鉆具切割用聚晶立方氮化硼刀具的摩擦學(xué)研究

崔金蒙，孟德忠，吳 哲，岳 文，3，王成彪，楊 凡

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）數(shù)理學(xué)院，北京100083；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）鄭州研究院，河南 鄭州451283；4.中國地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，河南鄭州450006；5.中安聯(lián)合投資集團(tuán)有限公司，北京100081）

0 引言

《國土資源“十三五”科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃》和《自然資源科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃綱要》等國家重大戰(zhàn)略項(xiàng)目分別制定了“三深一土”和“一核兩深三系”等戰(zhàn)略［1-2］。這些戰(zhàn)略的提出已經(jīng)表明，開展深部鉆探領(lǐng)域的研究刻不容緩，它既是解決地學(xué)重大基礎(chǔ)理論問題的需要，更是國家保證能源資源安全、擴(kuò)展經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展空間的重大需求［3］。但是，鉆探工程容易受到地層裂隙、溶洞發(fā)育、地層應(yīng)力集中等地質(zhì)原因，以及鉆孔施工設(shè)計(jì)不合理、鉆探設(shè)備配置不當(dāng)、泥漿沖洗液與地層不符、施工工藝不當(dāng)?shù)裙に囈蛩氐挠绊?，因而?dǎo)致各類孔內(nèi)事故的出現(xiàn)，比如：鉆桿、巖心管折斷，連接螺紋脫扣，套管的磨破、折斷、脫節(jié)等［4-7］，因此解決孔內(nèi)事故等技術(shù)顯得尤為重要。

割刀切割鉆具技術(shù)是解決孔內(nèi)事故的重要方法之一，且常用的割刀材料是硬質(zhì)合金，但是該類型割刀存在硬度低、易磨損、化學(xué)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，容易導(dǎo)致切割時(shí)間長、效率低、更換刀具頻繁等情況。另一個(gè)行之有效的方法是使用聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride Compact，簡稱PCBN）刀具，PCBN 硬度、耐磨性、熱導(dǎo)率、熱穩(wěn)定 性 等 遠(yuǎn) 優(yōu) 于 硬 質(zhì) 合 金［8-10］（如 表1 所 示）。且PCBN 與鐵族元素不反應(yīng)，經(jīng)常被用來切削加工各種軸承鋼、淬硬鋼、球墨鑄鐵等高硬度難加工的金屬材料［11-13］。

表1 PCBN 和硬質(zhì)合金性能比較Table 1 Comparison of properties between PCBN and cemented carbide

刀具切割鉆具時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，溫度的升高可能會(huì)降低刀具的硬度，因此研究切削溫度對(duì)PCBN 熱損傷的影響是保證刀具順利切割的重要內(nèi)容之一。Abrao 等［14］研究發(fā)現(xiàn)，溫度隨切削速度、進(jìn)給速度、切削深度和刀具磨損而增加，并且刀具材料的導(dǎo)熱率增加會(huì)引起刀具溫度升高、切削溫度降低；切削中心區(qū)域的溫度最高可達(dá)1500 ℃。Shalaby 等［15］研究了PCBN 切削高速鋼和D2 工具鋼時(shí)切削速度與切削溫度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)切削溫度隨著切削速度的增加而逐漸增加，當(dāng)切削速度超過130 m/min 時(shí)切削溫度可達(dá)到1000 ℃。Ren 等［16］指出PCBN 切削硬質(zhì)材料時(shí)，切削溫度的增速受到工件微觀組織的影響，較細(xì)組織結(jié)構(gòu)促進(jìn)切削溫度的增加。Harris 等［17］分析了溫度對(duì)PCBN 的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，刀具材料的變形機(jī)理發(fā)生了變化。Chen 等［18］通過采用兩種不同的熱電偶測溫方法分析了PCBN 對(duì)磨GCr15 軸承鋼時(shí)切削速度、切削時(shí)間與切削溫度之間的關(guān)系，表明切削熱隨著時(shí)間的增加而逐漸增加，并與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，最高溫度可達(dá)到1000 ℃。

