CN102680504A - 一种表征超硬立方氮化硼切削刀具磨损形式的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料微分析领域，具体涉及一种表征超硬立方氮化硼CBN切削刀具磨损形式的方法。其特征是包括以下步骤：(1)采用扫描电子显微镜SEM确定CBN刀具的主切削刃的磨损区域和未磨损区域；(2)利用能量分散谱仪EDS对磨损区域和未磨损区域分别进行能谱分析，比较不同区域内各成分的原子比，从而分析切削刀具的磨损形式。其表征切削刀具磨损形式的方法简单、准确，便于我们在准确理解切削磨损的微观机制的基础上，通过优化刀具的切削参数，改进刀具，使刀具的抗磨损性能提高，从而增加刀具的切削效率和使用寿命。

Description

一种表征超硬立方氮化硼切削刀具磨损形式的方法

技术领域

本发明属于材料微分析领域，具体涉及一种表征超硬立方氮化硼CBN切削刀具磨损形式的方法。 

背景技术

随着机械加工工业的迅速发展，超硬立方氮化硼(CBN, Cubic Boron Nitrid) 切削刀具应运而生。立方氮化硼(CBN)微粉末具有极高的显微硬度（HV高达8000-9000），较高的耐磨性，耐热性可达1300 -1500℃，对铁族元素化学惰性大，抗黏结能力强，良好的导热性导致刀尖处切削温度的降低，后者是产生磨损的一个重要原因，其摩擦系数仅为0.1-0.3，可减少切削力。由此可以看出，立方氮化硼刀具除了可用于高速加工淬硬钢和高硬铸铁件外，也可高速加工粉末冶金件和铝合金件等难加工材料。

立方氮化硼刀具也有使用上的局限，其脆性较大，强度和韧性较差，不适用于冲击负荷下的间断表面加工。此外，用它加工软的铁族元素材料时，易于产生长切屑，擦伤刀具前刀面并形成积屑瘤，从而导致切削力的波动而损坏刀具。

刀具在高速切削过程中受到强烈的机械冲击和高温冲击，在内部形成力学应力和热应力使刀具磨损。从磨损的机制来看，有粘结磨损、氧化磨损、扩散磨损、磨粒磨损（硬质点磨损）等，从磨损的过程来看，从正常磨损到急剧磨损，直至发生崩刃而使切削刀具失效。

传统生产线上的切削刀具磨损评估基本上是通过目测或者传统的光学显微镜来完成的，而切削磨损的形式又是复杂多样，这样目测或仅通过光学成像放大观测都会产生较大的误差。扫描电镜（SEM，Scanning Electron Microscope）的分辨率比较高，放大范围广，且景深为光学显微镜的几百倍，使得图像富有立体感，能更清晰的表征磨损形式。同时，此前对于磨损形式的分析也大都停留在表面阶段，很难对其机理给出合理解释，而本专利提出的利用SEM及其附加装置能谱分散谱（EDS，Energy Dispersive Spectrometer）微分析技术恰好为这些问题提供了一种全新的有效的解决方法。

扫描电子显微镜（SEM）的工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测器收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了样品的表面结构。扫描电子显微镜由三大部分组成：真空***，电子束***以及成像***。

能量分散谱仪(EDS)是用来对材料微区成分元素种类及其含量分析，配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜的使用。其基本原理是各种元素具有自己的X射线特征波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量△E，能谱仪就是利用不同元素X射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。 

发明内容

本发明的目的在于利用SEM和EDS微分析技术，提供一种简单、准确的表征切削刀具磨损形式的方法，以便进一步研究切削磨损的微观机理，增加刀具的切削效率和使用寿命。

本发明提供了一种表征切削刀具磨损形式的方法，其包括以下步骤：

1）采用扫描电子显微镜（SEM）确定CBN刀具的主切削刃的磨损区域和未磨损区域；

2）利用能量分散谱仪（EDS）对磨损区域和未磨损区域分别进行能谱分析，比较不同区域内各成分的原子比，从而分析切削刀具的磨损形式。

通过上述表征，可以进一步分析及其微观机制。

本发明通过SEM扫描得到的图像分辨率高，景深大，提高了测量的精确度，减小了原来目测或光学显微镜造成的误差，而EDS的能量分散谱分析则定量地表示出切削刃的主要磨损形式，其表征切削刀具磨损形式的方法简单、准确，便于我们在准确理解切削磨损的微观机制的基础上，通过优化刀具的切削参数，改进刀具的组分和形态，使刀具的抗磨损性能提高，从而增加刀具的切削效率和使用寿命。

