无黏结剂层状BN增韧cBN刀具材料的研究

陈俊云, 孙磊, 靳田野, 罗坤, 赵智胜, 田永君

无黏结剂层状BN增韧cBN刀具材料的研究

陈俊云1,2, 孙磊2, 靳田野1,2, 罗坤2, 赵智胜2, 田永君2

(燕山大学 1. 机械工程学院; 2. 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室, 高压科学研究中心, 秦皇岛 066004)

无粘结剂cBN材料制作的切削刀具韧性较差, 并且这种材料的合成压力高。为此, 本研究在工业压力下制备了超硬、高韧的新型无粘结剂层状BN增韧cBN (Lt-cBN)块材, 通过切削硬质合金实验, 分析了Lt-cBN材料内部微观结构对其切削性能和耐磨性的影响。研究结果表明: Lt-cBN材料的韧性高达8.5 MPa·m1/2, 可超精密切削硬质合金, 获得了粗糙度a低于10 nm的超光滑表面; Lt-cBN材料内部存在少量层状BN, 不仅提高了韧性, 还降低了表层材料的非晶化程度及磨损速率; 相对于商品化的纯相cBN材料, Lt-cBN材料展现出更好的切削性能和耐磨性; Lt-cBN材料的主要磨损形式为后刀面的部分非晶化, 并在摩擦作用下逐渐被去除而导致的磨料磨损。

无粘结剂cBN; 层状BN; 超精密切削; 耐磨性; 硬质合金

立方氮化硼(cBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料, 且热稳定性和化学稳定性优于金刚石, 在超硬刀具领域中应用广泛[1-2]。常用cBN刀具材料主要有两类, 即含粘结剂的聚晶cBN (PcBN)和无粘结剂cBN[3]。其中, 在5～6 GPa、1300～1400 ℃的条件下采用微米尺寸的cBN颗粒与金属或陶瓷粘结剂结合制备PcBN, 但是粘结剂降低了材料的硬度和耐磨性, 硬度仅为27～40 GPa[4-5]。为了提高PcBN的硬度, 研究者们以六方氮化硼(hBN)、热解类六方氮化硼(pBN)或cBN粉为原料在压力≥7.7 GPa条件下合成了亚微米或纳米晶粒的无黏结剂纯相cBN, 该类材料的硬度、耐磨性和热传导性均优于PcBN材料[4,6-8]。

因无黏结剂cBN材料优良的机械性能及其在切削领域广阔的应用前景, 使无黏结剂cBN材料切削性能的研究备受关注。如Taniguchi等[9]通过高温高压(≥7.7 GPa, >2000 ℃)直接烧结cBN粉获得了无黏结剂cBN块材, 制备成刀具并实现了硬质合金的精密切削。Fujisaki等[10]采用超细晶粒无黏结剂cBN制备刀具, 切削出不锈钢镜面, 其耐磨性优于金刚石。Sumiya等[7]以hBN和pBN为原料通过高温高压(≥8 GPa, ≥2200 ℃)下的相变获得了无黏结剂cBN, 切削淬硬钢的性能较好。Wang等[11-12]研究表明, 无黏结剂cBN材料在钛合金高速铣削中的耐磨性优于PcBN和聚晶金刚石刀具。另外, Bushlya等[13]发现无黏结剂cBN在SiC增强Al-Si合金切削中的耐磨性比PcBN提高了20%～30%。然而, 上述无黏结剂纯相cBN材料的韧性较低,IC=5～6 MPa·m1/2, 在硬质合金、淬硬钢等难加工材料的切削中很难实现超精密切削, 刀具材料的韧性是影响切削刃锋利度和耐磨性的主要因素。此外, 无黏结剂纯相cBN的合成压力一般高于7.7 GPa, 不利于工业化生产, 制备成本高。