總結(jié)以上研究發(fā)現(xiàn)PCBN 刀具的切削溫度達(dá)1000 ℃，并且PCBN 刀具與工件接觸時(shí)刀面上的壓力可達(dá)2～3 GPa［19］，故刀具發(fā)生磨損是不可避免的。使用過度磨損的刀具將會(huì)降低其切削效率、提高其切削成本等。因此探究PCBN 刀具磨損機(jī)理為提高切割效率提供保障很有必要。Cerce 等［20］分析了PCBN 切削灰鑄鐵的磨損機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在切削邊緣及工件間存在硬質(zhì)顆粒和磨粒，由于金屬碳化物硬質(zhì)顆粒的存在造成磨粒磨損并形成磨削溝槽從而引起了刀具的側(cè)面和前刀面磨損，同時(shí)指出高熱導(dǎo)率刀具有助于減緩磨粒磨損的發(fā)生。Braghini等［21］指出在低/中等切削速度下磨削淬硬鋼時(shí)，磨損機(jī)制是粘著磨損和磨粒磨損的復(fù)合形式。Liu等［22］研 究 了PCBN 刀 具 切 削GCr15 軸承 鋼 的 磨 損形式，發(fā)現(xiàn)粘著磨損是前刀面的主要磨損機(jī)制，磨粒磨損是刀具側(cè)面的主要磨損機(jī)制。Yang 等［23］研究了PCBN 刀具切削粉末冶金閥門座的磨損機(jī)制發(fā)現(xiàn)其主要磨損機(jī)制為粘著磨損和氧化化學(xué)磨損的復(fù)合磨損形式。

此外，根據(jù)摩擦學(xué)基本理論，刀具切削鉆具過程可簡化為刀具材料與鉆具之間在不同工況條件下的摩擦磨損問題［24］。為了探究摩擦副之間的粗糙程度，許多研究者探究了PCBN 薄膜的摩擦磨損。Watanabe 等［25］制備了PCBN 薄膜，并研究了其與不同對(duì)磨副材料的摩擦性能：當(dāng)對(duì)磨不銹鋼球時(shí)的摩擦系數(shù)為0.2；當(dāng)對(duì)磨金剛石時(shí)，隨著載荷增加摩擦系數(shù)減小，最低可達(dá)0.065［26］；當(dāng)對(duì)磨類金剛石薄膜時(shí)，發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定期的摩擦系數(shù)只有0.075［27］。Chong 等［28］研究指出PCBN 對(duì)磨氮化硅時(shí)的摩擦系數(shù)約為0.42。

目前，學(xué)者對(duì)PCBN 切削硬質(zhì)金屬材料的磨損機(jī)理及切削熱對(duì)PCBN 的影響等進(jìn)行了廣泛而深入的研究，且取得了大量有益的研究成果。然而PCBN 刀具在切削鉆具的過程中同樣會(huì)與巖石發(fā)生切削［24］，目前對(duì)于PCBN 與巖石材料的磨損形式及磨損機(jī)理還鮮有報(bào)道。因此本研究針對(duì)鉆探工程中鉆具處理問題，考慮到切削熱的影響，設(shè)計(jì)了退火溫度對(duì)PCBN 刀具的影響試驗(yàn)；同時(shí)針對(duì)巖石的主要成分Si3N4，開展了不同退火溫度下的PCBN 復(fù)合片對(duì)磨Si3N4球的微觀摩擦磨損試驗(yàn)。該研究為深部鉆探中孔內(nèi)事故處理問題提供了重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用的材料是PCBN 復(fù)合片和氮化硅球（Si3N4），兩種材料的物理性質(zhì)如表2 所示。所選用的PCBN 復(fù)合片是由鄭州銳利超硬材料有限公司提供的，該復(fù)合片為圓盤形，直徑為12.7 mm，總厚度為4.0 mm，如圖1（a）和（b）所示。從圖1（b）可以看出，PCBN 層的厚度為1.0 mm，碳化物基底的厚度為3.0 mm。在PCBN 層中，立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，簡稱CBN）體積含量約為75%，并且燒結(jié)粘結(jié)劑為TiN 和Al。從圖1（c）中可以看出，CBN 晶粒被粘結(jié)劑相包圍，并且CBN 晶粒的平均尺寸為2～4 μm。本試驗(yàn)所選用的Si3N4球，由浙江省寧波市潤昌硬質(zhì)合金有限公司生產(chǎn)，直徑為6 mm（如圖1d 所示）。

表2 PCBN 和Si3N4的物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of PCBN and Si3N4

