于 良 鄭光明 楊先海 程 祥 常塏碩 李學(xué)偉

山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，淄博，255000

0 引言

AISI 4340高強度合金鋼憑借自身良好的材料性能，被廣泛用于制造航空、汽車等領(lǐng)域的關(guān)鍵部件，例如軸承、齒輪、軸和凸輪[1-3]。因為AISI 4340鋼具有硬度高、比熱低和易于變硬等特點，所以在加工此類工件的過程中存在切削溫度高、切削力大、刀具磨損嚴重等問題，導(dǎo)致加工表面的精度和質(zhì)量下降。淬硬后的AISI 4340鋼更是難以加工[4-5]。

廣義上的硬切削是指對硬度在50HRC以上的材料進行切削[6]。目前，PCBN刀具憑借強度高、耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特點，被廣泛用于難加工材料加工和硬切削加工中[7-9]。但PCBN刀具在高速硬切削的加工過程中，伴隨著各類磨損現(xiàn)象外，還會產(chǎn)生崩刃、破損等現(xiàn)象[10-11]，致使加工質(zhì)量不穩(wěn)定，刀具壽命短。

研究表明，PCBN刀具切削AISI 4340鋼(54～56HRC)時，刀具主要磨損機理表現(xiàn)為磨粒磨損、黏結(jié)磨損、擴散磨損以及氧化磨損[12]；PCBN刀具切削模具鋼(60～62HRC)和硬化鋼(40～60HRC)時，磨粒磨損、氧化磨損、擴散磨損和崩刃是導(dǎo)致刀具失效的主要原因[13-14]；PCBN刀具切削GCr15淬硬軸承鋼(58～62HRC)時，前刀面的磨損形式主要為月牙洼磨損，在切削刃和月牙洼附近發(fā)生的黏結(jié)和擴散磨損比月牙洼底部更加嚴重，同時后刀面黏結(jié)磨損和擴散磨損最嚴重區(qū)域集中在后刀面切削刃處[15];PCBN刀具高速切削AISI H13模具鋼(53HRC)時，產(chǎn)生的帶狀切屑致使刀具主切削刃產(chǎn)生溝槽，刀具表面黏結(jié)大量的工件材料，由于切屑的傳熱性及摩擦力的產(chǎn)生，導(dǎo)致前刀面發(fā)生黏結(jié)和氧化磨損[16]。

刀具的表面完整性對刀具的切削性能有重要影響。降低刀具表面的粗糙度，能夠減小刀具在切削過程中的摩擦力[17]；提高刀具硬度，能夠提高刀具的耐磨性[18-19]；提高刀具表面殘余應(yīng)力，可以提高刀具基體強度，抑制表面裂紋的產(chǎn)生，提高抗沖擊能力和抗彎強度，提高刀具的壽命[20-21]。

目前刀具表面處理技術(shù)在硬質(zhì)合金涂層刀具上的應(yīng)用比較成熟，對硬質(zhì)合金涂層刀具進行表面處理可有效地提高刀具的表面性能，延長刀具的壽命。對PCBN刀具進行表面處理，同樣可以有效地提高刀具的耐磨性，延長刀具使用壽命。對PCBN刀具進行拋光處理，相比拋光前,拋光后的前刀面月牙洼磨損減少，耐磨性提高[22]。采用激光沖擊技術(shù)強化PCBN刀具能夠延長刀具的疲勞壽命，提高刀具材料的耐磨性[23]，但隨著激光沖擊次數(shù)的增加,刀具表面的粗糙度提高。采用深冷技術(shù)處理涂層刀具可有效地提高刀具的耐磨性和顯微硬度，提高刀具切削性能[24-25]，刀具經(jīng)過深冷處理之后，加工過程中切削力降低，刀具壽命顯著提高[26-27]。對CBN刀具進行液氮深冷處理，與未經(jīng)處理的刀具相比，深冷處理后的刀具刀面磨損和表面粗糙度均較小，加工工件的表面光潔度更好[28]。

