無黏結(jié)劑層狀BN增韌cBN刀具材料的研究

陳俊云, 孫磊, 靳田野, 羅坤, 趙智勝, 田永君

無黏結(jié)劑層狀BN增韌cBN刀具材料的研究

陳俊云1,2, 孫磊2, 靳田野1,2, 羅坤2, 趙智勝2, 田永君2

(燕山大學(xué) 1. 機(jī)械工程學(xué)院; 2. 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 高壓科學(xué)研究中心, 秦皇島 066004)

無粘結(jié)劑cBN材料制作的切削刀具韌性較差, 并且這種材料的合成壓力高。為此, 本研究在工業(yè)壓力下制備了超硬、高韌的新型無粘結(jié)劑層狀BN增韌cBN (Lt-cBN)塊材, 通過切削硬質(zhì)合金實(shí)驗(yàn), 分析了Lt-cBN材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其切削性能和耐磨性的影響。研究結(jié)果表明: Lt-cBN材料的韌性高達(dá)8.5 MPa·m1/2, 可超精密切削硬質(zhì)合金, 獲得了粗糙度a低于10 nm的超光滑表面; Lt-cBN材料內(nèi)部存在少量層狀BN, 不僅提高了韌性, 還降低了表層材料的非晶化程度及磨損速率; 相對(duì)于商品化的純相cBN材料, Lt-cBN材料展現(xiàn)出更好的切削性能和耐磨性; Lt-cBN材料的主要磨損形式為后刀面的部分非晶化, 并在摩擦作用下逐漸被去除而導(dǎo)致的磨料磨損。

無粘結(jié)劑cBN; 層狀BN; 超精密切削; 耐磨性; 硬質(zhì)合金

立方氮化硼(cBN)是硬度僅次于金剛石的超硬材料, 且熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石, 在超硬刀具領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1-2]。常用cBN刀具材料主要有兩類, 即含粘結(jié)劑的聚晶cBN (PcBN)和無粘結(jié)劑cBN[3]。其中, 在5～6 GPa、1300～1400 ℃的條件下采用微米尺寸的cBN顆粒與金屬或陶瓷粘結(jié)劑結(jié)合制備PcBN, 但是粘結(jié)劑降低了材料的硬度和耐磨性, 硬度僅為27～40 GPa[4-5]。為了提高PcBN的硬度, 研究者們以六方氮化硼(hBN)、熱解類六方氮化硼(pBN)或cBN粉為原料在壓力≥7.7 GPa條件下合成了亞微米或納米晶粒的無黏結(jié)劑純相cBN, 該類材料的硬度、耐磨性和熱傳導(dǎo)性均優(yōu)于PcBN材料[4,6-8]。

因無黏結(jié)劑cBN材料優(yōu)良的機(jī)械性能及其在切削領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景, 使無黏結(jié)劑cBN材料切削性能的研究備受關(guān)注。如Taniguchi等[9]通過高溫高壓(≥7.7 GPa, >2000 ℃)直接燒結(jié)cBN粉獲得了無黏結(jié)劑cBN塊材, 制備成刀具并實(shí)現(xiàn)了硬質(zhì)合金的精密切削。Fujisaki等[10]采用超細(xì)晶粒無黏結(jié)劑cBN制備刀具, 切削出不銹鋼鏡面, 其耐磨性優(yōu)于金剛石。Sumiya等[7]以hBN和pBN為原料通過高溫高壓(≥8 GPa, ≥2200 ℃)下的相變獲得了無黏結(jié)劑cBN, 切削淬硬鋼的性能較好。Wang等[11-12]研究表明, 無黏結(jié)劑cBN材料在鈦合金高速銑削中的耐磨性優(yōu)于PcBN和聚晶金剛石刀具。另外, Bushlya等[13]發(fā)現(xiàn)無黏結(jié)劑cBN在SiC增強(qiáng)Al-Si合金切削中的耐磨性比PcBN提高了20%～30%。然而, 上述無黏結(jié)劑純相cBN材料的韌性較低,IC=5～6 MPa·m1/2, 在硬質(zhì)合金、淬硬鋼等難加工材料的切削中很難實(shí)現(xiàn)超精密切削, 刀具材料的韌性是影響切削刃鋒利度和耐磨性的主要因素。此外, 無黏結(jié)劑純相cBN的合成壓力一般高于7.7 GPa, 不利于工業(yè)化生產(chǎn), 制備成本高。

