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超硬PureCut材料 挑战高难度切削

来源:荣格 发布时间:2018-06-07 720
工业金属加工金属加工金属切削机床模具及冲模金属成型机床其他金属材料 技术前沿
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值得一提的是元素六(Element Six)公司的PureCut材料在金属切削加工中具有非常优异的性能,这种超高压和微结构优化的刀具材料可将刀具耐用度提高30%。

未来10年,汽车工业生产效率的提高将会遇到前所未有的巨大压力。这一切都是有迹可循的,更加严格的汽车尾气排放标准、对新型汽车发动机不断增长的需求以及发动机材料越来越难以加工等等。正因如此,不难预见:PCBN聚晶立方氮化硼和其他超硬切削材料将在解决这类高难度切削加工任务中起到非常重要的作用。

面对这样的发展趋势,Element Six,作为戴比尔斯(De Beers Group)集团的一员、超硬切削材料的供应商,于2018年初推出了全球首种PureCut材料,即基于纳米技术的聚晶立方氮化硼刀具材料。这种新型刀具材料以提高金属切削加工效率为目的,是对原有的聚晶立方氮化硼材料设计、生产工艺不断创新的成果。

将汽车变速箱齿轮的切削加工速度提高了6倍

众所周知,合成金刚石是世界上最硬的材料。上世纪50年代开发的人造金刚石,其生产方法是在大型压力系统中、在一定的温度和压力条件下合成人造金刚石,在生产过程中,金刚石受到的压力非常大,这个压力相当于将埃菲尔铁塔放在一个易拉罐上,同时将易拉罐接触点的温度加热至1000℃以上。

多年来,人们一直在不断完善、改进这一工艺技术,降低人造金刚石的生产成本,开发更多创新性的人造金刚石产品。同时,人造金刚石的应用领域不断扩大,并在不同的工业领域使用,显著提高了这些工业分支中切削加工的生产能力。例如,在汽车制造领域,铝合金发动机机体的加工中,多晶金刚石刀具(PKD)的使用寿命就比硬质合金刀具延长了10倍,同时它还能够以更高的速度进行切削。

PCBN聚晶立方氮化硼材料是人们在上世纪70年代开发出来的,分子结构与多晶金刚石PKD相似,但原子组成不同。PCBN虽然硬度不如金刚石,但它能够在温度超过1000℃时仍保持其坚硬性,因此非常适合于加工有色金属和其他耐高温的金属材料,比如航空航天用金属材料。当然,PCBN最大的应用市场还是汽车制造领域。例如,在汽车变速箱齿轮加工中,PCBN聚晶立方氮化硼刀具就有着比硬质合金刀具更高的切削速度。

PCBN聚晶立方氮化硼刀具材料的合金成分决定了它的四大特性:优异的耐磨强度、耐化学品性能、前刀面月牙坑状磨损、切削刃的边缘稳定性以及很好的耐热性能。

PCBN切削材料设计制造的新方法

一般而言,PCBN科研人员会利用三个调整参数来设计具有高性能的切削材料:

●CBN立方氮化硼颗粒的量以及颗粒的粒度大小和分布;

●粘结剂的化学成分和粘结剂粒度分布;

●高温和高压合成时,CBN立方氮化硼与粘结剂颗粒之间的化学反应。

2013年,随着Element Six公司全球创新中心GIC的落成,其对新型超硬切削材料的研发也进一步展开。在PureCut材料的开发中,研究人员采用不同的新技术尽可能挖掘三大调整参数的潜力。从粉状原材料的制备到材料检验分析,再到应用测试,所有的研发过程都是在这一创新中心内完成的。

原则上讲,好的烧结工艺是PCBN聚晶立方氮化硼生产中最重要的一道工序。它决定了影响PCBN材料所有性能的颗粒间结合力。我们都知道:颗粒粒度缩小10倍时压实率会提高1000倍。而Element Six公司研发的PureCut切削材料,粘结剂颗粒粒度的平均值缩小了100倍,晶界面积增加了150倍。

微观结构导致了硬度提高

CBN立方氮化硼颗粒的最佳分布也提高了切削材料PureCut的切削稳定性(图1)。通过大、小颗粒的相互结合,可以将冲击引起的晶间断裂转化为消耗更多能量的穿晶碎裂。事实证明:这种结构也提高了纳米复合材料的强度。

