Fe 4種元素的線(xiàn)掃描結(jié)果如圖4所示。由于前刀面磨損區(qū)的工件元素含量較低，為更清晰直觀地分析刀具表面磨損區(qū)掃描線(xiàn)上的元素變化趨勢(shì)，前刀面線(xiàn)掃描元素平均值被整體拉高了100倍。

由圖4a～圖4d可知：刀具前刀面鎳基合金中的Ni元素沿刀尖至刀具內(nèi)部方向其含量呈逐步下降趨勢(shì)，表明鎳元素在磨損區(qū)存在很強(qiáng)的擴(kuò)散溶解(圖4b)；Al元素則不同，含量沿著刀尖向里先增多后減少，說(shuō)明刀具磨損區(qū)不在刀尖，而在刀尖稍微偏向刀具內(nèi)側(cè)，Al元素也發(fā)生了較為強(qiáng)烈的擴(kuò)散溶解(圖4c)；Fe元素雖然也有擴(kuò)散溶解，但根據(jù)線(xiàn)掃描結(jié)果，其擴(kuò)散量明顯不如Ni、Al的大(圖4b～圖4d)。

由圖4e～圖4h可知：刀具后刀面也檢測(cè)出了工件材料鎳基合金中的Ni、Al以及Fe元素，Ni、Al元素在后刀面磨損區(qū)均存在很強(qiáng)的擴(kuò)散溶解，F(xiàn)e元素雖然也有擴(kuò)散溶解，但根據(jù)線(xiàn)掃描結(jié)果后刀面的Fe元素(圖4h)掃描線(xiàn)上的局部峰值幅度高于Ni、Al元素的，說(shuō)明除擴(kuò)散磨損外，還需考慮有黏結(jié)磨損情況發(fā)生。

分別比較前刀面圖4b、圖4c和后刀面圖4f、圖4g還發(fā)現(xiàn)：Al的峰值幅度和能量都要高于Ni元素的，即BN在Ni元素的溶解度略小于其在Al元素中的，這與理論計(jì)算結(jié)果不一致，說(shuō)明有更復(fù)雜的磨損機(jī)理發(fā)生，需要做進(jìn)一步研究。但可確定鎳基合金中的Ni、Al和Fe在CBN中的擴(kuò)散能力基本為Ni≈Al>Fe，這可以類(lèi)推到PCBN刀具在加工含鎳、鋁、鐵的金屬件時(shí)這些金屬元素在CBN中的擴(kuò)散分析上。

需要指出的是：刀具的前、后刀面都有較多的O元素(圖4a、圖4e)，且后刀面的Fe元素(圖4h)掃描線(xiàn)上的局部峰值高于Ni、Al元素的，說(shuō)明除擴(kuò)散磨損外，還需考慮有氧化磨損等情況發(fā)生。因此，在擴(kuò)散磨損的同時(shí)，較大程度上也伴隨著氧化、黏結(jié)磨損的發(fā)生。

4 結(jié)論

通過(guò)PCBN刀具切削鎳基合金試驗(yàn)以及前、后刀面的磨損區(qū)域線(xiàn)掃描分析，得出如下結(jié)論：

(1)由BN在鎳基合金中的Ni、Al和Fe元素中的溶解度，通過(guò)PCBN刀具切削鎳基合金的試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了元素Ni、Al和Fe的擴(kuò)散能力由大至小排序?yàn)镹i≈Al>Fe，這可以類(lèi)推到PCBN刀具加工含Ni、Al和Fe的金屬件上。

(2)氧化磨損在前、后刀面的切削磨損區(qū)均有發(fā)生。高速切削加工時(shí)，刀具切削表面發(fā)生擴(kuò)散磨損的同時(shí)較大程度上也伴隨著氧化、黏結(jié)磨損的綜合作用。