超硬材料網(wǎng)

       摘要：硬質(zhì)材料工件的加工通常需要更加堅(jiān)硬的切割工具。CBN作為最堅(jiān)硬的材料常用于黑色金屬材料的加工；帶有CBN涂層的刀具結(jié)合了涂層的優(yōu)勢(shì)和CBN的特性，提供了新型加工策略和環(huán)保型加工工藝。本論文研究了不同的CBN涂層系統(tǒng)并分析了涂層系統(tǒng)的磨損機(jī)理（磨損、粘附和表面疲勞）。實(shí)驗(yàn)還給出了不同金屬工件材料的連續(xù)、斷續(xù)切割數(shù)據(jù)。由切割工藝引起的CBN鍍附工具磨損和TiAlN鍍附工具的磨損進(jìn)行了對(duì)比。
       關(guān)鍵詞：CBN涂層,硬質(zhì)加工,車削,銑削
1 引言
       高性能材料在汽車制造和航空領(lǐng)域等現(xiàn)代工業(yè)制造中有著重要作用。鎳合金、鈦合金、陶瓷和復(fù)合材料都廣泛應(yīng)用于高溫設(shè)備制造中；由于其良好的熱性能，這些材料會(huì)應(yīng)用在燃?xì)鉁u輪和飛機(jī)引擎的零部件制造中。固定式燃?xì)廨啓C(jī)和飛機(jī)引擎的效率很大程度上取決于工作循環(huán)過(guò)程中所達(dá)到的最高溫度。這也意味著渦輪葉片和磁盤制造材料的耐熱性能必須足夠高。但另一方面，這些高性能的材料也給加工帶來(lái)的一定的副作用，耐熱合金的加工通常是一項(xiàng)成本高耗時(shí)長(zhǎng)的工藝，切割工具較早的出現(xiàn)磨損更是其顯著特征和待解決的問(wèn)題。
       金剛石是世界上最堅(jiān)硬的材料，但由于碳成分和鐵的反應(yīng)，金剛石工具不能用于加工鎳基合金和鐵質(zhì)材料。立方氮化硼（CBN）是僅次于金剛石的最為堅(jiān)硬的材料，CBN則不存在上述問(wèn)題。CBN不存在于自然界中，它是利用高溫高壓工藝合成的一種化合物，制備工藝和金剛石合成工藝類似。由于CBN優(yōu)越的物理機(jī)械性能，人們已經(jīng)制備出聚晶立方氮化硼（PCBN）并應(yīng)用于諸多加工領(lǐng)域，但這種PCBN可轉(zhuǎn)位刀頭相當(dāng)昂貴。制備工藝包括氮化硼由六方結(jié)構(gòu)向立方結(jié)構(gòu)的晶體轉(zhuǎn)化、燒結(jié)、焊接和成型。由于形狀復(fù)雜的刀頭配置制造的成本高，焊接有PCBN的可轉(zhuǎn)位刀頭僅用于幾何形狀較為簡(jiǎn)單的設(shè)備。另一個(gè)問(wèn)題是加工過(guò)程中結(jié)構(gòu)零部件外區(qū)域的磨損。這是由正交負(fù)前角和鋒利度較低的切削刃引起的。鑒于上述問(wèn)題，這種PCBN切割工具不適用于諸多加工工藝。因此，PCBN涂層技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。德國(guó)不倫瑞克市的Fraunhofer表面工程和薄膜研究所首次在硅襯底上制備出穩(wěn)定性和粘附性較好的2μm的CBN層。研究的第一步是在可轉(zhuǎn)位刀頭上鍍附上一層CBN，并進(jìn)行CBN鍍附刀具對(duì)合金鋼和淬火鋼以及鎳合金的連續(xù)、斷續(xù)切割加工實(shí)驗(yàn)。通過(guò)磨損模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)磨損機(jī)理進(jìn)行研究。研究的第二步對(duì)復(fù)雜幾何形狀刀具上CBN涂層的性能和效率進(jìn)行檢驗(yàn)。
2 硬質(zhì)合金襯底上的CBN涂層
       納米晶體CBN的沉積技術(shù)基于氮化硼靶的物理氣相沉積（PVD）濺射。在第一組涂層實(shí)驗(yàn)中觀察到硬質(zhì)合金襯底上B4C-BCN-CBN層系統(tǒng)的直接沉積導(dǎo)致粘附的不足。此外，制備出的涂層厚度較薄，從而導(dǎo)致較高的內(nèi)壓應(yīng)力引發(fā)涂層分離。以往的研究側(cè)重Ti-B4C-BCN-CBN層系統(tǒng)，該系統(tǒng)在硬質(zhì)合金上有較薄的一層金屬鈦層作為夾層。實(shí)驗(yàn)將該層置換為2.5μm的TiAlN，因?yàn)镃BN層系統(tǒng)能夠和襯底迅速粘結(jié)。氮化硼厚度為0.4μm，而最終的納米晶體CBN表面層厚度為2μm，如圖1A所示。圖1B中展示了CBN多層系統(tǒng)。該層主要是為了增加涂層粘結(jié)力和CBN層的厚度。盡管多層系統(tǒng)厚度為6μm且CBN層厚度為2.5μm，但其機(jī)械性能和CBN涂層仍有類似之處。