1.2 退火處理

退火處理所使用的電爐是由北京科偉永興儀器有限公司生產(chǎn)的SX2-5-12 型箱式高溫電阻爐。大量的研究發(fā)現(xiàn)聚晶立方氮化硼刀具切削不同材料時(shí)產(chǎn)生的溫度范圍在600～1000 ℃之間［16］，因此在大氣條件下，將PCBN 復(fù)合片置于爐中，在600、700、800、900 和1000 ℃的溫度下退火處理30 min。用Pt-10%Rh 熱電偶控制溫度，偏差為±20 ℃，退火處理后，將樣品在環(huán)境空氣中冷卻至室溫。將退火處理的PCBN 樣品分別用丙酮和酒精超聲清洗20 min。在該試驗(yàn)中，用未處理的PCBN 樣品（常溫PCBN）比較。

1.3 摩擦測試

本試驗(yàn)使用MS-T3001 型球盤摩擦計(jì)進(jìn)行摩擦測試，該儀器是由中國蘭州華輝儀器技術(shù)有限公司制造，其原理圖如圖2 所示。Si3N4球是由支架固定，且位于PCBN 盤的上側(cè)。在摩擦學(xué)測試中，PCBN 圓盤以3 mm 的旋轉(zhuǎn)半徑和300 r/min 的旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的線速度是94.2 mm/s?；瑒?dòng)時(shí)間為30 min，總距離為169.56 m。法向載荷為10 N，相應(yīng)的平均（初始）赫茲接觸壓力為1.46 GPa。測試期間的相對(duì)濕度約為35%。在摩擦試驗(yàn)之前，將所有Si3N4球和經(jīng)熱處理的PCBN 片分別在丙酮和酒精超聲清洗20 min。在相似的溫度和穩(wěn)定的濕度下，至少重復(fù)兩次摩擦測試。在每種情況下，根據(jù)重復(fù)測試獲得數(shù)據(jù)。

1.4 測試表征方法

為了研究PCBN 的磨損軌跡和對(duì)磨球的磨斑，本試驗(yàn)選用光學(xué)顯微鏡、維氏硬度計(jì)、X 射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和X 射線能譜儀（EDS）分析退火溫度對(duì)PCBN 的影響和PCBN 對(duì)磨Si3N4的摩擦學(xué)行為。

其中本試驗(yàn)采用的光學(xué)顯微鏡是由日本奧林巴斯（Olympus）生產(chǎn)的BX51 型。XRD 型號(hào)為D/max2500（Cu Kα，λ=1.5406 ?），主要目的是研究各種退火溫度下PCBN 的相組成。SEM 和EDS 是為了檢查退火后PCBN 的微觀形貌和元素分布。維氏硬度計(jì)是由Buelher 公司生產(chǎn)的Micromet-6030型，測量硬度時(shí)的負(fù)載為9.8 N，保持時(shí)間為30 s，本實(shí)驗(yàn)在每個(gè)樣品上檢查5 個(gè)位置并計(jì)算平均硬度，并按照1 HV 等于9.8 MPa 進(jìn)行單位換算。

圖1 CBN 樣品表征Fig.1 The image of PCBN

圖2 T3001 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)原理示意Fig.2 The principle diagram of T3001 friction and wear testing machine

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 退火PCBN 的性能特征

2.1.1 硬度和表面粗糙度

圖3（a）顯示了不同退火溫度后PCBN 的硬度變化?？傮w而言，PCBN 的硬度隨著退火溫度的升高而降低。但是800 ℃退火處理后樣品的硬度較700 ℃稍有增加，推測800 ℃退火處理后有少量氮化物生成，而氮化物較硬所以導(dǎo)致硬度稍有增加。900 ℃和1000 ℃時(shí)生成了較軟的氧化物，因而硬度不斷下降。常溫PCBN 的硬度為40 GPa，經(jīng)過1000 ℃的退火后硬度下降至13 GPa，且下降趨勢(shì)在900 ℃和1000 ℃時(shí)急劇上升。這與Liu 等［29］的研究結(jié)果類似，據(jù)推測硬度的降低是由于氧化反應(yīng)引起的。但是硬質(zhì)合金在700 ℃退火后，表面硬度下降至173 HV（≈1.7 GPa），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Si3N4的硬度，這就意味著，硬質(zhì)合金在經(jīng)過700 ℃退火后不再適合切削Si3N4材料。在解決孔內(nèi)事故時(shí)，由于最高可產(chǎn)生1000 ℃左右的切削高溫，不可避免地使割刀硬度下降，因此使用PCBN 要比硬質(zhì)合金材料更能保證順利切割。

