铁基烧结合金精加工用SUMIBORON® BN7500的开发

541Hits2014-10-11 17:06:02　Source:Sumitomo Cutting tools

1.前言

　　cBN(立方晶体氮化硼)具有优异的特性，高硬度和高热传导率仅次于金刚石，与铁基金属的反应活性较低。本公司采用特殊陶瓷粘结 剂与该cBN结合，开发制成了cBN烧结体，使以往主要采用磨削加工的淬火钢实现了切削化加工，而且对于铸铁和烧结零件等铁基材料，使用高含量系列cBN烧结体刀具，在半精加工和精加工为中心的加工领域，对提高生产率、降低成本做出了贡献(1)～(4)。
　　近年来，汽车零件中使用铁基烧结合金的 比率在不断提高。采用粉末冶金方法制造的铁基烧结合金，可用近似成形技术制造复杂的形状，获得与成品形状接近的制品，从而可缩短加工工序，降低成本、节省能源。而且，还具有通过控制添加的硬质粒子比例、粒径、烧结密度和热处理方法，可自由设计材料特性的优点。但是随着材料功能的不断提高，由于切削困难而导致的加工精度降低，刀具寿命缩短已成为一大课题。为了解决这些要求，开发了铁基烧结合金精加工用的cBN烧结体刀具“SUMIBORON®BN7500”。下面汇报该材质的特长及切削性能。

2.铁基烧结合金加工中的课题

　　铁基烧结合金在加工过程中，刀刃与烧结合金中的硬质粒子摩擦易引起刃口机械性磨损的进展，使用硬质合金和金属陶瓷刀具难以获得完美的加工精度和刀具寿命，因此，cBN烧结体刀具的应用正在不断扩展。最近随着汽车零件的高功能化，烧结合金也呈现难切削的倾向，要求具有耐磨损性和耐崩损性的优良刀具材质。
　　尤其在铁基烧结合金的精加工中，切削面上存在毛刺、小缺口、卷边及白浊现象等问题。上述问题大多由后续工序的刷光处理和滚 光处理进行形状修正加工，省略和缩短该工序就是需解决的课题。要抑制零件棱边处产生的毛刺、小缺口、卷边、啃削而导致的切削面白浊现象，最重要的是保持刀具刃口的锋利度。
　　为了提高耐久性，零件局部经过高频淬火的烧结合金硬度很高，刀具易发生磨损，断续部位的加工中，刀刃承受断续性冲击，崩刃和崩损导致使用寿命缩短也成为问题。因此刀刃强度高，具有稳定寿命的cBN烧结体刀具是必不可少的。

3.BN7500的特长

3-1 BN7500的材料特性

　　BN7500的材料特性与以往材质同列于表1。BN7500与本公司以往材质BN700相比，微粒的cBN粉末烧结密度更高，兼具更高的硬度和抗折力。增加cBN粒子的含量，减少机械特性较差的粘结剂的比率，可抑制刀刃与烧结合金所含硬质粒子因摩擦而产生的磨损。加之cBN粒子的微粒化及cBN粒子之间粘结力的 加强，抑制了构成刀具刃口线部cBN粒子的脱落，从而可形成更锋利的刀刃形状。而且减少了切削中因硬质粒子冲撞导致的cBN粒子的破碎和脱落，磨损也呈现均匀进展，因此具有能长时间保持刀刃初始锋利状态的特长。

3-2 BN7500的形状

　　BN7500的刀刃断面形状和刀刃处理如图1所示。以往刀具cBN烧结体通过硬质合金与刀杆金属结合，而BN7500的结构是cBN烧结体直接与刀杆金属相结合(图1(a))。结果cBN烧结体的厚度比以往刀具厚，使其能承受严重磨损，而且由于cBN烧结体材料与刀片座的结合面减小，提高了刀具的可靠性，因此能解决 烧结合金工件的难切削问题。BN7500中通用性强的“标准型”、重视锋利度的“LF型”、刀刃增强的“HS型”3种刀刃处理类型已成系列、对于被切削性能和零件形状多样化的烧结材料的高精度加工，可发挥优异的切削性能(图1(b))。耐崩损性和锋利度平衡优异的标准型，是烧结合金精加工的首选刀刃处理类型。 LF型充分利用BN7500优异的刃口切削性，是专为切削烧结合金而设计的锋利刃型，能抑制毛刺、白浊现象，获得优良的表面粗糙度和形状精度。HS型倒棱角度大，并经过R珩磨处理，即使用于超过HRC50的淬火烧结合金的断续切削，也能抑制崩损，保持长寿命。