附图说明

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1为BZN9100型CBN刀具的主后刀面的SEM图。

图2为BZN9100型CBN刀具的主后刀面未磨损区域的EDS谱图。

图3为BZN9100型CBN刀具的主后刀面磨损区域的EDS谱图。

图4为 原用传统CBN刀具的磨损区域和未磨损区域的各元素原子比的柱形图。

图5为 BZN9100型CBN刀具的磨损区域和未磨损区域的各元素原子比的柱形图。

图6为 BZN9100型CBN刀具和原有CBN刀具的磨损量VB对比图。

图7 为BZN9100型CBN刀具的耐用度增加示意图。

具体实施方式

本发明中使用的BZN9100型CBN刀片特点如下：CBN含量，90%；CBN晶粒大小，2μm；粘结剂，钛基；基体，硬质合金。

本发明中使用的原有传统BZN9000型CBN刀片特点如下：CBN含量，75%；CBN晶粒大小，4μm；粘结剂，钛基；基体，硬质合金。

本发明CBN刀具用以加工座圈孔，所用到的机床为意大利柯马公司 Urane25系列数控机床。装机功率60KW, 最高转速24,000 rpm。整个切削过程采用切削液润滑，切削液浓度 7-13%，PH值8.5-9.8，压力70bar。座圈材料为高温合金材料，主要成分包括Fe、Cu、Mo、C、Ni、Cr等元素。

本发明中刀具切削加工的试验参数如下：转速S，4800r/min；进给F， 891mm/min；切削直径d，30.2mm；背吃刀量a_p，0.3mm。

对于金属切削刀具而言，切削刃的磨损包括多种形式，例如：磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损、相变磨损、氧化磨损和热电磨损等。国家标准规定将主后刀面的均匀磨损量VB用来作为磨损程度判别的标准。本发明采用3D显微表征对BZN9100型CBN刀具和原有传统CBN刀具的主后刀面和前刀面切削刃进行均匀磨损量VB分析。

图1、图2、图3分别为BZN9100型CBN刀具的主后刀面的SEM图、非磨损区域和磨损区域的EDS谱图。

采用SEM和EDS微分析技术，对BZN9100型CBN刀具的主后刀面的磨损区域和非磨损区域进行了详细表征，在磨损区域新出现了原子比分别为0.22%、0.26%、1.98%的Mo，Fe和Cu诸元素，且C的原子比也由21.25%增加到36.16%，而加工所用的座圈材料主要成分正好包含这些元素，由此可知，CBN刀具的磨损形式有粘结磨损和扩散磨损。同时我们发现，磨损区域O原子比由原来的2.72%明显增加到8.38%，这说明切削过程中也发生了氧化磨损。

图4和图5分别为原有传统CBN刀具和BZN9100型CBN刀具的磨损区域和非磨损区域的各元素原子比的比较图。 

采用SEM和EDS微分析技术，比较了原有传统CBN刀具和BZN9100型CBN刀具的各元素的原子比变化量，其中CBN材料主要成分（B、N）含量的差异以及Cu、W元素原子比的差异说明了BZN9100型CBN刀具的抗粘结磨损能力与抗扩散磨损能力要比原有传统CBN刀片的强；原有传统CBN的磨损区域和未磨损区域的O原子百分比含量相差6%~10%，BZN9100型CBN的磨损区域和未磨损区域的O原子百分比含量相差仅2%~4%，由此可以看出原有传统CBN刀具切削刃的抗氧化能力要比BZN9100型CBN刀具差很多。

从以上测试和分析中可知，CBN刀具的磨损形式主要为粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损。这些磨损都与切削加工过程中的高温与高冲击力有关。因此，可以通过在CBN刀具中提高超硬晶粒的含量、添加抗氧化材料、减少刀具和被加工工件这一对摩擦副之间的摩擦系数、改进切削时所用冷却润滑剂的种类与流量和优化切削参数等综合措施来减少刀具磨损、增加使用寿命和提高加工精度。

图6所示为两组BZN9100型CBN刀具和原有CBN刀具的VB磨损量对比图。

采用原有CBN刀具（第1组）和BZN9100型CBN刀具（第1组）同时加工300件工件，测得原有CBN刀具的磨损量VB=204μm，BZN9100型CBN的磨损量VB=120μm，新型的CBN刀具的抗磨损能力约为原来的1.6倍。

采用原有CBN刀具（第2组）和BZN9100型CBN刀具（第2组）再同时加工300件工件，测得原有CBN刀具的磨损量VB=210μm，BZN9100型CBN刀具的磨损量VB=135μm，新型的CBN刀具抗磨损能力约为原来的1.5倍。

BZN9100型CBN刀具的耐用度（即使用寿命）从原有CBN刀具加工300件提高到350件，增加了13.3%（图7），每年为工厂节省了数十万元的开支。 

Claims (1)

1.一种表征超硬立方氮化硼切削刀具磨损形式的方法，其特征在于具体步骤为：

(1)采用扫描电子显微镜SEM确定CBN刀具的主切削刃的磨损区域和未磨损区域；

(2)利用能量分散谱仪EDS对磨损区域和未磨损区域分别进行能谱分析，比较不同区域内各成分的原子比，从而分析切削刀具的磨损形式。

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