為提高無黏結(jié)劑cBN材料的韌性, 趙智勝等[14]在工業(yè)壓力(6 GPa)下合成了一種超硬、高韌的層狀BN增韌cBN (Lt-cBN)材料, 其斷裂韌性IC=8～ 10 MPa·m1/2、維氏硬度40～50 GPa。Lt-cBN的韌性高于上述無黏結(jié)劑純相cBN、PcBN和單晶金剛石等刀具材料, 并且合成壓力低、易于工業(yè)化, 很有希望成為超精密切削領(lǐng)域的新型刀具材料。因此, 亟待研究該材料的切削性能和耐磨性。此外, 硬質(zhì)合金是典型的硬脆難加工材料, 切削加工中易產(chǎn)生脆性斷裂及嚴(yán)重刀具磨損, 目前采用單晶金剛石刀具輔助振動(dòng)切削或電化學(xué)處理技術(shù)可以進(jìn)行硬質(zhì)合金的超精密切削, 但是刀具的切削距離極短[15-16]。目前文獻(xiàn)中尚未有關(guān)于硬質(zhì)合金直接超精密切削的報(bào)道。本研究針對(duì)硬質(zhì)合金的超精密切削, 在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上研究了Lt-cBN材料應(yīng)用于難加工材料超精密切削的性能, 并與商品化無粘結(jié)劑純相cBN材料進(jìn)行對(duì)比, 研究材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其切削性能和耐磨性的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 制備層狀BN增韌cBN (Lt-cBN)塊材

以cBN粉末為原料, 采用六面頂壓機(jī), 在壓力6 GPa、溫度1700 ℃的條件下合成了層狀BN增韌Lt-cBN塊材, 其直徑為5 mm、厚度約3.5 mm, 如圖1(a)所示, 材料內(nèi)部組織致密, 無氣孔及其它缺陷, 平均晶粒尺寸約為0.683 μm。經(jīng)檢測該材料的維氏硬度為45 GPa, 斷裂韌性IC為8.5 MPa·m1/2, 熱穩(wěn)定性在1277 ℃, 壓縮強(qiáng)度為6.5 GPa。采用透射電鏡分析發(fā)現(xiàn), 在合成材料的晶界交匯三角區(qū)形成了柔韌的類石墨BN薄層, 上述少量層狀BN既不影響材料整體硬度又起到了增韌的作用, 見圖1(b)。

1.2 超精密切削實(shí)驗(yàn)

采用機(jī)械刃磨法將Lt-cBN塊材制備成圓弧刃車削刀具。首先將圓柱形的Lt-cBN塊材焊接在硬質(zhì)合金刀柄上, 然后基于平面研磨機(jī)床和刃磨圓弧的輔助裝置分別進(jìn)行前、后刀面的刃磨。刀具參數(shù)為: 圓弧半徑1.0 mm, 刀具前角–30°、–15°和0°, 后角15°, 切削刃平均鈍圓半徑為0.214 μm, 前刀面的粗糙度a小于1 nm。選用硬質(zhì)合金YG6X為切削工件, 其中WC的晶粒尺寸為0.8 μm, 維氏硬度17.42 GPa。為評(píng)價(jià)Lt-cBN刀具的切削性能, 對(duì)比Lt-cBN和商品化純相cBN刀具-NCB100 (Sumitomo, Japan), 檢測結(jié)果表明NCB100的硬度(50～55 GPa)略高于Lt-cBN刀具, 但是韌性(5.0～6.0 MPa·m1/2)較差。

圖1 Lt-cBN內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)(插圖為Lt-cBN照片)(a)和晶粒交界處的層狀BN結(jié)構(gòu)形貌(b)

切削實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示, 將工件安裝在超精密機(jī)床(Nanotech 450UPL, Moore)的主軸上, 通過測力儀(91192AA2, Kistler) 將刀架固定在機(jī)床的B軸。工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速 4000 r/min, 進(jìn)給量2 μm/r, 切削深度3 μm, 干式切削。采用原子力顯微鏡(Dimension Icon, Bruker)觀察切削的表面形貌和粗糙度, 采用金相顯微鏡(DM2700M Leica)和掃描電鏡(Scios, FEI, ThermoFisher)觀測刀具的磨損形貌和尺寸, 采用透射電鏡(Talos, FEI, ThermoFisher)檢測刀具的亞表層微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 Lt-cBN材料在硬質(zhì)合金表面的切削分析

