粉末高溫合金與其他的鑄造和變形高溫合金相同，含有許多高熔點(diǎn)合金元素，例如，F(xiàn)GH95(FG02-01)粉末高溫合金就含有鉻、鈷、鉬、鈮、鎳、鐵、鉭等。這種粉末高溫合金是先將合金制成粉末，經(jīng)熱等靜壓成形，再經(jīng)鍛造而制成的。粉末高溫合金的g'相含量約為50%(體積)，組織均勻，晶粒細(xì)小，屈服強(qiáng)度高，抗疲勞性能好，可用于制造渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪盤等。由于g'相含量高，且彌散分布于晶粒間，使粉末高溫合金得到很大的強(qiáng)化效應(yīng)，且在相當(dāng)高的溫度范圍內(nèi)，隨溫度升高，其硬度反而有所提高，使切削加工性很差。車削時，若采用硬質(zhì)合金刀具，則刀具磨損十分嚴(yán)重，為此，國內(nèi)外相繼研究采用新刀具材料加工粉末高溫合金，與YD15和YG10HT等硬質(zhì)合金刀片的切削壽命相比，立方氮化硼(CBN)刀片的切削壽命可提高很多倍。試驗結(jié)果表明，CBN刀片是精車、半精車粉末高溫合金的一種理想的刀具材料。
1 試驗用CBN刀片及刀具幾何參數(shù)
CBN刀片
目前所用的CBN 刀片有CBN聚晶體型和CBN與硬質(zhì)合金的復(fù)合聚晶型，前者稱作聚晶CBN刀片，后者稱作復(fù)合聚晶CBN刀片。復(fù)合聚晶CBN刀片的基底是硬質(zhì)合金(圖1)，其目的是使刀片既有超硬層的高硬度，又有硬質(zhì)合金相對較高的韌性，并可節(jié)約昂貴的超硬材料。CBN刀片的切削性能優(yōu)越，不僅可用來加工淬硬的材料，而且可加工其他難加工材料。
本課題采用了圖1所示的美國通用電器公司(GE)生產(chǎn)的復(fù)合聚晶CBN刀片(以下簡稱CBN刀片)，其牌號為GE6000，其中含有96%的CBN及4%的Co。CBN基底為硬質(zhì)合金(WC+Co)，在高溫高壓條件下，Co從擴(kuò)散源(硬質(zhì)合金)基體出發(fā)，沿CBN晶界形成Co網(wǎng)絡(luò)。提高這種CBN刀片質(zhì)量的關(guān)鍵是減小CBN層與硬質(zhì)合金層之間的應(yīng)力差。 。晶界處富集著“雜質(zhì)組元”，因而在切削力沖擊作用下，CBN刀片會發(fā)生顆粒剝落或微崩刃。由此看出，使用CBN刀片切削時，機(jī)床剛度應(yīng)較高，而且切削過程中的切削力應(yīng)基本穩(wěn)定。
車削FGH95粉末高溫合金的刀具幾何參數(shù)刀具幾何參數(shù)對CBN刀片的切削壽命有很大影響。刀具宜取負(fù)前角，對于精車刀具，可用0°～-10°；對于半精車刀具可超過-10°；。刀具后角可在6°～12°范圍內(nèi)選取。為了增強(qiáng)刀刃，可采用負(fù)倒棱和刀尖圓弧，負(fù)倒棱寬度br1可取0.1mm，負(fù)前角gr1可取-10°～-20°，刀尖圓弧半徑re可取0.5～1mm。
本項試驗所采用的CBN刀具的幾何參數(shù)見圖3。由于機(jī)夾刀具的刀夾底面傾斜6°，故實(shí)際的工作前角g0=-6°，實(shí)際的工作后角a0=6°，實(shí)際的負(fù)倒棱前角g01=-21°。
2 車削粉末高溫合金的刀具磨損特征
用硬質(zhì)合金刀具車削粉末高溫合金時，刀具磨損劇烈，很快失效。刀具的磨損形貌見圖4(工件材料：FGH95；刀片材料：YT726；切削用量：v=15m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r)。圖4(a)示出后刀面磨損，既包含了主后刀面磨損，又包含了副后刀面磨損，因而在刀尖區(qū)形成了三角形磨損帶，后刀面磨損值VB=0.15mm，該磨損值是在刀片的切削路程l僅為3.6m的條件下形成的；圖4(b)示出硬質(zhì)合金刀尖塌陷的形貌，這是由于在較大切削力和切削溫度作用下，刀片表面層出現(xiàn)塑性變形而造成的；圖4(c)示出刀具前刀面的磨損凹坑，硬質(zhì)合金已崩碎，而且因刀具表面與粉末高溫合金粘結(jié)的原因，使硬質(zhì)合金微粒隨切屑一同帶走，形成了刀具材料的局部剝落，切削刃已呈現(xiàn)須狀崩碎紋。由此可見，用硬質(zhì)合金刀片車削粉末高溫合金的刀具磨損是相當(dāng)嚴(yán)重的，在經(jīng)歷很短的切削路程條件下，也難以保證必要的加工精度。