为提高无黏结剂cBN材料的韧性, 赵智胜等[14]在工业压力(6 GPa)下合成了一种超硬、高韧的层状BN增韧cBN (Lt-cBN)材料, 其断裂韧性IC=8～ 10 MPa·m1/2、维氏硬度40～50 GPa。Lt-cBN的韧性高于上述无黏结剂纯相cBN、PcBN和单晶金刚石等刀具材料, 并且合成压力低、易于工业化, 很有希望成为超精密切削领域的新型刀具材料。因此, 亟待研究该材料的切削性能和耐磨性。此外, 硬质合金是典型的硬脆难加工材料, 切削加工中易产生脆性断裂及严重刀具磨损, 目前采用单晶金刚石刀具辅助振动切削或电化学处理技术可以进行硬质合金的超精密切削, 但是刀具的切削距离极短[15-16]。目前文献中尚未有关于硬质合金直接超精密切削的报道。本研究针对硬质合金的超精密切削, 在实验基础上研究了Lt-cBN材料应用于难加工材料超精密切削的性能, 并与商品化无粘结剂纯相cBN材料进行对比, 研究材料内部微观结构对其切削性能和耐磨性的作用机理。

1 实验方法

1.1 制备层状BN增韧cBN (Lt-cBN)块材

以cBN粉末为原料, 采用六面顶压机, 在压力6 GPa、温度1700 ℃的条件下合成了层状BN增韧Lt-cBN块材, 其直径为5 mm、厚度约3.5 mm, 如图1(a)所示, 材料内部组织致密, 无气孔及其它缺陷, 平均晶粒尺寸约为0.683 μm。经检测该材料的维氏硬度为45 GPa, 断裂韧性IC为8.5 MPa·m1/2, 热稳定性在1277 ℃, 压缩强度为6.5 GPa。采用透射电镜分析发现, 在合成材料的晶界交汇三角区形成了柔韧的类石墨BN薄层, 上述少量层状BN既不影响材料整体硬度又起到了增韧的作用, 见图1(b)。

1.2 超精密切削实验

采用机械刃磨法将Lt-cBN块材制备成圆弧刃车削刀具。首先将圆柱形的Lt-cBN块材焊接在硬质合金刀柄上, 然后基于平面研磨机床和刃磨圆弧的辅助装置分别进行前、后刀面的刃磨。刀具参数为: 圆弧半径1.0 mm, 刀具前角–30°、–15°和0°, 后角15°, 切削刃平均钝圆半径为0.214 μm, 前刀面的粗糙度a小于1 nm。选用硬质合金YG6X为切削工件, 其中WC的晶粒尺寸为0.8 μm, 维氏硬度17.42 GPa。为评价Lt-cBN刀具的切削性能, 对比Lt-cBN和商品化纯相cBN刀具-NCB100 (Sumitomo, Japan), 检测结果表明NCB100的硬度(50～55 GPa)略高于Lt-cBN刀具, 但是韧性(5.0～6.0 MPa·m1/2)较差。

图1 Lt-cBN内部微观结构(插图为Lt-cBN照片)(a)和晶粒交界处的层状BN结构形貌(b)

切削实验装置如图2所示, 将工件安装在超精密机床(Nanotech 450UPL, Moore)的主轴上, 通过测力仪(91192AA2, Kistler) 将刀架固定在机床的B轴。工艺参数为主轴转速 4000 r/min, 进给量2 μm/r, 切削深度3 μm, 干式切削。采用原子力显微镜(Dimension Icon, Bruker)观察切削的表面形貌和粗糙度, 采用金相显微镜(DM2700M Leica)和扫描电镜(Scios, FEI, ThermoFisher)观测刀具的磨损形貌和尺寸, 采用透射电镜(Talos, FEI, ThermoFisher)检测刀具的亚表层微观结构。

2 结果与讨论

2.1 Lt-cBN材料在硬质合金表面的切削分析

对于硬质合金等难加工材料的切削, 刀具前角是影响临界未变形切屑厚度的重要因素, 本研究在前角–30°、–15°和0°的条件下对Lt-cBN和NCB100刀具进行切削。硬质合金表面粗糙度见表1, 可以看出负前角的角度越大则切削表面粗糙度越高, 这表明刀具负前角不利于硬质合金材料的塑性域去除。由于刀具负前角越大, 切屑形成中的剪切角越小, 对切削材料和切屑的挤压作用就越严重, 即材料沿着剪切面发生塑性变形消耗的能量越大。同时切屑也发生了严重的弹塑性变形, 因严重挤压加剧了刀屑界面的摩擦作用。上述综合作用导致切削力增大(表1中的切削力为沿着切削方向的主切削力), 其中–30°前角的切削过程不稳定, 未采集到有效的切削力信号。