對(duì)于硬質(zhì)合金等難加工材料的切削, 刀具前角是影響臨界未變形切屑厚度的重要因素, 本研究在前角–30°、–15°和0°的條件下對(duì)Lt-cBN和NCB100刀具進(jìn)行切削。硬質(zhì)合金表面粗糙度見表1, 可以看出負(fù)前角的角度越大則切削表面粗糙度越高, 這表明刀具負(fù)前角不利于硬質(zhì)合金材料的塑性域去除。由于刀具負(fù)前角越大, 切屑形成中的剪切角越小, 對(duì)切削材料和切屑的擠壓作用就越嚴(yán)重, 即材料沿著剪切面發(fā)生塑性變形消耗的能量越大。同時(shí)切屑也發(fā)生了嚴(yán)重的彈塑性變形, 因嚴(yán)重?cái)D壓加劇了刀屑界面的摩擦作用。上述綜合作用導(dǎo)致切削力增大(表1中的切削力為沿著切削方向的主切削力), 其中–30°前角的切削過程不穩(wěn)定, 未采集到有效的切削力信號(hào)。

圖2 切削實(shí)驗(yàn)裝置

表1 硬質(zhì)合金切削表面粗糙度和切削力

對(duì)于硬質(zhì)合金(WC-Co復(fù)合相)材料的切削, 兩相界面處的結(jié)合力相對(duì)于單相材料較弱, 所以切削力越大, 材料表面亞微米尺寸的WC顆粒越容易被拔出或部分破碎, 使得切削表面質(zhì)量變差。從表1中還可以看出, 相同工藝參數(shù)下Lt-cBN刀具在硬質(zhì)合金切削中表現(xiàn)出更好的切削性能。與NCB100相比, Lt-cBN切削的表面粗糙度較低, 切削力較小, 這主要與刀具在切削中的磨損狀態(tài)有關(guān)。

選用0°前角的Lt-cBN刀具, 進(jìn)給量0.5 μm/r, 其它工藝參數(shù)同上, 硬質(zhì)合金切削表面形貌如圖3(a)所示, 可以看到工件表面規(guī)則分布的切削條紋; 圖3(b)為加工過程中收集的切屑, 連續(xù)、完整的切屑表明切削過程中以塑性域方式去除硬質(zhì)合金材料, 根據(jù)切削參數(shù)可以計(jì)算出未變形最大切屑厚度為38.6 nm, 而WC顆粒平均尺寸約為800 nm, 表明Lt-cBN刀具能夠切動(dòng)WC, 且以塑性域方式去除硬質(zhì)合金材料, 這與文獻(xiàn)[17]報(bào)道的Co黏結(jié)劑的塑性去除有所不同, 因此Lt-cBN刀具加工出粗糙度a低于10 nm的光滑表面, 見圖3(c)。

2.2 Lt-cBN刀具材料的耐磨損性能

Lt-cBN刀具的主要磨損形式為后刀面磨損, 因此采用后刀面磨損區(qū)的最大寬度max來評(píng)價(jià)其磨損程度。在主軸轉(zhuǎn)速 4000 r/min、進(jìn)給量2 μm/r、切削深度3 μm、切削距離56.5 m的條件下, Lt-cBN刀具的磨損情況見圖4。與0°前角相比, 負(fù)前角刀具的磨損較嚴(yán)重, 且相同條件下Lt-cBN刀具后刀面磨損量均小于NCB100, 即Lt-cBN刀具材料的耐磨損性能更好。