本文采用液氮深冷處理技術(shù)對PCBN刀具進行表面處理，分析深冷處理前后，刀具表面完整性的變化，探究深冷處理對刀具磨損形式、磨損機理及刀具壽命的影響，為PCBN刀具的表面處理技術(shù)提供理論參考，為高質(zhì)量、高效加工提供技術(shù)支持。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗刀具和工件材料

深冷處理試驗刀具選用沃爾德公司(北京)定制的焊接型PCBN刀具，刀具基體為硬質(zhì)合金，刀具型號為CNGA120404-2N，刀尖半徑0.4 mm，刀桿型號MCLNR2020K12。工件材料為AISI 4340鋼，硬度為(53±1)HRC，工件初始為直徑150 mm、長度300 mm的圓柱棒料,其主要物理性能和化學(xué)成分見表1和表2[29]。

表1 AISI 4340鋼的主要物理性能

表2 AISI 4340鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

1.2 深冷處理試驗

采用北京中科法威普科技有限公司生產(chǎn)的程序控制深冷箱(SLX-6R)進行深冷處理試驗，以液氮作為制冷劑，滿足降溫及環(huán)保需求。深冷箱溫度控制范圍為-190～180 ℃，降溫、升溫速率均為1 ～ 10 ℃/min，低溫控溫精度為±5℃。刀具放在深冷箱內(nèi)，打開液氮閥門進行深冷處理。刀具深冷保溫時間結(jié)束后緩慢恢復(fù)到室溫，將刀具拿出放入電阻爐(上海全碩電爐有限公司，QSH-1200M-2020T箱式電阻爐，最高爐溫1200 ℃，升溫速率0～20 ℃/min)中進行回火處理，其中處理溫度150 ℃，升溫速率2 ℃/min，保溫2 h，之后隨爐冷卻到室溫。刀具深冷參數(shù)如表3所示。

表3 刀具深冷處理參數(shù)

1.3 PCBN刀具表面完整性檢測

PCBN刀具經(jīng)深冷處理后，使用酒精溶液進行超聲波清洗，時間10 min，去除表面雜質(zhì)即可。采用顯微維氏硬度計(HVS-1000A)測量刀具表面的顯微硬度，每把刀具測量5次取平均值；采用白光干涉表面輪廓儀(型號Veeco NT9300)測試刀具表面粗糙度，每把刀具測量3次取平均值；采用Quanta250掃描電子顯微鏡觀察刀具表面形貌(SEM)；采用X射線殘余應(yīng)力測試儀(X-stress 3000)測試刀具表面殘余應(yīng)力，每把刀具測量3次取平均值。采用X射線衍射儀(Smartlab 9kW)分析刀具基體中的物相，靶材為銅靶，測量范圍10°～90°，掃描速度 4°/min。

1.4 高速硬切削試驗

將深冷處理后的刀具進行切削試驗，試驗在大連機床廠CDK6136i數(shù)控車床(主軸最大轉(zhuǎn)速為3000 r/min)上進行，切削方式為連續(xù)外圓干車削，切削速度v=300 m/min，進給量f=0.1 mm /r，背吃刀量ap=0.1 mm。硬切削試驗設(shè)計如圖1所示。

圖1 硬切削試驗設(shè)計Fig.1 Hard cutting test design

切削過程中每進給100 mm后使用USB200便攜式數(shù)字顯微鏡觀察后刀面磨損量，測量5次取平均值，以后刀面磨損量VB=0.3 mm為刀具失效標(biāo)準(zhǔn)。切削試驗結(jié)束后對刀具進行超聲清洗，采用Quanta250掃描電子顯微鏡觀察刀具表面形貌(SEM),同時采用能譜儀(EDS)分析刀具元素變化。