图2 切削实验装置

表1 硬质合金切削表面粗糙度和切削力

对于硬质合金(WC-Co复合相)材料的切削, 两相界面处的结合力相对于单相材料较弱, 所以切削力越大, 材料表面亚微米尺寸的WC颗粒越容易被拔出或部分破碎, 使得切削表面质量变差。从表1中还可以看出, 相同工艺参数下Lt-cBN刀具在硬质合金切削中表现出更好的切削性能。与NCB100相比, Lt-cBN切削的表面粗糙度较低, 切削力较小, 这主要与刀具在切削中的磨损状态有关。

选用0°前角的Lt-cBN刀具, 进给量0.5 μm/r, 其它工艺参数同上, 硬质合金切削表面形貌如图3(a)所示, 可以看到工件表面规则分布的切削条纹; 图3(b)为加工过程中收集的切屑, 连续、完整的切屑表明切削过程中以塑性域方式去除硬质合金材料, 根据切削参数可以计算出未变形最大切屑厚度为38.6 nm, 而WC颗粒平均尺寸约为800 nm, 表明Lt-cBN刀具能够切动WC, 且以塑性域方式去除硬质合金材料, 这与文献[17]报道的Co黏结剂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, 见图3(c)。

2.2 Lt-cBN刀具材料的耐磨损性能

Lt-cBN刀具的主要磨损形式为后刀面磨损, 因此采用后刀面磨损区的最大宽度max来评价其磨损程度。在主轴转速 4000 r/min、进给量2 μm/r、切削深度3 μm、切削距离56.5 m的条件下, Lt-cBN刀具的磨损情况见图4。与0°前角相比, 负前角刀具的磨损较严重, 且相同条件下Lt-cBN刀具后刀面磨损量均小于NCB100, 即Lt-cBN刀具材料的耐磨损性能更好。

0°前角刀具切削113 m后的磨损形貌如图5所示, Lt-cBN刀具磨损区域形貌较均匀, 能够观察到沿着切削方向的大量沟槽, 沟槽的宽度为0.5～0.8 μm, 而硬质合金中WC颗粒的平均尺寸为0.8 μm, 说明切屑形成过程中因严重挤压变形导致少量WC颗粒脱落, 并流动到刀具后刀面和已加工表面之间, 与后刀面发生摩擦从而在磨损区形成了大量沟槽。因此Lt-cBN刀具的磨损形式主要是正常的磨料磨损, 磨损过程较为平稳。此外, Lt-cBN刀具的后刀面在正常磨损过程中形成了新的、锋利的切削刃(图5), 所以Lt-cBN刀具磨损后仍可以保持较好的切削性能。Nakamot、Zhan、Liu等学者[18-20]也发现一定程度的刀具磨损对切削性能的影响不明显。相对比, NCB100后刀面的磨损区域有少量较深的沟槽, 仔细观察后还发现新形成的切削刃上分布着少数大小不等的崩口, 这是由于刃口处的裂纹扩散导致cBN材料脱落, 脱落的cBN材料与后刀面摩擦形成了较深的沟槽, 所以NCB100刀具磨损后切削性能严重下降, 并且加快了后续刀具磨损。

图3 硬质合金的切削表面形貌(a)、切屑(b)和切削工件(c)

图4 后刀面磨损区域的最大宽度VBmax

图5 切削硬质合金后刀具的磨损形貌

2.3 Lt-cBN材料的磨损机制

Lt-cBN刀具材料磨损区域亚表面检测结果见图6, 磨损表面下方形成了厚度约23.7 nm的部分非晶化层, 其中局部区域仍为单晶cBN的晶体结构, 其它部分则相变为无序的类石墨层状氮化硼。从高分辨图像的快速傅里叶变换结果也可以看出, 在部分非晶化层中同时存在无序层状氮化硼结构的衍射晕以及cBN晶体的衍射斑点, 见图6右侧。此外, 在部分非晶化层和正常Lt-cBN基体之间还发现了厚度约10.7 nm的位错堆积层, 这是由于刀具在切削力的作用下表层材料发生挤压和剪切变形, 导致cBN发生无序层状氮化硼的结构相变, 形成部分非晶化层。当切削应力向深度方向扩展时, 应力不断变小, 仅能使cBN晶体内部产生位错, 而不能完全破坏晶体结构, 因此形成了位错堆积层。