       和其他切割材料相比，CBN在鋼材加工中具有較高的硬度、良好的熱穩(wěn)定性，較高的耐磨性、良好的氧化穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。它使得干式切割中冷卻液的使用大大降低，且成本較低。維氏硬度測(cè)量顯示CBN層系統(tǒng)的硬度約5500HV0.01，而氮化鈦層系統(tǒng)的硬度約2300HV0.01。
3 實(shí)驗(yàn)
3.1 摩擦特性分析
氧化磨損實(shí)驗(yàn)
       通過(guò)不同的模型試驗(yàn)對(duì)具體的磨損形式進(jìn)行研究分析。為計(jì)算設(shè)備最高溫度，對(duì)CBN鍍附可轉(zhuǎn)位刀頭進(jìn)行氧化試驗(yàn)。將可轉(zhuǎn)位刀頭在500℃實(shí)驗(yàn)爐中退火4分鐘，然后利用SEM進(jìn)行定性計(jì)算，如圖2所示。隨后，將實(shí)驗(yàn)爐溫度上升至900℃。溫度上升至800℃時(shí)鍍附刀頭沒(méi)有觀察到明顯的變化；而刀頭未鍍附部分則出現(xiàn)明顯的氧化。溫度上升至900℃時(shí)涂層結(jié)構(gòu)明顯改變并分層，出現(xiàn)細(xì)小裂紋。

圖2：不同溫度下氧化試驗(yàn)中的CBN鍍附可轉(zhuǎn)位刀頭的表面

       實(shí)驗(yàn)利用圓筒-盤-摩擦計(jì)進(jìn)行粘合實(shí)驗(yàn)。將試驗(yàn)樣品按壓在法向力固定的圓筒形旋轉(zhuǎn)盤的外表面上。盤直徑Dc=45mm；利用控速伺服電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，最大速度nmax=6000min-1，這樣就獲得最大摩擦速度Vr,max=848m/min。法向力FN＝30N。圖3是摩擦系數(shù)的平均分布；圖中顯示了CBN鍍附襯底和TiAlN鍍附襯底在各自加工工藝中作為接觸時(shí)間的函數(shù)。

圖3：不同襯底上粘合的影響

圖4：CBN工具涂層的前刀面粗糙度和TiAlN涂層的對(duì)比

       圖5為工件材料的摩擦交互作用對(duì)TiAlN單涂層（5A）和CBN涂層（5B）的影響。TiAlN涂層發(fā)生了分離，從而使工件材料和工具襯底之間發(fā)生了摩擦接觸。因此在工具表面檢測(cè)到了更多的工件材料粘合并引起更高的摩擦系數(shù)。CBN涂層上的粘合材料較少，薄膜系統(tǒng)沒(méi)有完全被損壞。和TiAlN涂層相比，CBN鍍附可轉(zhuǎn)位刀頭除了表面粗糙度稍微高一點(diǎn)，其摩擦系數(shù)較低且摩擦引起的磨損也較少。

圖5：不同涂層的摩擦影響實(shí)驗(yàn)

       硬質(zhì)材料的加工通常導(dǎo)致較高的動(dòng)力荷載從而引起表面疲勞。表面疲勞是一種材料的損耗和裂紋的擴(kuò)散過(guò)程，能夠引起涂層的分離。為表述抗表面疲勞的耐磨性，本論文進(jìn)行了爆破試驗(yàn)。利用粒子噴砂裝置對(duì)涂層進(jìn)行試驗(yàn)，所用噴砂材料碳化硅的顆粒直徑為53-88μm，噴砂角度為90°，時(shí)間5秒，噴砂密度為4bar，噴嘴直徑0.8mm，距離試驗(yàn)樣品5mm。圖6為高動(dòng)力荷載對(duì)涂層系統(tǒng)的影響。