圖3（b）顯示了不同退火溫度后PCBN 的表面粗糙度變化，與常溫PCBN 相比，經(jīng)過600、700、800 ℃退火后，PCBN 的表面粗糙度值降低，且經(jīng)過600 ℃熱處理后的表面粗糙度值最低。然而，經(jīng)過900 ℃退火后的表面粗糙度值最高，在1000 ℃時(shí)又降低。進(jìn)一步說明了經(jīng)過1000 ℃退火后，PCBN 的物相發(fā)生了很大變化。

圖3 不同退火溫度后PCBN 的性能變化Fig.3 Changes in PCBN after annealing at different temperatures

2.1.2 物相分析

為了進(jìn)一步探究退火溫度對(duì)PCBN 的影響，測量了PCBN 的物相變化（如圖4 所示）?？梢钥闯鲈?00 ℃以下，峰的位置和強(qiáng)度幾乎沒有變化，因此表明PCBN 具有良好的耐熱性。此外，從常溫PCBN曲 線 可 以 看 出，PCBN 的 粘 結(jié) 劑 相 是TiB2、AlN 和TiN。但是隨著退火溫度的升高，峰的強(qiáng)度發(fā)生了改變。在900 ℃和1000 ℃下明顯檢測到新的TiO2峰，另外TiO2的強(qiáng)度在1000 ℃時(shí)增加，而CBN、TiN 和TiB2卻顯示出相反的趨勢(shì)，這表明在經(jīng)過退火處理過程中出現(xiàn)了TiO2的相變，這與之前的研究結(jié)果類似［29］。

圖4 不同退火溫度下的XRDFig.4 XRD patterns after annealing at different temperatures

2.1.3 表面形貌分析

圖5 顯示了退火后PCBN 的表面形貌?？傮w而言，表面形貌取決于退火溫度，尤其是溫度超過800 ℃時(shí)。與圖5（a）中的常溫PCBN 相比，當(dāng)退火溫度為600 ℃（圖5b）和700 ℃（圖5c）時(shí)，表面形貌變化不明顯。但是經(jīng)過800 ℃退火處理后，PCBN表面出現(xiàn)白色區(qū)域，且可以觀察到細(xì)小的白色晶須，如圖5（d）所示。當(dāng)退火溫度提高到900 ℃時(shí)，這些晶須變得越來越長，并且在表面上不斷延伸，如圖5（e）所示。在圖5（f）所示的1000 ℃退火的樣品中可以看出，樣品表面上鋪滿了白色晶須。

2.2 摩擦測試

2.2.1 摩擦特性

不同退火溫度后PCBN/Si3N4的摩擦系數(shù)（Friction coefficient，簡稱CoF）如圖6 所示。不難發(fā)現(xiàn)，常溫PCBN/Si3N4的CoF 變化很平穩(wěn)，最終穩(wěn)定值在0.45 左右。但是經(jīng)過600、700、800 ℃退火處理后，PCBN/Si3N4的CoF 與 常 溫PCBN 樣 品 相 比 稍有增加，而彼此之間變化并不明顯，CoF 穩(wěn)定以后，數(shù)值處于0.47～0.49 范圍內(nèi)。但是經(jīng)過900 ℃退火處理后，PCBN/Si3N4的CoF 最終穩(wěn)定在0.68 左右。顯然常溫樣品和600～800 ℃退火處理的樣品相比存在極大差異，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于800 ℃以下的樣品。1000 ℃熱處理后的樣品CoF 穩(wěn)定值同樣高于常溫樣品和600～800 ℃熱處理之后的樣品，但是低于900 ℃的CoF，從0.5 左右開始上升，達(dá)到0.61 后逐漸穩(wěn)定。

圖5 不同退火溫度后的PCBN 表面SEM 圖像Fig.5 SEM images of annealed PCBN at different temperatures

圖6 不同退火溫度后的PCBN/Si3N4的CoFFig.6 PCBN/Si3N4 CoF after annealing at different temperatures