用CBN刀片車削粉末高溫合金時，刀具磨損量很小，若在掃描電鏡下觀察刀具后刀面，可發(fā)現(xiàn)刀刃并無缺損，僅沿主刀刃和副刀刃處有一條白帶，見圖5(工件材料：FGH95；刀具材料：GE6000；切削用量：v=70m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r；切削距離l=151m)。圖中右邊示出CBN刀片車削FGH95粉末高溫合金時形成的帶狀切屑。這條白帶是一層粘附物，是粘結(jié)在刀具表面上的粉末高溫合金材料，呈層疊云霧狀。主后刀面和副后刀面的粘附物形態(tài)示于圖6(切削條件與圖5相同)。從整體上看，CBN車刀車削粉末高溫合金的后刀面粘附與硬質(zhì)合金車削時不同，CBN車刀的粘附物較少，只有極薄的一層，而且粘附寬度很窄。圖示的粘附物寬度不大于100µm；硬質(zhì)合金車刀的粘附量則較大，接觸區(qū)的粘結(jié)層已產(chǎn)生周期性局部破壞。
3 CBN刀片車削粉末高溫合金的刀具磨損機(jī)理
用具有負(fù)前角和負(fù)倒棱的CBN刀片車削FGH95粉末高溫合金時，切屑呈暗紅色的“半熔態(tài)”，沿副刀刃方向流出，切削溫度很高。在高溫高壓作用下，CBN刀片不僅易與粉末高溫合金材料相互粘結(jié)，造成粘結(jié)磨損，而且會出現(xiàn)氧化磨損和相變磨損；若受到?jīng)_擊力，還會產(chǎn)生CBN顆粒剝落和微崩刃。
CBN刀片的粘結(jié)磨損
切削過程中，CBN刀片前、后刀面的摩擦區(qū)里，存在微觀突出點(diǎn)的接觸，這些接觸點(diǎn)的接觸壓強(qiáng)很高，從而破壞了刀具表面上形成的氧化膜，使刀具表面與被加工粉末高溫合金之間容易產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象。如果在CBN和粉末高溫合金內(nèi)同時發(fā)生斷裂，就產(chǎn)生了磨損粉末，生成粘結(jié)磨損。粘結(jié)磨損是壓力和溫度的函數(shù)。出現(xiàn)粘結(jié)磨損時，粘結(jié)層會產(chǎn)生周期性局部破壞，導(dǎo)致CBN表層材料的疲勞破壞，形成微粒狀脫落。另外，在高溫條件下，CBN的惰性不斷降低，刀片與粉末高溫合金材料合金元素間的親和傾向不斷增加，也創(chuàng)造了粘結(jié)的條件。粉末高溫合金中的Ni，Cr，Mo，Co，Ti等元素含量較高，在一定的切削溫度和壓力作用下，極易與CBN發(fā)生親和作用。當(dāng)刃前區(qū)的切削溫度達(dá)到1200℃左右時，局部CBN顆粒將呈現(xiàn)“半融熔”狀，此時的粘結(jié)磨損更加劇烈。
圖7，8(v=70m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r)分別示出CBN刀片主后刀面和副后刀面的粘結(jié)形貌，其中，圖(a)是刃區(qū)全貌，圖(b)為刃區(qū)局部放大形貌。由圖7可見，沿CBN刀片的后刀面有明顯的粘附物，在靠近負(fù)倒棱處，粘附物呈條紋狀，且伴有粘屑。由圖8可以看出，沿副后刀面的粘附量并不小于沿主后刀面的粘附量，粘附物呈層疊云霧狀，充分表明這種粘附物是不斷積累而形成的。
CBN刀片的氧化磨損和相變磨損