圖6：表面疲勞對(duì)不同涂層的影響

       利用光學(xué)顯微鏡對(duì)2.5μm的TiAlN涂層（6A）、1.4μm的CBN涂層（6B）和0.4μm多層CBN涂層以及1μmCBN單層進(jìn)行磨損性能觀察。可以看出CBN鍍附襯底的表面抗磨損性能較高。TiAlN鍍附襯底上的受磨損的影響范圍最大。1.4μm的CBN涂層磨損要比0.4μm的CBN涂層磨損嚴(yán)重。對(duì)于多層CBN涂層，沒(méi)有觀察到涂層斷裂，觀察到小直徑的磨損區(qū)；因此涂層粘合相對(duì)較高。整體上CBN涂層的抗表面疲勞要比TiAlN涂層高。
3.2 加工實(shí)驗(yàn)
       利用VDF180 C-U CNC車床在干式車削條件下采用外圓車削工藝進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)，最大加工直徑250mm×1000mm，25KW的DC電機(jī)；轉(zhuǎn)速為31-5000rpm；最大扭矩為800Nm。利用10V HSC高速精密銑床進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為40000rpm，最大主軸功率為20KW；軸向、徑向精密度為1μm。選用鎳合金2.4688和耐熱鋼X40CrMoV 5-1作為車削實(shí)驗(yàn)材料；鉻鋼X210Cr12作為銑削實(shí)驗(yàn)材料。選用的可轉(zhuǎn)位刀頭標(biāo)準(zhǔn)為ISO CNMG 120408。
鉻鎳鐵合金718車削實(shí)驗(yàn)
       圖7、8為加工CBN涂層鉻鎳鐵合金718的刀具性能。切削速度Vc＝50m/min，進(jìn)給f＝0.1mm，切割深度ap＝0.5mm，刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)為VB＝0.3mm。

圖7：加工鉻鎳鐵合金718時(shí)不同涂層切割時(shí)間的側(cè)面磨損帶寬度函數(shù)

       圖7為側(cè)面磨損寬度，也是切割時(shí)間tc的一個(gè)函數(shù)。實(shí)驗(yàn)可以看出CBN鍍附可轉(zhuǎn)位刀具的壽命明顯比TiAlN單層鍍附刀具壽命要長(zhǎng)，且機(jī)械耐磨性能也比TiAlN涂層的要好。此外，沒(méi)有觀察到工具破損、裂紋或薄膜粘合等。圖8為TiAlN單層涂層在480秒后的工具磨損（8A）和CBN涂層在930秒后的工具磨損（8B）。

圖8：不同鍍附刀具的SEM圖

圖9：加工鉻鎳鐵合金718時(shí)CBN涂層和參照涂層的切削力、工件粗糙度

       CBN刀具的另外一個(gè)重要應(yīng)用是淬火鋼的車削加工。淬火鋼車削由于切削力較大而對(duì)工具涂層有較大影響。工具磨損評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)是側(cè)面磨損帶寬度VB。圖10可以看出CBN鍍附刀具在車削X40CrMoV5-1時(shí)的切削力明顯比TiAlN鍍附刀具的切削力要低。此外，CBN鍍附可轉(zhuǎn)位刀頭的工具壽命TVB0,3要比傳統(tǒng)TiAlN涂層的壽命延長(zhǎng)了約210%。

圖10：不同涂層在加工X40CrMoV5-1時(shí)的切削力

       圖11為切削速度Vc＝70m/min時(shí)，三個(gè)試驗(yàn)涂層的側(cè)面磨損帶；可以控制放緩0.6μm厚的CBN鍍附可轉(zhuǎn)位刀頭的磨損進(jìn)程以便延長(zhǎng)刀具壽命，進(jìn)而延長(zhǎng)進(jìn)給形成約70%，大概5米左右。相比之下，1μm厚的CBN涂層壽命沒(méi)有明顯的改善。TiAlN鍍附工具的SEM圖可以看出薄膜粘合性較好；刀具磨損的陡然增大主要是由于槽口的磨損。相比之下，CBN鍍附刀具耐磨性能較好，還觀察到良好的薄膜粘合性。

圖11：不同涂層在加工X210Cr12時(shí)進(jìn)給形成的函數(shù)側(cè)面磨損帶寬度

4 結(jié)論
       沉積出的CBN涂層硬度是傳統(tǒng)TiAlN涂層硬度的兩倍，切化學(xué)穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性都更好。并且CBN涂層的耐磨性能、抗表面疲勞性能和抗摩擦氧化性能較好。以上結(jié)論對(duì)于理解分析CBN鍍附刀具的磨損性能至關(guān)重要。CBN涂層的高壓縮應(yīng)力基本不受大部分加工工藝的影響。
       根據(jù)鎳合金加工和耐熱鋼X40CrMoV5-1加工，可以看出CBN涂層由于其優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性和高硬度而在加工高性能材料時(shí)有著卓越的優(yōu)勢(shì)。在加工鉻鎳鐵合金時(shí)，和TiAlN鍍附工具相比，CBN工具壽命明顯要TiAlN的長(zhǎng)；此外，CBN涂層的切削力較低，工件表面粗糙度也明顯比TiAlN涂層加工出的表面粗糙度要低。在加工耐熱鋼時(shí)，CBN鍍附工具切削力要比iAlN工具低20%左右。（編譯：中國(guó)超硬材料網(wǎng)）