鑄鐵類零件精加工用PCBN刀具材料的制備簡(jiǎn)單分析

立方氮化硼刀具（PCBN刀具）材料具有卓越的耐磨性、高硬度、化學(xué)穩(wěn)定性以及抗沖擊性等優(yōu)勢(shì)，使其能特別適應(yīng)現(xiàn)在日益嚴(yán)酷的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的工具，尤其適合汽車工業(yè)領(lǐng)域數(shù)控自動(dòng)加工行業(yè)的應(yīng)用。PCBN刀具的干式硬態(tài)切削符合綠色制造發(fā)展的大方向，是現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速高效技術(shù)的首選，越來(lái)越多的廠家要求“以車代磨、以銑代磨”，需要研制適合精加工用的超硬刀具。接下來(lái)將會(huì)為大家介紹了一種主要應(yīng)用于鑄鐵類零件精加工的高CBN含量的細(xì)晶粒PCBN刀具材料的制備方法，并對(duì)制備過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1 鑄鐵類零件精加工用PCBN刀具的制備

(1) PCBN刀具原材料的組分配比

當(dāng)前，PCBN刀具分為高含量CBN和低含量CBN兩種，其中，低含量CBN的PCBN刀具主要用于淬火鋼的加工，而高含量CBN的PCBN刀具主要用于鑄鐵類零件的加工；在具體原材料使用方面的進(jìn)展主要表現(xiàn)為所用CBN微粉的粒度向粗、細(xì)兩極化發(fā)展，結(jié)合劑以增韌化為主要目的。在相同含量CBN條件下，CBN微粉粒度越粗，聚晶立方氮化硼刀具抗機(jī)械磨損的能力越強(qiáng)，但工件表面光潔度不好，適合工件的粗加工；CBN微粉粒度越細(xì)，聚晶立方氮化硼刀具的耐磨性越好，抗壓強(qiáng)度越高，工件表面光潔度越好，適合工件的精加工，但粒度越細(xì)，混料與燒結(jié)越困難。
根據(jù)文獻(xiàn)和已有研究成果，通過(guò)對(duì)CBN含量、粒度、結(jié)合劑種類、粒度及不同配比的大量試驗(yàn)，最終確定了一種鑄鐵類零件精加工用PCBN刀具材料的配方如表1所示。

表1 PCBN刀具材料的組分配比




(2) PCBN刀具材料的制備工藝流程

PCBN刀具材料的制備工藝流程主要包括“CBN微粉預(yù)處理—球磨混料—烘干造粒—毛坯壓制—合成塊組裝—高溫高壓燒結(jié)”等步驟。

CBN微粉預(yù)處理階段，需要將立方氮化硼微粉用稀鹽酸酸洗去除其中的金屬雜質(zhì)，再用稀氫氧化鈉溶液堿處理至中性后進(jìn)行分離，然后依次用蒸餾水和無(wú)水乙醇分別清洗數(shù)次后進(jìn)行真空干燥，徹底去除微粉中的水分和乙醇。

球磨混料階段，按照表1所示的比例將原料放入行星球磨機(jī)的球磨罐中進(jìn)行高能球磨，充分混合使物料混合均勻。由于粉體粒度超細(xì)，需要采用濕式球磨工藝。

烘干造粒階段，由于濕式球磨工藝需要添加分散介質(zhì)，需要將球磨均勻的粉體放入真空干燥箱中干燥烘干，以徹底去除粉體中的分散介質(zhì)，然后通過(guò)造粒工藝將粉料制成顆粒粉末。

毛坯壓制階段，利用壓機(jī)將造粒完成的原料顆粒粉末壓制成不同形狀的塊體毛坯，放入相應(yīng)形狀的碳模中，并在碳模兩端用黏結(jié)劑各黏附一個(gè)碳片，封裝成內(nèi)合成體，然后放入300℃的真空爐中干燥4h備用。

合成塊組裝階段，將兩個(gè)封裝干燥后的內(nèi)合成體裝入葉臘石塊中，兩端依次裝入金屬鈦片和導(dǎo)電鋼圈，裝配成合成塊后放入150℃的烘箱中干燥2h備用。

高溫高壓燒結(jié)階段，將干燥后的合成塊放入六面頂壓機(jī)中燒結(jié)合成鑄鐵類零件精加工用PCBN刀具，合成壓力6.5GPa，合成溫度1650℃，合成時(shí)間6-20min。

2 鑄鐵類零件精加工用PCBN刀具制備的關(guān)鍵技術(shù)