0°前角刀具切削113 m后的磨損形貌如圖5所示, Lt-cBN刀具磨損區(qū)域形貌較均勻, 能夠觀察到沿著切削方向的大量溝槽, 溝槽的寬度為0.5～0.8 μm, 而硬質(zhì)合金中WC顆粒的平均尺寸為0.8 μm, 說明切屑形成過程中因嚴(yán)重?cái)D壓變形導(dǎo)致少量WC顆粒脫落, 并流動(dòng)到刀具后刀面和已加工表面之間, 與后刀面發(fā)生摩擦從而在磨損區(qū)形成了大量溝槽。因此Lt-cBN刀具的磨損形式主要是正常的磨料磨損, 磨損過程較為平穩(wěn)。此外, Lt-cBN刀具的后刀面在正常磨損過程中形成了新的、鋒利的切削刃(圖5), 所以Lt-cBN刀具磨損后仍可以保持較好的切削性能。Nakamot、Zhan、Liu等學(xué)者[18-20]也發(fā)現(xiàn)一定程度的刀具磨損對(duì)切削性能的影響不明顯。相對(duì)比, NCB100后刀面的磨損區(qū)域有少量較深的溝槽, 仔細(xì)觀察后還發(fā)現(xiàn)新形成的切削刃上分布著少數(shù)大小不等的崩口, 這是由于刃口處的裂紋擴(kuò)散導(dǎo)致cBN材料脫落, 脫落的cBN材料與后刀面摩擦形成了較深的溝槽, 所以NCB100刀具磨損后切削性能嚴(yán)重下降, 并且加快了后續(xù)刀具磨損。

圖3 硬質(zhì)合金的切削表面形貌(a)、切屑(b)和切削工件(c)

圖4 后刀面磨損區(qū)域的最大寬度VBmax

圖5 切削硬質(zhì)合金后刀具的磨損形貌

2.3 Lt-cBN材料的磨損機(jī)制

Lt-cBN刀具材料磨損區(qū)域亞表面檢測結(jié)果見圖6, 磨損表面下方形成了厚度約23.7 nm的部分非晶化層, 其中局部區(qū)域仍為單晶cBN的晶體結(jié)構(gòu), 其它部分則相變?yōu)闊o序的類石墨層狀氮化硼。從高分辨圖像的快速傅里葉變換結(jié)果也可以看出, 在部分非晶化層中同時(shí)存在無序?qū)訝畹鸾Y(jié)構(gòu)的衍射暈以及cBN晶體的衍射斑點(diǎn), 見圖6右側(cè)。此外, 在部分非晶化層和正常Lt-cBN基體之間還發(fā)現(xiàn)了厚度約10.7 nm的位錯(cuò)堆積層, 這是由于刀具在切削力的作用下表層材料發(fā)生擠壓和剪切變形, 導(dǎo)致cBN發(fā)生無序?qū)訝畹鸬慕Y(jié)構(gòu)相變, 形成部分非晶化層。當(dāng)切削應(yīng)力向深度方向擴(kuò)展時(shí), 應(yīng)力不斷變小, 僅能使cBN晶體內(nèi)部產(chǎn)生位錯(cuò), 而不能完全破壞晶體結(jié)構(gòu), 因此形成了位錯(cuò)堆積層。

圖6 Lt-cBN刀具磨損區(qū)域內(nèi)的透射電鏡高分辨圖像和對(duì)應(yīng)的快速傅里葉變換

進(jìn)一步分析Lt-cBN材料和NCB100材料的耐磨損性能, 對(duì)圖5中NCB100刀具磨損區(qū)亞表面進(jìn)行透射電鏡觀察, 見圖7。結(jié)合高分辨圖像及其快速傅里葉變換的結(jié)果可以判斷, NCB100刀具磨損表面下方一層材料已全部非晶化, 變成了無序的類石墨層狀氮化硼結(jié)構(gòu), 非晶層中無cBN晶體結(jié)構(gòu), 該非晶層的厚度約為41.1 nm, 大于相同測試條件下Lt-cBN刀具產(chǎn)生的部分非晶化層厚度。此外, 在NCB100刀具產(chǎn)生的非晶層下方也發(fā)現(xiàn)了位錯(cuò)堆積層, 其平均厚度約16.9 nm。通過顯微結(jié)構(gòu)分析證實(shí)NCB100是純相納米聚晶cBN的燒結(jié)體, 其晶粒內(nèi)部存在大量的堆垛層錯(cuò), 晶粒之間結(jié)合緊密, 無層狀BN結(jié)構(gòu), 見圖8。根據(jù)表1, 在0°前角條件下兩種刀具的切削力相差不大, 但在NCB100刀具材料中產(chǎn)生的非晶層更厚, 說明在切削力作用下NCB100中的cBN更易非晶化, 這是由于cBN晶粒之間的結(jié)合為剛性連接, 在動(dòng)態(tài)切削過程中無法變形, 導(dǎo)致直接發(fā)生相變, 形成較軟的無序?qū)訝畹? 進(jìn)而與已加工表面摩擦, 以磨料磨損的形式不斷被去除。相比而言, Lt-cBN刀具材料內(nèi)部沒有大量的堆垛層錯(cuò), 且晶粒交匯處的三角區(qū)存在柔韌的類石墨層狀BN(見圖1), 它能夠通過彈塑性變形吸收一部分能量, 因此在相似切削力的作用下Lt-cBN晶粒內(nèi)部應(yīng)力較小, 相變速率也得到減緩, 僅在磨損表層發(fā)生了部分非晶化。相對(duì)于NCB100完全非晶化的表層, Lt-cBN部分非晶化的材料層內(nèi)含有未相變的超硬cBN晶體結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致表層的磨損速率降低, 從而表現(xiàn)出更好的抗磨損性能。采用Lt-cBN刀具材料切削硬質(zhì)合金的磨損可以理解為較軟的部分非晶化層與WC顆粒和已加工表面進(jìn)行摩擦, 不斷以磨料磨損的形式去除。