2 試驗結(jié)果

2.1 深冷處理對PCBN刀具表面完整性的影響

2.1.1PCBN刀具表面形貌和表面粗糙度

刀具表面的粗糙度和刀具表面形貌對刀具的切削性能有直接影響，刀具表面缺陷越少，刀具形貌越好，表面粗糙度越低，刀具的切削性能越好[30]。圖2所示為深冷處理時間對PCBN刀具表面形貌的影響。由未處理刀具表面微觀圖可知，其中黑色的大顆粒為立方氮化硼，周圍包圍灰白的物質(zhì)是結(jié)合劑，結(jié)合劑緊密地包裹著立方氮化硼顆粒。在立方氮化硼顆粒之間的區(qū)域存在縮松縮孔現(xiàn)象，原因是在高溫高壓的燒結(jié)過程中，溫度分布不均勻，立方氮化硼顆粒之間結(jié)合情況不佳，刀具基體燒結(jié)密度降低，燒結(jié)強度不夠，導(dǎo)致縮松縮孔等表面形貌缺陷增多，降低了刀具表面的質(zhì)量。

圖2 深冷處理時間對PCBN刀具表面形貌和粗糙度Ra影響Fig.2 Effect of cryogenic treatment time on surface morphology and roughness Ra of PCBN tool

圖2還示出了深冷處理時間對PCBN刀具表面粗糙度Ra的影響。深冷3 h時表面粗糙度值增大，之后減??；在深冷6 h時達到所有深冷處理參數(shù)下的最佳表面粗糙度值0.122 μm，與未處理刀具表面粗糙度0.120 μm相比，表面粗糙度增大，但變化幅度不大；深冷12 h、18 h表面粗糙度值略有增大并趨于穩(wěn)定。由此可知，深冷處理后刀具表面粗糙度沒有提高，原因是深冷處理工藝是在低溫環(huán)境下對刀具整體進行溫度處理，不像噴丸、拋光等技術(shù)直接作用于刀具表面，即深冷處理對刀具表面的直接作用程度較弱。此外，深冷處理過程中隨著溫度的降低和深冷時間的增加，刀具表面收縮變形會引起表面粗糙度值增大。

由圖2可知，深冷3 h、6 h后刀具的表面形貌開始有改善，表面縮松縮孔等現(xiàn)象明顯減少。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是在深冷溫度-190 ℃的環(huán)境下，體積收縮，使晶粒之間的缺陷彌合，從而提高了刀具表面的致密度。另外，在深冷環(huán)境中原子之間的動能被部分轉(zhuǎn)移，使得縮松縮孔現(xiàn)象減少，原子之間結(jié)合得更加緊密。隨著深冷保溫時間的增加，深冷12 h、18 h后，刀具表面縮松縮孔現(xiàn)象進一步減少，刀具基體強度和致密度進一步提高，立方氮化硼顆粒之間的結(jié)合形態(tài)開始趨于平穩(wěn)。與其他深冷處理參數(shù)相比，深冷18 h的刀具表面平整、細密，縮松縮孔等缺陷減少甚至消失，表面形貌最好。

由以上結(jié)果可知，深冷處理的PCBN刀具的表面粗糙度與表面形貌并沒有直接的聯(lián)系，深冷處理對表面形貌影響較大，對表面粗糙度影響較小。

2.1.2PCBN刀具表面殘余應(yīng)力和表面顯微硬度

圖3所示為深冷處理時間對PCBN表面殘余應(yīng)力的影響。隨著深冷時間的增加，刀具表面殘余應(yīng)力(絕對值)不斷增大。原因是深冷處理引起的收縮可使刀具材料本身存在的微小缺陷(如縮松縮孔、應(yīng)力集中部位)減少，降溫過程中在空位表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力可以減弱缺陷對刀具材料局部強度的影響。另外，刀具材料在低溫環(huán)境下產(chǎn)生塑性變形，宏觀應(yīng)力的增大導(dǎo)致刀具材料內(nèi)部晶格產(chǎn)生滑移，刀具材料微觀殘余應(yīng)力也會相應(yīng)地增大。

