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PCBN刀具的磨损方式

发布时间:2019-05-08作者:海市蜃楼

以下为pcbn刀具常见的几种磨损破坏方式

一、 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。

二、 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。

PCBN刀具磨损

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。

三、 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。

四、 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。

五、 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。

六、 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。

七、 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。

八、 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。

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