何同繼，謝皆睿，王 巍，王 石，王一樺，趙靜楠

(1.中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 100018；2.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

立方氮化硼(cBN)具有超高硬度，是一種難加工的陶瓷材料.聚晶立方氮化硼(PCBN)具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，工業(yè)上已被用作金剛石的替代品.PCBN不與黑色金屬反應(yīng)，抗氧化能力強(qiáng)[1]，是加工硬鑄鐵、高鉻合金鋼、高強(qiáng)度鎳超合金、粉末金屬合金及金屬基復(fù)合材料的理想工具材料[2].PCBN刀具坯料由細(xì)小晶體組成，在高溫高壓條件下與金屬(Co)或其他黏結(jié)劑燒結(jié)而成.常用的黏結(jié)劑相包括鎳[3]、碳酸鎂[4-5]和陶瓷(AlN 和 TiN).氮化硼與碳類(lèi)似，既存在類(lèi)金剛石 sp3鍵合相(cBN和wBN)，也存在類(lèi)石墨 sp2鍵合相(hBN和 rBN)，在高溫高壓下，這兩種相之間會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化[6].此外，sp2鍵結(jié)構(gòu)比 sp3鍵結(jié)構(gòu)占有更大的體積[7]，因此轉(zhuǎn)化后的材料有膨脹原材料的趨勢(shì)并產(chǎn)生較大的相變應(yīng)力.

PCBN工具通常有兩種形式：固態(tài)緊湊型或與碳化鎢基體復(fù)合型.PCBN在加工過(guò)程中提供了高耐磨性，碳化鎢基板提供了所需的韌性和低成本，使復(fù)合工具成為制造廠(chǎng)的理想選擇.PCBN坯料的厚度范圍為 1.6～4.8mm，可用于制造圓形、方形、菱形和三角形的刀片，以適應(yīng)不同行業(yè)的特殊用途.

PCBN刀具毛坯硬度極高，加工難度較大.在刀具生產(chǎn)過(guò)程中，材料加工速度是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn).目前有很多 PCBN加工方法的研究，但尚未有最優(yōu)的方法可滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)率所要求的速度、加工精度和成本效益的結(jié)合.目前 PCBN刀具的制造方法主要有金剛石鋸、電火花加工、線(xiàn)切割和Nd：YAG激光切割等，這些方法速度慢、精度低.由于刀具磨損較快且加工過(guò)程較慢，金剛石磨削加工主要用于精加工.PCBN 的電火花加工(EDM)[8-9]和電火花磨削(EDG)[3,10]加工成本高、速度慢、效率低.如果待切削材料不導(dǎo)電(例如帶 AlN 黏結(jié)劑的 PCBN)，則無(wú)法使用電火花加工.線(xiàn)切割自動(dòng)化程度高，但價(jià)格昂貴，同時(shí)由于 PCBN中 cBN單晶顆粒不導(dǎo)電，線(xiàn)切割加工難度大，易斷絲.常規(guī) Nd：YAG 激光切割存在顆粒形成(由于氣化)和熱損傷等問(wèn)題，其切口普遍較大，材料損失較多.水射流/激光誘導(dǎo)技術(shù)[11]是由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)的全新技術(shù)，可以精確切割 PCBN材料獲得較小的切口和良好的表面光潔度.與傳統(tǒng)的激光加工和電火花加工相比，其公差要小得多.然而，該工藝的切割速度非常慢，據(jù)報(bào)道，每切割一個(gè)零件需要 120道工序，每道工序的切割速度為25mm/s，切割厚度為1.6mm[11-14].

為提高 PCBN[4]的加工效率和質(zhì)量，本課題組開(kāi)發(fā)了一種連續(xù)波 CO2激光與水射流(LWJ)相結(jié)合的新工藝.CO2-LWJ加工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高功率激光加熱和低壓水射流淬火，實(shí)現(xiàn)了裂紋萌生和沿切削路徑的傳播控制.已完成的實(shí)驗(yàn)表明，單次切割速度可達(dá)42.3mm/s.CO2-LWJ的優(yōu)勢(shì)在于比傳統(tǒng)的 Nd：YAG激光器加工具有更小的切口(切口寬度可以達(dá)到微米級(jí))、較好的表面光潔度、非常小的熱影響區(qū)和更快的切削速度.