图6 Lt-cBN刀具磨损区域内的透射电镜高分辨图像和对应的快速傅里叶变换

进一步分析Lt-cBN材料和NCB100材料的耐磨损性能, 对图5中NCB100刀具磨损区亚表面进行透射电镜观察, 见图7。结合高分辨图像及其快速傅里叶变换的结果可以判断, NCB100刀具磨损表面下方一层材料已全部非晶化, 变成了无序的类石墨层状氮化硼结构, 非晶层中无cBN晶体结构, 该非晶层的厚度约为41.1 nm, 大于相同测试条件下Lt-cBN刀具产生的部分非晶化层厚度。此外, 在NCB100刀具产生的非晶层下方也发现了位错堆积层, 其平均厚度约16.9 nm。通过显微结构分析证实NCB100是纯相纳米聚晶cBN的烧结体, 其晶粒内部存在大量的堆垛层错, 晶粒之间结合紧密, 无层状BN结构, 见图8。根据表1, 在0°前角条件下两种刀具的切削力相差不大, 但在NCB100刀具材料中产生的非晶层更厚, 说明在切削力作用下NCB100中的cBN更易非晶化, 这是由于cBN晶粒之间的结合为刚性连接, 在动态切削过程中无法变形, 导致直接发生相变, 形成较软的无序层状氮化硼, 进而与已加工表面摩擦, 以磨料磨损的形式不断被去除。相比而言, Lt-cBN刀具材料内部没有大量的堆垛层错, 且晶粒交汇处的三角区存在柔韧的类石墨层状BN(见图1), 它能够通过弹塑性变形吸收一部分能量, 因此在相似切削力的作用下Lt-cBN晶粒内部应力较小, 相变速率也得到减缓, 仅在磨损表层发生了部分非晶化。相对于NCB100完全非晶化的表层, Lt-cBN部分非晶化的材料层内含有未相变的超硬cBN晶体结构, 导致表层的磨损速率降低, 从而表现出更好的抗磨损性能。采用Lt-cBN刀具材料切削硬质合金的磨损可以理解为较软的部分非晶化层与WC颗粒和已加工表面进行摩擦, 不断以磨料磨损的形式去除。

图7 NCB100刀具磨损区域内的透射电镜高分辨图像和对应的快速傅里叶变换

图8 NCB100材料基体的显微组织结构

3 结论

在工业压力6 GPa条件下, 以cBN粉为原料制备的Lt-cBN块材的硬度和断裂韧性分别达到45 GPa和8.5 MPa·m1/2。以Lt-cBN作为刀具材料, 通过硬质合金的超精密切削实验发现, Lt-cBN材料能够以塑性域方式去除硬质合金中的WC, 加工出粗糙度a低于10 nm的硬质合金超光滑表面。与纯相NCB100相比, Lt-cBN材料的硬度略低, 但是表现出更加优异的切削性能和耐磨损性能。这是由于Lt-cBN具有更高的韧性, 其晶粒交汇处的层状BN能够通过弹塑性变形吸收能量, 减少了晶粒内部承受的应力, 导致相变减缓, 磨损表层仅形成了较薄的部分非晶化层, 从而降低了刀具磨损速率。Lt-cBN刀具材料的磨损为后刀面部分区域形成了相对基体较软的部分非晶化层, 该层材料与WC颗粒和已加工表面产生摩擦, 不断以磨料磨损的形式去除。

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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

国家重点研发计划(2018YFA0703400); 国家自然科学基金(52090020, 51775482, 91963203)

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

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

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

赵智胜, 教授. E-mail: zzhao@ysu.edu.cn

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