2.2.2 對(duì)磨球和PCBN 的形貌分析

為了充分理解CoF 與退火溫度之間的關(guān)系，對(duì)PCBN 表面的形貌進(jìn)行了進(jìn)一步研究。圖7 顯示了在Si3N4球體上形成的磨損痕跡形態(tài)的光學(xué)顯微照片，可以看出Si3N4球體的磨斑表面出現(xiàn)彩色涂層。據(jù)Qin 等［30］的研究發(fā)現(xiàn)，這些彩色涂層是在摩擦過程中形成的轉(zhuǎn)移膜，這些轉(zhuǎn)移膜起到了更好的減摩和耐磨的作用，因此，它被認(rèn)為是一種減摩劑，同樣的其它相關(guān)研究也表明彩色轉(zhuǎn)移膜的減磨作用［31-32］。從圖7 中還可以看出，常溫PCBN 對(duì)磨球的磨斑直徑最大，約為822 μm，這可能是由于常溫PCBN 的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Si3N4球的硬度，所以相對(duì)較軟的Si3N4球在對(duì)磨較硬的PCBN 樣品時(shí)磨損比較劇烈。

圖7 不同溫度退火處理后PCBN 對(duì)磨Si3N4球的磨斑圖像Fig.7 Wear spot images of grinding Si3N4 balls after heat treatment at different temperatures

圖8 顯示了經(jīng)Si3N4對(duì)磨后，PCBN 表面上的磨痕SEM 圖像。可以看出常溫PCBN 的磨痕和經(jīng)過600、700、800 ℃退火處理的磨痕相似。然而，在900 ℃時(shí)，磨損軌跡的形態(tài)發(fā)生了很大變化，并且隨著磨損的擴(kuò)大，在軌跡區(qū)域形成了粘著。另外觀察1000 ℃的磨損痕跡發(fā)現(xiàn)，磨痕處出現(xiàn)大量的粘著，且在高的應(yīng)力下發(fā)生了剝落。

圖8 不同溫度退火后PCBN 樣品對(duì)磨Si3N4時(shí)的磨痕SEM 圖像Fig.8 SEM images of wear scars on PCBN samples after heat treatment at different temperatures after grinding Si3N4

2.2.3 磨損分析

為了進(jìn)一步探究對(duì)磨球的特性，計(jì)算了對(duì)磨球的磨損率（如圖9 所示）。常溫PCBN 對(duì)磨Si3N4球時(shí)，對(duì)磨球的磨損率約為4.4×10-9mm3/（N·mm）。經(jīng)過600、700、800 ℃退火處理后，對(duì)磨球的磨損率不斷下降，逐漸降低至2.7×10-9mm3/（N·mm）。但是經(jīng)過900 ℃退火處理后，磨損率突然升高至3.5×10-9mm3/（N·mm），而1000 ℃退火處理的磨損率為4.2×10-9mm3/（N·mm）。

圖9 不同溫度退火后Si3N4球的磨損率Fig.9 Wear rate of Si3N4 balls after heat treatment at different temperatures

不同溫度退火后PCBN 對(duì)磨Si3N4時(shí)的磨痕形貌和對(duì)應(yīng)的磨痕界面如圖10 所示。顯然常溫樣品和經(jīng)過600 ℃和700 ℃退火處理的樣品，其磨損比較均勻且磨痕較淺，磨痕深度約為0.1～0.2 μm。但是經(jīng)過800 ℃退火處理的樣品，其磨痕處出現(xiàn)磨屑堆積的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在900 ℃時(shí)加重，堆積厚度可達(dá)0.8～1.5 μm 左右，且磨痕深度最深約為1 μm，較深的磨痕主要是CBN 顆粒被拔出導(dǎo)致的。很明顯的可以看出，經(jīng)過1000 ℃退火處理后磨損最嚴(yán)重，磨痕寬度約為其他情況的2 倍，PCBN 磨痕深度達(dá)6～10 μm，遠(yuǎn)高于其他條件下的磨損深度。這主要是由于1000 ℃退火處理后PCBN 的硬度最低，所以耐磨性降低，經(jīng)過摩擦磨損后，CBN 顆粒更容易受到應(yīng)力作用造成剝落。通過以上結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過900 ℃和1000 ℃退火處理的樣品磨損很嚴(yán)重，所以應(yīng)進(jìn)一步探究磨痕磨損形式。

2.2.4 磨痕形貌分析

為了更加清晰地了解退火處理后磨痕變化，使用了高倍的SEM 圖像和EDS 元素分析（如圖11 所示），發(fā)現(xiàn)磨痕處出現(xiàn)Si 元素。同時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1000 ℃退火處理后，其磨痕處的粘著層出現(xiàn)裂紋，因此推測磨粒磨損和粘著磨損同時(shí)出現(xiàn)。這與前人的研究類似，當(dāng)PCBN 切削不同材料時(shí)，由于切削速度而產(chǎn)生大量的切削熱，因此在切削過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粘著，粘著材料在機(jī)械應(yīng)力的作用下而產(chǎn)生裂紋［33］。