圖3 深冷處理時間對PCBN刀具表面殘余應(yīng)力的影響(-190 ℃)Fig.3 Effect of cryogenic treatment time on surfaceresidual stress of PCBN tool(-190 ℃)

圖4所示為深冷處理時間對PCBN刀具表面顯微硬度的影響。隨著深冷時間的增加，刀具表面的顯微硬度不斷增大。原因是刀具材料在低溫環(huán)境中產(chǎn)生變形，且變形量隨著深冷時間的增加而增大，機械性能也隨之變化，隨著變形能量的不斷增大，晶粒破碎逐漸加強，位錯能量密度增大，畸變增多，且導(dǎo)致材料表面組織和晶粒細化，進而導(dǎo)致晶界面積增大，位錯運動阻力增大，起到強化的作用，因此在宏觀上表現(xiàn)為顯微硬度的增大。

圖4 深冷處理時間對PCBN刀具表面顯微硬度的影響(-190 ℃)Fig.4 Effect of cryogenic treatment time on surfacemicrohardness of PCBN tool(-190 ℃)

由以上結(jié)果可知，深冷處理可以顯著增大PCBN刀具的表面殘余應(yīng)力和表面顯微硬度。

2.1.3PCBN刀具物相

圖5所示為不同深冷處理時間后的XRD圖譜，表4所示為XRD掃描后得到的基體中各相元素含量，刀具材料有TiB2、cBN、TiN、AlN 4種物相?？梢园l(fā)現(xiàn)：在低溫的作用下，深冷處理之后刀具并沒有產(chǎn)生新的相，原因是PCBN材料是在高溫高壓的條件下對cBN和黏結(jié)劑進行燒結(jié)，相互反應(yīng)并產(chǎn)生新的物相而制成，在低溫-190 ℃的環(huán)境下不具備新相產(chǎn)生的條件。隨著深冷時間的增加，刀具基體中各個相的含量比例會增大或減小，原因之一可能是物相檢測過程中產(chǎn)生誤差(XRD半定量分析物相含量相對誤差在5%～10%左右)，原因之二是在深冷處理的降溫、升溫及回火過程中，在溫度的變化過程中，各物相相互之間發(fā)生了轉(zhuǎn)變，但是物相含量變化不大?？芍罾涮幚韺CBN刀具材料物相的影響很小。

圖5 不同深冷處理時間后的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns after different cryogenictreatment times

表4 各衍射峰積分強度百分比(質(zhì)量分數(shù))

2.2 深冷處理對PCBN刀具切削性能的影響

2.2.1深冷處理對PCBN刀具切削壽命的影響

圖6所示為不同表面完整性參數(shù)對PCBN刀具切削壽命的影響?？梢钥吹剑荷罾涮幚砗蟮毒吲c未處理刀具相比壽命均有所提高，深冷處理18 h的刀具獲得最佳的刀具切削壽命，達到磨損標(biāo)準(zhǔn)時，與未處理刀具相比刀具壽命提高幅度為24.78%。其次是深冷6 h的刀具，刀具壽命提高幅度為19.57%。由未處理刀具和深冷處理之后刀具的表面完整性參數(shù)(圖6)可知，未處理刀具的表面粗糙度值最佳，深冷處理6 h的刀具獲得了所有經(jīng)深冷處理的刀具中最佳的表面粗糙度。深冷處理12 h刀具的表面的顯微硬度達到最大值。深冷處理18 h刀具獲得最佳的表面形貌，刀具表面殘余應(yīng)力達到最大值。深冷6 h的刀具比深冷12 h的刀具壽命高2.89%，刀具表面粗糙度和表面顯微硬度分別比深冷12 h刀具的相應(yīng)值低4.1%和4.4%，表面殘余應(yīng)力高3.3%，可知深冷6 h刀具壽命更高的原因在于其更低的表面粗糙度和更大的殘余壓應(yīng)力。深冷18 h的刀具獲得了最佳的表面形貌、表面殘余應(yīng)力，其表面顯微硬度與深冷12 h的表面顯微硬度相差很小，刀具壽命最長，說明了在表面完整性參數(shù)中，表面形貌和表面殘余應(yīng)力對PCBN刀具壽命的影響較大，刀具表面顯微硬度和粗糙度的影響較小。