1 材料與方法

切割實(shí)驗(yàn)的樣品是一種以碳化鎢(WC)為底板的雙層 PCBN材料.材料厚為 1.6mm，其中 PCBN厚度為 1mm，剩余部分為碳化鎢基板.PCBN的組成為 cBN和黏結(jié)劑，二者各占質(zhì)量的 50%，黏結(jié)劑的組成為氮化鈦.不同材料的性能見(jiàn)表1.首先用0.2mm 聚焦激光束進(jìn)行單道直線(xiàn)切割，形成初始凹槽.此后采用激光水射共同作用的工藝，離焦光斑為0.5mm，使現(xiàn)有裂紋在整個(gè)試件中延展.激光功率維持在400W，激光掃描速度維持在42.3mm/s，激光器能量密度為 3.18×106kJ/m2.

表1 PCBN、hBN、WC的材料性能Tab.1 Material properties of PCBN，hBN and WC

所有的實(shí)驗(yàn)均采用波長(zhǎng) 10.6μm 的連續(xù)波 CO2激光器.切割樣品安裝在由數(shù)控系統(tǒng)控制的數(shù)控平臺(tái)上.激光光束通過(guò)一個(gè) 127mm 聚焦透鏡，在樣品表面照射 0.2mm的聚焦光斑.通過(guò)調(diào)節(jié)激光頭與樣品表面的距離，可以實(shí)現(xiàn)離焦.水射流在試樣表面以2mm的距離跟隨激光束.所有實(shí)驗(yàn)均保持恒水壓(0.4MPa).激光束周?chē)諝鈮毫?5kPa，以防止激光與水射流的直接相互作用.

采用掃描電鏡(JEOL JSM-606LV 型，20kV)對(duì)切削質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)切削特征進(jìn)行了表征.采用光學(xué)顯微鏡測(cè)量切口深度.利用拉曼光譜對(duì)橫切面和未切割的樣品中存在的材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析.

2 理論分析

通過(guò)斷裂力學(xué)分析，確定 PCBN-WC試樣激光水射流加工實(shí)驗(yàn)的裂紋擴(kuò)展行為.由圖1可知：在激光掃描的作用下，材料沿激光的掃描路徑產(chǎn)生水平和垂直的微裂紋，破壞了材料原介質(zhì)的連續(xù)性.由于慣性力和載荷在微裂紋附近集中，導(dǎo)致裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而使材料沿著激光掃描路徑和垂直于激光掃描路徑的V型口擴(kuò)展.激光掃描使材料表面受熱，產(chǎn)生局部切割，導(dǎo)致裂紋成形和擴(kuò)展.在隨后的激光水射流復(fù)合加工開(kāi)始時(shí)，試樣的邊緣會(huì)產(chǎn)生裂紋.隨著激光束的移動(dòng)，現(xiàn)有的裂紋沿著 LWJ路徑向板的中心擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了材料的分離.

圖1 裂紋擴(kuò)展機(jī)制Fig.1 Crack propagation mechanism

3 結(jié)果與討論

CO2-LWJ聚焦和離焦光束切割PCBN-WC試樣的照片如圖2所示.

圖2 CO2-LWJ聚焦和離焦光束切割 PCBN-WC試樣結(jié)果圖Fig.2 Results of cutting PCBN-WC samples with CO2-LWJ focusing and defocusing beams

在之前對(duì)固體 PCBN的切割研究中，成功地利用單通道聚焦 LWJ光束實(shí)現(xiàn)了材料的分離.但由于碳化鎢的高韌性，即使在相同的切削條件下，以碳化鎢為基體的 PCBN也不能進(jìn)行切削.增加能量輸入會(huì)導(dǎo)致試樣的破壞性崩裂和不受控制的斷裂(圖2(a)).由于采用聚焦光束切割實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，隨后的實(shí)驗(yàn)引入聚焦與離焦相結(jié)合的激光水射流加工工藝，實(shí)現(xiàn)了裂紋可控并且切口較小的加工完成度.首先，聚焦的 LWJ光束在沒(méi)有物質(zhì)分離的情況下產(chǎn)生表面切痕(圖2(b)).然后進(jìn)行激光水射流離焦光束加工，成功地實(shí)現(xiàn)了該雙層試樣的穿透切割，且沒(méi)有造成太大的表面損傷(圖2(c)).雖然有時(shí)仍能觀(guān)察到側(cè)向裂縫，但與聚焦切割(圖2(d))相比明顯減少.