图1. 创新性的PCBN 聚晶立方氮化硼切削材料PureCut DHA650的电子显微照片,从中可见粘结剂中的纳米级颗粒。

微观结构设计对裂纹方向偏转也有帮助,从而也辅助提高了切削材料的稳定性(图2)。进一步的研究得知:纳米复合材料形成的裂纹是波浪形起伏的、有着较大的表面裂纹,这也就提高了抵抗裂纹扩展的能力。这一特性在断续切削中有着非常好的作用和意义。例如在测试时,PureCut切削材料的抗冲击性能比标准的PCBN聚晶立方氮化硼材料要好50%左右。

图2.PuerCut 聚晶立方氮化硼裂纹区域的电子显微照片。特殊的裂纹转向增加了裂纹的长度,从而也提高了切削材料的外观结构。

在汽车工业领域,这样的改善意味着比以往更低的刀具成本。切削刀具稳定性的提高也有利于操作者用更大的吃刀深度切削加工,从而也提高了单位时间内的切削性能。

当受热的(>700℃)切屑滑过切削材料表面时,PCBN聚晶立方氮化硼会产生化学腐蚀。这种化学腐蚀可以理解为PCBN聚晶立方氮化硼和工件之间机械磨损和扩散综合作用的结果。在采取了下述措施之后,PureCut刀具材料的抗化学腐蚀性能有了改善:

●由于使用了纳米级粒度的颗粒粘结剂从而使烧结质量比预想的有了更大的改进。

●与传统的PCBN聚晶立方氮化硼不同,PureCut牌聚晶立方氮化硼不含有生产过程中残留的杂质(残留杂质的典型特征是有着不同于PCBN聚晶立方体氮化硼的磨损率;在排除了这些杂质之后,就会有更长的、受控的磨损率——参见图3)。

●减少了CBN立方氮化硼的含量;例如PureCut DIA500牌号的聚晶立方氮化硼材料。这就提高了刀具抵抗前刀面月牙坑状磨损的能力。

图3. 高纯度的PureCut 粘结剂(左图)和传统的、含有杂质的PCBN聚晶立方氮化硼(右图)显微照片。高纯度粘结剂形成的微观结构能够延长切削材料的使用寿命、更好的抵御化学磨蚀。

由于很高的耐磨性,PureCut品牌的切削材料在显著提高的切削速度下有着更长的刀具耐用度。例如,在切削速度220m/min的工况下,比标准聚晶立方氮化硼的刀具耐用度提高了大约40%,而且承受断续切削的性能更强。

当在切削过程中使用冷却液时,PCBN聚晶立方氮化硼切削材料的抗温度负荷性能,尤其是断续切削过程中的抗温度负荷性能,还能够辅助提高切削加工的精度;以汽车工业领域为例:能够保证非常严格的公差。因为新的切削材料有着很好的导热性能。例如,CBN立方氮化硼含量在45%~55%的普通立方氮化硼切削材料导热性在18~38W/mK之间。牌号为DIA500的PureCut聚晶立方氮化硼材料导热性则达到了50W/mK。而类似的导热性则只有CBN立方氮化硼含量65%的普通立方氮化硼材料才能得到。与过去普通的、导热性在49~52W/mK的聚晶立方氮化硼材料不同,PureCut品牌DHA650型号的切削材料从其高质量的烧结工艺中受益匪浅——能够达到的导热性为75W/mK。

高烧结质量实现优异的导热性能

为了开发出能够适用各种应用情况的切削材料,Element Six公司在欧洲、东亚和美洲有着许多联系非常密切的合作伙伴,长期向他们收集有关机床设备、工艺条件和当地市场发展趋势等信息,并以采集到的这些信息作为重要依据研发新产品,以满足全球市场需求。

相关的合作伙伴也在研发过程中参与了实验室测试和大范围的现场实验等工作,并将获取的试验结果反馈给Element Six公司,从而形成一个完整的迭代循环。这种良好的互动协作是PureCut切削材料成功的秘诀之一,更将刀具耐用度延长了20%~30%。


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