胡小龙1, 邵 芳2, 王仁伟3

(1.贵州大学 机械工程学院, 贵阳 550025)(2.贵州理工学院, 贵阳 550003)(3.山东大学 机械工程学院, 济南 250100)

摘要 通过切削试验研究PCBN刀具切削镍基合金的磨损机理，结合物质吉布斯自由能函数法分析了刀具前、后刀面氧化磨损的反应发生机理的差异性，得出发生氧化磨损的主要氧化反应方程式；并运用热力学溶解理论模型计算氮化硼在镍基合金不同元素中的溶解度，得出前、后刀面扩散磨损过程发生机理的差异性。结果表明：刀具的前、后刀面都发生严重的氧化磨损和扩散磨损，元素的扩散溶解加剧了扩散磨损的发生。

关键词 PCBN刀具; 镍基合金; 热力学; 氧化磨损; 扩散磨损

由于PCBN刀具具有优异的综合性能，如强度高，耐热性好，对高温合金具有良好的导热性和化学惰性等，使其适合用来高速加工材料，但刀具磨损的机理随着速度和温度的升高而变得复杂[1-4]。PCBN刀具的磨损较大程度地影响了零件表面的加工质量，是切削加工领域较为突出的关键问题。因此，给出可行性较强的控制刀具磨损的方法至关重要。

WAN等[5]研究了高速切削加工中刀具的磨损及损坏机理，得出切削温度和热应力对刀具磨损和损坏的影响规律，发现高速切削加工与传统切削加工的本质不同，刀具的失效机理也更复杂。CHEN等[6]研究了PCBN刀具表面的磨损与材料的磨损性能之间的关系，对预测刀具磨损、提高刀具寿命具有重要参考价值。ZHU等[7-8]论述了PCBN刀具切削加工镍基合金的失效机理，揭示了基于非平衡热力学理论预测刀具寿命的原理，并在切削实验中得到了较好的印证。SHAO等[9]利用热力学理论研究了PCBN刀具在高速切削过程中的磨损机理，发现随着速度和温度升高，刀具磨损的机理变得更加复杂。因此，由于PCBN刀具具有的独特化学和机械性能，在加工过程中能有较高的材料去除率，且能加工坚硬的工件材料(如不锈钢和高温合金等)，有必要充分了解PCBN刀具的磨损性能，这样才能有效地开发刀具的潜在能力，用来加工硬质材料并提高生产效率和经济效益。

我们进行了PCBN刀具切削镍基合金试验，运用热力学理论预测并分析试验现象，通过扫描电镜和能谱仪观测分析刀具表面的磨损形貌，研究刀具发生扩散、氧化磨损的本质与规律，以及PCBN刀具中BN元素在镍基合金中的元素扩散及溶解度等。

1 试验方法及条件

在PUMA300LM数控机床上编程后进行镍基合金棒外圆切削试验，选用美国GE 公司生产的刀具BZN8200(其前角为3o,后角为7o)，工件材料为GH907镍基合金棒料，直径28 mm，镍基合金主要元素质量分数如表1所示。加工过程中的切削工艺参数为：切削速度v=300 m/min，进给量f=0.2 mm/r，切削深度ap=0.5 mm。

表1 镍基合金元素质量分数

Tab.1 Mass fraction of elements in nickel-base alloy

为探究刀具磨损前后的元素含量变化，在切削2200 m后分别对刀具前刀面(图1a)和后刀面(图1b)的切削磨损表面进行SEM线扫描。前刀面扫描距离为225 μm，后刀面扫描距离为280 μm。

2 氧化磨损分析

由于PCBN刀具高速切削产生的局部高温使氧气在其中发挥主要作用，导致氧化产物在刀具表面堆积形成层状薄膜，而使刀具的氧化磨损进一步加剧并复杂化[9]。由热力学知识可知，化学反应的进行与平衡取决于其吉布斯自由能的变化。物质的吉布斯自由能函数公式为：

ΔG=ΔH-TΔS

(1)

其中：ΔG为反应的吉布斯自由能变，J/mol；T为反应时的温度，K；ΔS 为反应的熵差，(J·mol-1·K-1)；ΔH为反应焓变，J/mol。

吉布斯自由能变ΔG表明了函数G做功的能力，若ΔG<0，反应自发进行，此时不可逆；ΔG=0 反应可以进行，亦可逆；ΔG>0，反应不能进行。

试验前，预测刀具材料与工件材料可能发生的4个氧化反应[10]是：

4BN+3O2=2N2+2B2O3

(2)

2B4C+7O2=4B2O3+2CO

(3)

2Fe+O2=2FeO

(4)

Si+O2=SiO2

(5)

根据文献[11]可得式(2)～式(5)的4种氧化反应在不同温度时的吉布斯自由能如表2所示。由表2值可计算出4个氧化反应的吉布斯自由能变均小于0，表明4个氧化反应均可能发生；反应式(3)的吉布斯自由能变的绝对值最大，且远远高于其他反应式的，说明其氧化反应最有可能发生，即产生较多量的B2O3。

表2 4个可能发生化学反应的吉布斯自由能

Tab.2 Four Gibbs free energies of possible chemical reactions

对图1a中的刀具前刀面磨损区域进行能谱(EDS)分析，得到图2的能谱分析图和其元素半定量分析结果(表3)。表3中的结果除PCBN刀具本身的元素外，还含有大量的O元素，证明前刀面磨损区域含有某种氧化物；由于检测结果中含有大量硼原子和氧原子，说明检测区域生成了B2O3，这与理论推测结果吻合。生成的B2O3大量黏结在刀具表面，降低了刀具的切削性能，同时产生刀具磨损。

表3 前刀面磨损区的元素含量

Tab.3 Element contents of the rake face wear zone

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