PCBN 刀具材料的性能及切削20CrMnTi 合金鋼試驗研究①

倪紅海， 紀飛飛， 陳友廣， 聶佳梅

（1.蘇州健雄職業技術學院，江蘇 蘇州 215411； 2.江蘇大學，江蘇 鎮江 212000）

20CrMnTi 合金鋼是工業上應用較廣的一類金屬材料，但20CrMnTi 合金鋼精密磨削加工時會出現局部裂紋和擦傷等缺陷，影響零件的使用壽命和性能［1-7］。采用以車代磨的方式可以有效解決20CrMnTi 合金鋼在砂輪磨削過程中出現的這些問題。 PCBN（聚晶立方氮化硼）超硬刀具擁有高硬度、高耐磨損性、高加工精度等優勢［8-13］，使用其以車代磨切削難加工材料，可以實現高速車削，并能夠獲得較好的加工質量。 目前國內外學者開展了PCBN 刀具切削難加工材料的研究，但沒有與PCBN 刀具材料成分聯系起來［14-16］。 本文從配方出發，以CBN（立方氮化硼）為原料、TiCN 和Al 為結合劑，在六面頂壓機內合成了CBN 含量（質量分數）50%～70%的PCBN 刀具材料，并對其進行顯微結構觀察，硬度、磨耗比等力學性能檢測。 將上述刀具材料制成方形刀具，對20CrMnTi 進行切削試驗，分析了CBN 含量對PCBN 刀具切削性能的影響并探討了PCBN 刀具的磨損形式和磨損機理。

1 試 驗

1.1 PCBN 刀具材料的合成

以CBN（1～3 μm）、TiCN（1～2 μm）、Al 粉（1 μm）為實驗原料，按表1 所示配比進行混料。 將混合料置于三維混料機中研磨混料，然后在真空干燥箱中進行干燥。 粉末經過高溫真空還原處理后，與硬質合金基體一起放入不溶性金屬杯中，然后在冷壓成型機上預壓成塊，最后裝入葉蠟石中，并在六面頂壓機上壓緊，進行高溫超高壓燒結，制得PCBN 刀具材料。

表1 PCBN 的合成配比及燒結工藝

1.2 樣品表征

按照GB／T 16534《工程陶瓷維氏硬度試驗方法》，采用上海恒一VH-5 硬度計測定PCBN 的硬度，并通過萊卡倒置金相顯微鏡（型號：DMI300M）觀察硬度測試的菱形壓痕形貌。 通過場發射掃描電子顯微鏡（SEM）分析PCBN 刀具材料的表面外觀和致密性以及PCBN 前刀具的磨損形貌。 參照JB／T 3235—2013《聚晶金剛石磨耗比測定方法》，測定PCBN 復合材料的磨耗比，磨耗比定義為鋼材磨損的質量損失與刀具磨損損失之間的比率；采用超景深體式顯微鏡（型號：KEYENCEVHX-200）觀測刀具磨損情況。

1.3 切削試驗

PCBN 刀具材料經線切割、焊接、刃磨等工序，制成方型刀具（SNGN120408）切削20CrMnTi 合金鋼材料。 試驗在CAK4085Anj 機床上進行，采用外圓切削；切削環境為干式切削。 切削條件為連續切削，切削速度v=160 m／min，進給量f=0.15 mm／r，背吃刀量ap=0.1 mm，切削里程5 km 時用超景深體式顯微鏡測量PCBN 刀具后刀面磨損量（VB）。 表2 為20CrMnTi 鋼化學成分。

表2 20CrMnTi 鋼化學成分（質量分數）／%

2 結果分析

2.1 顯微結構分析

圖1為不同CBN 含量的PCBN 刀具材料拋光表面掃描圖。 PCBN 表面均由黑色區域與灰色區域構成，其中黑色區域為CBN，灰色區域為TiCN 和Al 所組成的結合劑，黑灰區域交錯分布。 樣品經過拋光處理后表面致密性良好，CBN 顆粒與結合劑連接緊密。 燒結致密化是保證PCBN 刀具材料質量的關鍵。 此外，加入的TiCN 在CBN 顆粒之間均勻分散，同時TiCN 具有導電導熱性和化學穩定性良好以及熔點高、硬度高等特性，體系中均勻分散的TiCN 有助于提高PCBN 燒結體的耐熱性與抗沖擊性。

圖1 不同CBN 含量的PCBN 刀具材料表面SEM 圖像

2.2 硬度分析

PCBN 刀具材料硬度分析結果見圖2。 硬度測試載荷10 kg，保壓時間15 s，選取拋光試樣表面邊緣到中間的7～9 個點進行硬度測試。 圖2（a）為BN60 樣品的表面壓痕圖，圖中2 個壓痕的寬度基本相同，說明刀具材料硬度比較均勻。 從圖（b）可以看出，PCBN 的顯微硬度與CBN 含量成正比。 CBN 和TiCN 硬度分別為80 GPa 和35 GPa，兩者硬度值存在較大差距，因此，試樣整體硬度取決于CBN 含量，CBN 含量越高，PCBN 的整體硬度也越高。 當CBN 含量為70%時，PCBN 的硬度值最大，為32.97 GPa。