2.2.5 摩擦磨損模型

界面的相結(jié)構(gòu)和形態(tài)決定了摩擦?xí)r的CoF。在600～800 ℃時(shí)達(dá)不到TiN、TiB2和CBN 被氧化所需的活化能，因此PCBN 的表面沒有明顯變化。故與常溫PCBN 相比，600～800 ℃時(shí)的CoF 略有增加。經(jīng)800 ℃退火處理的PCBN 對(duì)磨Si3N4球時(shí)，在高載荷和摩擦高溫下，產(chǎn)生了粘著磨損，如圖12（a）所示。隨著退火溫度的進(jìn)一步升高，PCBN 出現(xiàn)了氧化現(xiàn)象，在800 ℃退火后有新的TiO2相的生成，并且XRD 圖還檢測到了新峰（如圖4 所示）。據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，新生產(chǎn)的TiO2的硬度低于TiN，且為多孔形狀的［34］。在高赫茲接觸壓力下，TiO2、CBN 等物體極其容易剝落，從而導(dǎo)致CoF 迅速增加，此時(shí)出現(xiàn)了磨粒磨損形式，如圖12（b）所示。另外在摩擦熱的作用下，不可避免地出現(xiàn)粘著堆積，因此在900 ℃和1000 ℃的高溫退火后，PCBN 的磨痕較深且粘著堆積較為嚴(yán)重。

Si3N4與PCBN 樣品對(duì)磨時(shí)，在磨損開始時(shí)，Si3N4球的最低點(diǎn)與PCBN 進(jìn)行摩擦，即為點(diǎn)點(diǎn)摩擦，如圖12（c）所示。隨著摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行，Si3N4與PCBN 出現(xiàn)了點(diǎn)面接觸的磨損，如圖12（d）所示。分析整個(gè)摩擦過程不難發(fā)現(xiàn)，球的最低點(diǎn)對(duì)磨的時(shí)間最長，所以PCBN 樣品與Si3N4球初始接觸位置A點(diǎn)（圖12c）磨損次數(shù)最多，即出現(xiàn)了如圖10 所示的磨損形狀。當(dāng)Si3N4與PCBN 達(dá)到點(diǎn)面接觸的狀態(tài)時(shí)，材料可能出現(xiàn)片狀剝落的狀態(tài)，即圖8（f）所示。

3 結(jié)論

本文依據(jù)PCBN 割刀切削巖石理論，探究了不同退火溫度對(duì)PCBN 的影響和PCBN 對(duì)磨Si3N4球時(shí)的摩擦特性，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)退火溫度＞800 ℃時(shí)，PCBN 的粘結(jié)劑會(huì)發(fā)生相變，與氧元素反應(yīng)生成TiO2。隨著退火溫度的升高，TiO2的生成量變多。

圖10 不同溫度退火后PCBN 對(duì)磨Si3N4時(shí)的磨痕形貌Fig.10 Wear scar morphology of PCBN samples after grinding at different temperatures for Si3N4

（2）PCBN 對(duì)磨Si3N4球時(shí)，摩擦系數(shù)隨著退火溫度的升高總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但是經(jīng)過1000 ℃退火處理后，摩擦系數(shù)小于900 ℃退火處理，這是由于經(jīng)過1000 ℃退火處理后，有大量TiO2相的生成。

（3）PCBN 對(duì)磨Si3N4球時(shí)，磨損機(jī)理與退火溫度有關(guān)。常溫PCBN 對(duì)磨Si3N4球時(shí)未發(fā)現(xiàn)粘著磨損；800 ℃退火后，磨痕邊界出現(xiàn)輕微的粘著磨損；900 ℃退火后，PCBN 由于相變導(dǎo)致出現(xiàn)大量的粘著磨損；1000 ℃退火后，由于TiO2、CBN 等剝落物產(chǎn)生，出現(xiàn)了粘著磨損和磨粒磨損共存的形式。

圖11 900、1000 ℃退火處理后PCBN 對(duì)磨Si3N4的磨痕SEM 圖像和EDS 分析Fig.11 SEM image and EDS analysis of wear scar boundary of PCBN sample at heat treatment at 900 ℃and 1000 ℃after grinding Si3N4

圖12 PCBN/Si3N4摩擦界面示意Fig.12 Schematic diagram of PCBN/Si3N4 friction interface