圖6 不同表面完整性參數(shù)對PCBN刀具切削壽命的影響Fig.6 Effect of different surface integrity parameterson cutting life of PCBN tool

2.2.2刀具表面完整性對PCBN刀具磨損機理的影響

圖7所示為未處理刀具和深冷6 h刀具、深冷18 h刀具(取刀具壽命最好的兩種參數(shù))三種刀具在磨損值達到0.3 mm時的前刀面磨損形貌。從圖中可以看出在三種刀具的前刀面均出現(xiàn)了黏結(jié)物和月牙洼現(xiàn)象，月牙洼出現(xiàn)在靠近刀具的切削刃和負倒棱處的前刀面上，原因是切屑和刀具接觸時伴隨著高溫高壓，接觸區(qū)域出現(xiàn)熱軟化、擴散等現(xiàn)象，切屑和刀具材料黏結(jié)并帶走刀具材料，最終形成了月牙洼。前刀面切削刃處均出現(xiàn)了一條磨損帶，原因是在切削過程中高溫切屑流過刀具表面，二次產(chǎn)生大量的熱，并伴隨著擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力，切屑在帶走切削熱的同時也帶走了刀具表面的材料，導(dǎo)致切削刃和負倒棱被磨損成傾斜面。相比于深冷6 h和深冷18 h的刀具，未處理刀具的月牙洼底部和負倒棱磨損處出現(xiàn)了切屑黏結(jié)現(xiàn)象，原因是深冷處理后的刀具硬度上升，耐磨性提高，切削過程中刀具磨損降低，切削溫度低不容易產(chǎn)生黏結(jié)物堆積與積屑瘤。

(a)未處理

(b)深冷6 h

(c)深冷18 h圖7 刀具前刀面磨損Fig.7 Wear morphology of rake face

圖8所示為刀具前刀面EDS圖。從圖中可以看出三種刀具的前刀面上出現(xiàn)了C、Si、P、Mn等工件元素，證明發(fā)生了黏結(jié)磨損。其中，未處理刀具前刀面a處(圖7a)的O元素含量為42.7%，對應(yīng)深冷18 h刀具前刀面c區(qū)域(圖7c)的O元素含量為23.1%；未處理刀具b處(圖7a)的O元素含量為11.54%，對應(yīng)深冷18 h刀具前刀面d區(qū)域(圖7c)的O元素含量為8.26%。O元素含量越高說明位于刀面處的氧化物越多，氧化磨損越嚴重。上述結(jié)果說明深冷18 h的刀具能夠有效地減少氧化磨損。原因是深冷處理之后刀具的硬度增大，耐磨性增大，切削溫度降低，另外殘余壓應(yīng)力的增大能夠有效地抑制刀具表面裂紋的產(chǎn)生，降低了刀具與工件材料之間的親和性，從而降低了氧化磨損的程度。

