PCBN刀具的磨损方式

　　以下为PCBN刀具常见的几种磨损破坏方式

　　A. 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。

　　B. 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。

　　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。

　　C. 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。

　　D. 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。

　　E. 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。

　　F. 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。

　　G. 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。

　　H. 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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