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)試樣橫截面的顯微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖3所示，其中圖3(a)為三層不同表面形貌的橫截面.

圖3 掃描電鏡(SEM)下試樣橫截面的顯微結(jié)構(gòu)特征Fig.3 Microstructural characteristics of cross section of samples under scanning electron microscope(SEM)

對(duì)整個(gè)厚度的多個(gè)位置進(jìn)行拉曼光譜分析，結(jié)果如圖4所示.頂層為 LWJ系統(tǒng)加工區(qū)域，沒(méi)有 cBN相，但在 1160、1370、1530cm-1附近出現(xiàn)了幾個(gè)新的波峰.其中1370cm-1處的吸收峰為hBN相，證明了在激光加熱和水射流加工過(guò)程中，發(fā)生由原來(lái)的PCBN到hBN的相變.1560cm-1處的吸收峰為碳化硼峰，被認(rèn)為是線(xiàn)性鏈的不對(duì)稱(chēng)拉伸所致.此外，1530～1560cm-1處的吸收峰為 LWJ切割時(shí)黏結(jié)劑化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的碳簇峰.拉曼結(jié)果驗(yàn)證了激光加工區(qū)域的相變，因此在 SEM 照片中標(biāo)記為相變區(qū)(圖3(a)).斷裂形貌的中間層僅在 1057cm-1和1302cm-1處出現(xiàn) cBN的吸收峰，與未加工試樣組成相同，如圖3(a)所示為斷裂帶.底層標(biāo)記為 WC區(qū)，是由裂紋在 WC材料中的擴(kuò)展而形成的.根據(jù)圖中顯示，相變PCBN-WC樣本的深度約400μm.離焦光束在較深區(qū)域內(nèi)對(duì)材料的相變轉(zhuǎn)化是單通道聚焦光束的兩倍.圖3(b)為PCBN與WC界面間橫向裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的剝落 PCBN層.圖3(c)為轉(zhuǎn)化材料的剝落和從轉(zhuǎn)化區(qū)底部開(kāi)始橫向微裂紋的萌生.嚴(yán)重的損壞不僅造成材料的浪費(fèi)，而且給樣品的后處理帶來(lái)不便，需要后續(xù)以精加工的方式完成材料的切削.

圖4 相變區(qū)和斷裂帶的拉曼光譜Fig.4 Raman spectrum of transformed zone and fracture zone

4 結(jié) 語(yǔ)

在 1.6mm碳化鎢基體上進(jìn)行 LWJ切割 PCBN的實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)為 42.3mm/s和400W.采用單道聚焦光束直線(xiàn)切割，形成初始凹槽后進(jìn)行離焦激光與水射流共同作用的新方法，成功地實(shí)現(xiàn)了全切割.在集中切削過(guò)程中出現(xiàn)橫向裂紋，與集中切削相比，激光水射加工能明顯抑制不受控制的橫向裂紋.

單道聚焦光束直線(xiàn)切割致使試樣表面首先產(chǎn)生劃痕，然后在離焦激光與水射流的共同作用下部分立方氮化硼沿切割路徑相變?yōu)榱降?由于 hBN比 cBN占有更大的體積，這導(dǎo)致周?chē)牧系睦鞈?yīng)力受約束膨脹和擴(kuò)展，應(yīng)力驅(qū)動(dòng)激光加工的溝槽沿厚度方向傳播，使試樣分離，完成材料的切割.即在相變引起的體積膨脹所施加的應(yīng)力場(chǎng)作用下，通過(guò)控制斷裂擴(kuò)展，證明了材料的分離機(jī)理，由此為提高立方氮化硼材料的加工質(zhì)量提供了一種新的思路.