(1) 超細(xì)晶粒粉體的球磨工藝研究

高能球磨是通過(guò)球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)使硬球?qū)υ线M(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌，以降低反應(yīng)活化能、細(xì)化晶粒、增強(qiáng)粉體活性、提高組分均勻性和燒結(jié)能力的手段，球磨工藝分為干式球磨和濕式球磨兩種方法。
在鑄鐵類零件精加工用PCBN刀具材料的干式球磨工藝制備粉體過(guò)程中，由于采用細(xì)顆粒原料粉體，發(fā)現(xiàn)球磨時(shí)間從原來(lái)的8h增加到15h，混合后的粉體仍出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，燒結(jié)合成的PCBN刀具材料的不同位置的顯微硬度相差較大，因此對(duì)細(xì)晶粒PCBN刀具材料的原料粉體進(jìn)行了濕式球磨工藝的試驗(yàn)研究。
采用QM-2SP4行星式球磨機(jī)，配備4個(gè)瑪瑙球磨罐。試驗(yàn)中分別采用無(wú)水乙醇、去離子水、乙二醇、丙酮及其混合物作為分散介質(zhì)，聚乙二醇、聚乙烯亞胺、聚甲基丙烯酸氨作為分散劑，“料：球：分散介質(zhì)”分別取1:（2/3/4/5）:（0.8/1/1.2/1.5）的不同組合，同時(shí)對(duì)裝料量、裝球量、球的大小、球磨機(jī)速度和球磨時(shí)間等因素進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。
通過(guò)試驗(yàn)研究，并綜合考慮分散介質(zhì)和分散劑的相溶性、毒性、環(huán)保、后期分離等因素，最終確定細(xì)顆粒原料粉體的濕式球磨工藝技術(shù)參數(shù)為：球磨機(jī)速度360r/min，正/反轉(zhuǎn)時(shí)間周期5分鐘，球磨時(shí)間8-10h，料：球：分散介質(zhì)=1:2:0.8。所述分散溶液由無(wú)水乙醇和分散劑按一定比例組成。

圖1和圖2所示為同批配料的干式球磨15h和濕式球磨10h的粉體的SEM圖，從兩圖對(duì)比可以看出干式球磨工藝后細(xì)顆粒粉體的團(tuán)聚現(xiàn)象很嚴(yán)重，而采用濕式球磨工藝后粉料的團(tuán)聚現(xiàn)象基本消失。




圖1 干式球磨工藝粉料



圖2 濕式球磨工藝粉料

(2) PCBN刀具材料燒結(jié)工藝參數(shù)的確定方法

PCBN刀具材料的燒結(jié)合成工藝參數(shù)包括合成壓力、合成溫度和保溫時(shí)間。為了確定最佳的燒結(jié)工藝參數(shù)，僅靠以往的經(jīng)驗(yàn)手段已滿足不了高品質(zhì)PCBN材料的性能需求。因此，需要綜合運(yùn)用如XRD分析、顯微硬度檢測(cè)等現(xiàn)代檢測(cè)手段研究PCBN刀具材料內(nèi)部物相及性能隨燒結(jié)參數(shù)變化的規(guī)律，更加科學(xué)地確定最佳制備工藝參數(shù)，為提高PCBN刀具材料的性能提供重要的指導(dǎo)作用。

圖3為Al結(jié)合劑在不同燒結(jié)溫度下與CBN微粉燒結(jié)后的材料XRD圖。由圖可知，燒結(jié)溫度1300℃時(shí)，燒結(jié)體的主要物相為單質(zhì)Al、CBN和少量的hBN，此時(shí)，Al與CBN沒(méi)有明顯的反應(yīng)；燒結(jié)溫度1400℃時(shí)，Al與CBN反應(yīng)生成了新物相AlN和AlB2，同時(shí)存在少量的Al；燒結(jié)溫度1500℃時(shí)，生成的物相與1400℃相比沒(méi)有變化。因此，在采用Al結(jié)合劑時(shí)，燒結(jié)合成溫度在1400℃以上即可。根據(jù)XRD分析結(jié)果，結(jié)合顯微硬度、抗沖擊韌性等參數(shù)的檢測(cè)，即可確定PCBN刀具材料的最佳燒結(jié)合成工藝參數(shù)。



圖3 Al結(jié)合劑在不同溫度下燒結(jié)后的XRD圖

(3) PCBN刀具材料的增韌措施

采用高含量、細(xì)顆粒CBN為原料制備的PCBN刀具材料，脆性大，切削工件時(shí)由于韌性不足，特別是斷續(xù)切削時(shí)，可能導(dǎo)致崩刃甚至整個(gè)刀片崩碎的現(xiàn)象。因此，需要研究刀具材料的增韌措施。