圖2 PCBN 刀具材料硬度分析結果

2.3 磨耗比分析

圖3為CBN 含量對PCBN 刀具材料磨耗比的影響。 磨耗比是檢測PCBN 刀具材料耐磨性的重要指標。 設定磨耗比測定儀砂輪線速度25 m／s，主軸轉速4 500 r／min，加載時間600 s。 每個PCBN 樣品測試3 ～5 次，取其平均值為最終磨耗比值。 從圖3 可知，磨耗比隨著CBN 含量增加而增加，與試樣硬度曲線相吻合。 CBN 含量從50%增加到70%時，刀具磨耗比從4 800 增加到7 400。 本試驗條件下黏結劑對CBN 顆粒有很好把持力，CBN 顆粒在磨削過程中不易脫落。 由于結合劑的耐磨性低于CBN，刀具耐磨性主要與CBN 含量有關，CBN 含量越高，刀具耐磨性越好。

圖3 CBN 含量對PCBN 刀具材料磨耗比的影響

2.4 CBN 含量對PCBN 刀具切削性能的影響

圖4為v=160 m／min、f=0.1 mm／r、ap=0.1 mm切削條件下，PCBN 刀具后刀面切削里程5 km 時的磨損形貌圖。 本試驗以后刀面磨損區的寬度作為判定刀具磨損的標準，后刀面的磨損率雖不能完全體現刀具的磨損速率，但也可以從一個側面反映刀具磨損快慢，因為它對加工零件的表面光潔度和尺寸精度有顯著影響。 由圖4 可知，PCBN 刀具后刀面磨損量隨著PCBN刀具材料中CBN 含量增加而減小，CBN 含量50%時，PCBN 刀具磨損量最大，達到0.390 mm，CBN 含量70%時，PCBN 刀具磨損量最小，為0.179 mm。 由圖可知，PCBN 刀具后刀面磨損呈三角形，BN50 和BN55 刀具后刀面出現了較大區域的磨損寬度。 分析可知，高速精密切削20CrMnTi 合金結構鋼過程中，刀具與工件劇烈摩擦，對工件材料的硬質相產生劃痕，產生較高的溫度和應力，從而加劇磨損，并可能引起局部剝落，嚴重時會引起崩刃。 BN65 和BN70 刀具的CBN 含量相對較高，具有極好的耐磨損性和強韌性，因此相對于CBN 含量低的BN50 和BN55 刀具，總體抗磨損情況較好，在切削里程達到5 km 時沒有出現明顯的崩刃和CBN 顆粒脫落現象。 本試驗中CBN 含量高的PCBN刀具相對于CBN 含量低的PCBN 刀具，在高速精密切削20CrMnTi 合金結構鋼時具有更長的使用壽命。

圖4 PCBN 刀具高速切削20CrMnTi 合金結構鋼后刀面的磨損形貌圖

2.5 PCBN 刀具的磨損形式及機理分析

圖5為v=160 m／min、f=0.1 mm／r、ap=0.1 mm、切削里程5 km 時，BN50 刀具高速切削20CrMnTi 合金結構鋼時前刀面的掃描照片和相應位置的EDS 線掃描圖。 從圖5（a）可以觀察到灰色物質黏附在刀具上，靠近刀尖處灰色物質數量較多，同時還觀察到有凹坑存在。 對灰色物質進行EDS 線掃描分析，表明灰色物中含有C、O、Fe、Ti、Cr 等元素，這些元素都是工件材料20CrMnTi 合金鋼的主要組成元素。 在高速切削過程中，刀具發生黏結磨損，20CrMnTi 合金鋼中的組成元素黏結并擴散沉積在刀具的前刀面上，形成灰色組織層。 磨損的刀具上出現了氧元素，推測BN50 刀具在切削過程中發生了氧化反應，并生成了B2O3，使CBN 晶體表面凹陷，晶體邊緣收縮，刀具“鈍化”，即氧化磨損。 結合劑中的TiCN 和Al3＋也可能與空氣中的氧在高溫下發生化學反應生成TiO2和Al2O3。 推測刀具材料和工件材料可能發生以下氧化反應［17-18］：

圖5 BN50 前刀面SEM 照片及相應區域EDS 線掃描圖譜

從以上分析可以看出，BN50 前刀面的損傷不是孤立形式，而是多種形式的組合，是氧化、黏結、擴散磨損以及局部剝落等各種磨損機制綜合作用的結果。

3 結 論

1） PCBN 刀具的耐磨性和顯微硬度與刀具中CBN 含量成正比，CBN 含量70%時，PCBN 的硬度和磨耗比均最大，分別為32.97 GPa 和7 400。

2） CBN 含量高的PCBN 刀具在高速切削20CrMnTi合金鋼時有更長的使用壽命。

3） PCBN 刀具高速切削20CrMnTi 合金鋼的磨損機理為局部剝落、黏結磨損、氧化磨損以及擴散磨損等綜合作用的結果。