圖7 NCB100刀具磨損區(qū)域內(nèi)的透射電鏡高分辨圖像和對(duì)應(yīng)的快速傅里葉變換

圖8 NCB100材料基體的顯微組織結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

在工業(yè)壓力6 GPa條件下, 以cBN粉為原料制備的Lt-cBN塊材的硬度和斷裂韌性分別達(dá)到45 GPa和8.5 MPa·m1/2。以Lt-cBN作為刀具材料, 通過硬質(zhì)合金的超精密切削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), Lt-cBN材料能夠以塑性域方式去除硬質(zhì)合金中的WC, 加工出粗糙度a低于10 nm的硬質(zhì)合金超光滑表面。與純相NCB100相比, Lt-cBN材料的硬度略低, 但是表現(xiàn)出更加優(yōu)異的切削性能和耐磨損性能。這是由于Lt-cBN具有更高的韌性, 其晶粒交匯處的層狀BN能夠通過彈塑性變形吸收能量, 減少了晶粒內(nèi)部承受的應(yīng)力, 導(dǎo)致相變減緩, 磨損表層僅形成了較薄的部分非晶化層, 從而降低了刀具磨損速率。Lt-cBN刀具材料的磨損為后刀面部分區(qū)域形成了相對(duì)基體較軟的部分非晶化層, 該層材料與WC顆粒和已加工表面產(chǎn)生摩擦, 不斷以磨料磨損的形式去除。

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Binderless Layered BN Toughened cBN for Ultra-precision Cutting

CHEN Junyun1,2, SUN Lei2, JIN Tianye1,2, LUO Kun2, ZHAO Zhisheng2, TIAN Yongjun2

(1. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2. Center for High Pressure Science, State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

Poor toughness and high synthesis pressure of binderless cBN limits its application in the field of cutting tool. To enhance its toughness, an advanced layered BN toughened cBN (Lt-cBN) bulk was developed under industrial pressure. Then, the cutting performance and wear resistance of Lt-cBN was analyzed based on the unique microstructure during tungsten carbidecutting. It is found that the Lt-cBN reaches a high fracture toughness of 8.5 MPa·m1/2, and is capable of realizing ultra-precision cutting of tungsten carbide with smooth surface of roughness lower thana10 nm. The layered BN at the intersection of cBN grains within Lt-cBN contributes to the enhanced toughness, which further slows down the transformation of amorphization as well as the wear rate of the surface layer. Thus Lt-cBN exhibits better cutting performance and wear resistance in contrast to commercial binderless pure cBN material. The wear of Lt-cBN can be explained by the soft partially amorphous layer formed on the flank surface being rubbed and continuously removed in the form of abrasive wear.

binderless cBN; layered BN; ultra-precision cutting; wear resistance; tungsten carbide

1000-324X(2021)06-0623-06

10.15541/jim20210300

TH145

A

2021-05-12;

2021-06-15;

2021-06-30

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFA0703400); 國家自然科學(xué)基金(52090020, 51775482, 91963203)

National Key Research and Development Program of China (2018YFA0703400); National Natural Science Foun-dation of China (52090020, 51775482, 91963203)

陳俊云(1983–), 女, 教授. E-mail: sophiacjy@ysu.edu.cn

CHEN Junyun (1983–), female, professor. E-mail: sophiacjy@ysu.edu.cn

趙智勝, 教授. E-mail: zzhao@ysu.edu.cn

ZHAO Zhisheng, professor. E-mail: zzhao@ysu.edu.cn