(a)未處理刀具前刀面區(qū)域a

(b)未處理刀具前刀面區(qū)域b

(c)深冷18 h刀具前刀面區(qū)域c

(d)深冷18 h刀具前刀面區(qū)域d圖8 刀具前刀面EDS圖Fig.8 EDS diagram of tool rake face

圖9所示為未處理刀具和深冷6 h刀具、深冷18 h刀具三種刀具在磨損值達到0.3 mm時的后刀面磨損形貌。由圖可見在三種刀具后刀面的磨損區(qū)域存在黏結(jié)層、微崩刃和劃痕現(xiàn)象。在連續(xù)切削的過程中切削刃持續(xù)受到切削力的沖擊，切削過程不穩(wěn)定，PCBN刀具硬度高、脆性大容易發(fā)生微崩刃。在高速切削過程中，刀具和工件材料相互接觸，刀具中的黏結(jié)物質(zhì)硬度相對較低，切削過程中被工件的硬質(zhì)顆粒磨損掉，cBN硬質(zhì)顆粒隨之脫落，在刀具與工件接觸面滾動摩擦造成了磨粒磨損。與深冷6 h的刀具相比，未處理刀具后刀面出現(xiàn)了大面積高溫?zé)g的現(xiàn)象，原因是深冷6 h之后，刀具表面硬度高，耐磨性好，殘余壓應(yīng)力增大，從而提高了刀具的抗沖擊能力，切削過程穩(wěn)定，切削溫度低，避免了高溫損傷；深冷18 h之后的刀具，在后刀面切削刃處也出現(xiàn)了小面積的燒蝕，原因是刀具深冷18 h后的表面粗糙度要略高于未處理和深冷6 h的刀具，粗糙度大，摩擦磨損增大極易出現(xiàn)燒蝕、黏結(jié)現(xiàn)象，又因為刀具深冷18 h后殘余壓應(yīng)力和硬度都得到了提高，耐磨和耐熱性能增強，所以只出現(xiàn)了小面積的燒蝕現(xiàn)象。

(a)未處理

(b)深冷6 h

(c)深冷18 h圖9 后刀面磨損形貌Fig.9 Wear morphology of flank face

圖10為刀具后刀面EDS圖。從圖中可以看出三種刀具的后刀面磨損區(qū)域均出現(xiàn)了Cr、C、Si、P、Mn等工件元素，證明后刀面發(fā)生了黏結(jié)磨損。其中未處理刀具后刀面a處的O元素含量為24.55%，對應(yīng)深冷18 h刀具后刀面c區(qū)域的O元素含量為5.99%，未處理刀具b處的O元素含量為23.07%，對應(yīng)深冷18 h刀具后刀面d區(qū)域的O元素含量為5.48%。此結(jié)果同樣說明深冷18 h的刀具能夠有效地減少氧化磨損。

(a)未處理刀具后刀面區(qū)域a

(b)未處理刀具后刀面區(qū)域b

(c)深冷18 h刀具后刀面區(qū)域c

(d)深冷18 h刀具后刀面區(qū)域d圖10 刀具后刀面EDS圖Fig.10 EDS diagram of tool flank face

3 結(jié)論

(1)液氮深冷處理PCBN刀具，主要作用機理是對刀具表面產(chǎn)生低溫強化從而起到增強作用，主要影響刀具表面殘余應(yīng)力和表面形貌，對表面顯微硬度影響較大，對表面粗糙度影響較小。

(2)深冷18 h可有效減少刀具表面縮松縮孔等原始缺陷，獲得最佳刀具表面形貌和最大殘余壓應(yīng)力，深冷12 h可獲得最大表面顯微硬度。深冷6 h刀具的表面粗糙度是所有深冷參數(shù)中最好的，但與未處理刀具相比粗糙度仍稍有升高。

(3)PCBN刀具經(jīng)過深冷處理之后，刀具壽命均有不同程度的提高。深冷18 h的刀具壽命最高，與未處理刀具相比提高了 24.78%，由表面完整性可知，表面形貌和表面殘余壓應(yīng)力對刀具壽命影響較大，其次是刀具表面顯微硬度，表面粗糙度對刀具壽命影響較小。從而說明深冷處理是有效的PCBN刀具表面處理工藝。

(4)深冷處理6 h、18 h的PCBN刀具，在高速硬切削高強鋼后磨損程度得到改善，刀具前刀面切屑黏結(jié)等現(xiàn)象減少或消失，刀具后刀面氧化磨損低，刀具耐磨性提高。