刀片具有優(yōu)異的切削性能，不僅有較高的硬度和熱穩(wěn)定性，而且對鐵族元素有高化學(xué)惰性，但是，在一定條件下，會發(fā)生立方氮化硼(CBN)向結(jié)構(gòu)與石墨相似的六方氮化硼(HBN)的轉(zhuǎn)化，即CBN→HBN的轉(zhuǎn)化，刀刃處轉(zhuǎn)化為HBN的那一部分將降低硬度，失去切削能力。上述的這種相變發(fā)生在一定溫度條件下，例如，當(dāng)切削溫度達(dá)到1000～1200℃，在空氣氣氛下切削時，就可能出現(xiàn)CBN向HBN的轉(zhuǎn)化。
用CBN刀片切削時，即使切削溫度未達(dá)到CBN→HBN的轉(zhuǎn)化溫度，也會產(chǎn)生氧化和放氮現(xiàn)象，其反應(yīng)式為：BN(CBN)→[N]+[B] [N]+[N]→N2
在切屑流的強(qiáng)烈摩擦與熱沖擊作用下，CBN表面形成的氧化膜將會很快為摩擦所破壞，造成氧化磨損。
相變磨損和氧化磨損的結(jié)果使CBN的活性增強(qiáng)，惰性下降，切削能力變差。
CBN刀片表面的顆粒剝落和微崩刃
由于CBN刀尖是由無數(shù)細(xì)小的CBN顆粒構(gòu)成的，晶界處富集的“雜質(zhì)組元”相當(dāng)于一種“精細(xì)裂紋”，因而大大降低了晶界強(qiáng)度，而且存在不均勻的內(nèi)應(yīng)力，使刃口部位的微觀強(qiáng)度也不均勻。當(dāng)熱切屑流通過刀尖流經(jīng)前刀面時，不僅會產(chǎn)生高溫摩擦，而且會產(chǎn)生微沖擊和加工振動，這就有可能使CBN顆粒剝落，并出現(xiàn)微崩刃。CBN刀刃及前、后刀面的這種磨損形式是高硬度聚晶所特有的。
當(dāng)用掃描電鏡觀察已被粉末高溫合金熱切屑流滑擦并產(chǎn)生CBN顆粒剝落的CBN刀片前刀面時，可以看到刀刃已有缺損，而且靠近刀刃的前刀面處有剝落層，見圖9(v=70m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r)。其中，圖(a)為刀刃處全貌，圖(b)為刀刃與切屑作用區(qū)的放大形貌。
4 車削粉末高溫合金時CBN與硬質(zhì)合金刀具磨損的比較
與硬質(zhì)合金相比，CBN刀片車削粉末高溫合金的刀具磨損量要小得多，因而CBN刀片的加工精度可以得到保證。
當(dāng)采用YT726硬質(zhì)合金，以切削速度v=15m/min、切削深度ap=0.2mm、進(jìn)給量f=0.1mm/r的切削用量車削FGH95粉末高溫合金，切削路程僅為3.6m時，后刀面磨損量VB=0.15mm，此時車刀的徑向磨損量為0.016mm，反映在工件直徑上的變化量dd=0.032mm。
若采用CBN刀片車削粉末高溫合金，切削路程l與后刀面磨損量VB的關(guān)系曲線見圖10(工件材料：FGH95；刀具：GE6000，CBN刀片；切削用量：v=70m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r)。切削路程l=3.6m時，后刀面磨損量幾乎測量不出，最大估計值VB=0.004mm。此時，由于后刀面磨損反映在工件直徑上的變化量dd=0.0008mm，即在短時間車削中，工件直徑變化量不到1µm。
用CBN車刀半精車或精車粉末高溫合金材料是可行的，與硬質(zhì)合金相比，不僅加工質(zhì)量高，而且刀具壽命顯著提高。
由于粉末高溫合金材料中的Ni，Gr，Mo，Ti，Nb等元素在一定的切削溫度作用下與CBN刀片表面有較強(qiáng)的親合作用，因而發(fā)生較明顯的粘結(jié)。粘結(jié)會形成刀具表面的微粒脫落，造成粘結(jié)磨損。
當(dāng)切削溫度達(dá)到1000～1200℃時，刀具表面會產(chǎn)生氧化與放氮現(xiàn)象，過高的溫度還會產(chǎn)生CBN→HBN的轉(zhuǎn)化，使CBN刀刃失去切削能力。為此，在采用CBN刀具切削時，必須注意選擇合適的切削用量和刀具幾何參數(shù)，使切削溫度不致過高。
由于CBN刀刃處會產(chǎn)生顆粒剝落和微崩刃，因此必須控制切削力和切削振動，并選用剛性較好的機(jī)床。