在表1配方的基礎(chǔ)上，按照原料總量的重量百分比分別摻入不同比例的納米氧化鋯晶須（直徑<300nm，長(zhǎng)徑比在4-10之間）并經(jīng)高溫高壓燒結(jié)，檢測(cè)所得刀具材料的維氏硬度和抗沖擊韌性（見(jiàn)圖4）。




圖4 晶須含量與性能參數(shù)的關(guān)系曲線

如圖4所示，納米晶須對(duì)PCBN刀具材料的性能影響很大，特別是對(duì)抗沖擊韌性的影響更大，但性能改善并不隨納米晶須的添加量而線性提高，而是有一個(gè)最佳范圍。隨著納米晶須含量的增加，PCBN刀具材料的維氏硬度和抗沖擊韌性隨之提高，當(dāng)納米晶須含量增加到某一值時(shí)，維氏硬度達(dá)到最高值，但抗沖擊韌性沒(méi)有達(dá)到最佳，而是隨著納米晶須含量增加到某一比例值時(shí)才達(dá)到最大值。納米晶須的添加比例應(yīng)根據(jù)原料組分、被加工材料和切削狀態(tài)、刀具性能要求及成本進(jìn)行綜合考慮并經(jīng)試驗(yàn)而定，如連續(xù)切削時(shí)可以添加少量的納米晶須以使刀具材料硬度最高，而斷續(xù)加工時(shí)可添加較多的納米晶須進(jìn)行增韌以使抗沖擊韌性最佳。

3 PCBN刀具材料的性能研究

對(duì)采用上述關(guān)鍵技術(shù)制備的PCBN刀具材料進(jìn)行了SEM和EDS分析。圖5和圖6為燒結(jié)后的PCBN刀具材料的SEM圖和EDS圖，從SEM圖可以看出，燒結(jié)合成的PCBN刀具材料性能均勻、致密，EDS分析結(jié)果顯示兩個(gè)區(qū)域內(nèi)成分元素種類與含量一致。




圖5 PCBN材料的SEM




圖6 PCBN材料的EDS圖

將制備后的PCBN刀具材料磨削加工成CNGN120712型號(hào)的刀具，取其中5片刀具進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。此外，取出1片檢測(cè)不同位置的顯微硬度，結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表2和表3可以看出，采用濕式球磨工藝和確定的最佳工藝參數(shù)，刀片不同批次和同刀片的不同位置的顯微硬度相差不大，由此保證了刀片質(zhì)量的穩(wěn)定性。



表2 PCBN材料的顯微硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)表3 PCBN刀片不同位置的顯微硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)



表3 PCBN刀片不同位置的顯微硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 PCBN刀具材料的切削加工試驗(yàn)

被加工工件為汽車剎車盤(pán)，材料為HT250，硬度187-241HBS，精車內(nèi)外表面，其中外端面部分位置為斷續(xù)切削，其余表面為連續(xù)精車。試驗(yàn)切削參數(shù)為：線速度vc=400m/min，切削深度ap=0.3mm，進(jìn)給量f=0.05-0.3mm/r。
切削結(jié)果顯示：PCBN刀具加工汽車剎車盤(pán)的表面粗糙度能夠保證圖紙要求的Ra1.6，通過(guò)改變進(jìn)給量參數(shù)，加工表面粗糙度可以達(dá)到Ra1.6-0.4之間的加工質(zhì)量。圖7為加工后的汽車剎車盤(pán)零件圖。



圖7 精車后的汽車剎車盤(pán)

總結(jié)

（1）通過(guò)大量試驗(yàn)，確定了一種鑄鐵類零件精加工用PCBN刀具材料的配方，材料原料采用細(xì)顆粒CBN和結(jié)合劑，采用不同加工參數(shù)，零件表面可以達(dá)到Ra1.6-0.4的表面粗糙度。
（2）根據(jù)確定的工藝參數(shù)，采用濕式球磨工藝混合粉料，避免了細(xì)顆粒粉體的團(tuán)聚現(xiàn)象，所制備的PCBN刀具材料同體顯微硬度均勻。
（3）借助XRD分析和顯微硬度等現(xiàn)代檢測(cè)手段，確定的PCBN刀具材料最佳燒結(jié)合成工藝參數(shù)更加科學(xué)，可以保證不同批次刀具材料的性能質(zhì)量的穩(wěn)定性。
（4）納米晶須能夠改善PCBN刀具材料的性能，特別是材料的抗沖擊韌性，但納米晶須的添加量有一個(gè)最佳比例，需要通過(guò)試驗(yàn)精確確定，才能滿足重度斷續(xù)切削情況下所要求的最佳抗沖擊韌性。