4.BN7500的切削性能

4-1 一般烧结合金加工

　　使用BN7500，以精加工条件加工硬度HRB70的一般烧结合金(SMF4040)的带孔端面时，切削阻力和表面粗糙度及端面孔上产生的毛刺情况如图2所示。LF型倒棱角为0°时，由于刃口锋利，切削阻力最小。HS型加上倒棱角，再进行R珩磨处理，切削阻力值变大，尤其径向力增大。标准型刀刃仅进行倒棱角处理，呈现为LF型和HS型的中间值(图2(b))。切削速度越高表面粗糙度越好，可获得有光泽的外观品质。切削速度Vc＝200m/min.以上时，无论哪种刀刃处理类型都能获得良好的表面粗糙度；切削速度Vc＝100m/min.的低速切削时，标准型、HS型会发生白浊现象，表面粗糙度将极其恶化；LF型即使低速切削时，也能获得良好的表面粗糙度(图2(c))。端面孔处发生的毛刺，呈现出与表面粗糙度同样的倾向，倒棱角度小，切削速度高的条件下，毛刺变小(图2(d))。
　　一般烧结合金加工中，首选通用性强的标准型，为了抑制白浊现象，切削速度Vc＝200m/min.以上为好。但是，小型零件等难以高速切削时，或者使用标准型而表面粗糙度变差、发生毛刺等问题时，则推荐锋利度优异的LF型。

4-2 淬火烧结合金加工

　　下面，经过高频淬火齿轮部硬度增高至HRC60的高硬度烧结合金的断续切削中，对耐崩刃性进行评价的结果如图3所示。HS型大倒棱角25°，再经过R珩磨，刀刃强度增高，可抑制崩刃，即使在淬火烧结合金的断续加工中，也能实现稳定切削和长寿命化。
　　即使对于淬火烧结合金的加工，首选也是通用性强的标准型，但出现因崩刃和崩损导致使用寿命缩短时，则推荐刀刃强度优异的HS型。

4-3 白浊(啃削)的机理

　　作为铁基烧结合金加工的课题，白浊现象的机理虽然尚未完全明瞭，但如本报4-1中叙述的，采取增高切削速度，将刀刃处理得更加锋利等措施，就能抑制白浊现象，已为经验所证明。这次，从锋利度观点对白浊现象进行验证的结果，如图4所示。使用BN7500和本公司以往材质BN700，对硬度HRB70的一般烧结合金(SMF4040)的端面进行了加工(图4(a))。分别出现约0.05mm磨损时的刀刃损伤状态的SEM照片如图4(b)所示。可以明白，以往刀具由于较粗的cBN粒子脱落，导致刀刃线呈现圆弧状，而BN7500的刀刃线仍保持锋利度。如果以上述状态继续进行切削，用BN700加工的工件就会出现白浊现象，而用BN7500加 工的工件则未出现白浊现象(图4(c))。可推断BN700刀具因磨损进展，刀刃呈现圆弧状，切削点附近局部出现较大的负前角，锋利度变差而导致发生啃削(图4(d))。
　　为了抑制啃削现象，保持刀刃的锋利至关重要，相对于以往刀具，采用可抑制刀刃脱落的BN7500，即可实现抑制白浊，保证加工的高精度化和刀具的长寿命化。

5.BN7500的适用领域和使用实例

　　本公司推荐的铁基烧结合金加工的适用领域如图5所示。烧结零件的粗加工由于还有精加工研磨或精加工切削的后续工序，因此对抑制崩损的可靠性非常重视。因此，本公司推荐与BN7500相比，cBN粒度较粗、韧性优良的BN700。如上所述，BN7500具有保持优良的刀刃形状的特性，能长时间维持锋利度，所 以推荐用于精加工。例如，汽车零件的油泵转子、VVT相关零件的端面精加工、VSR的切入加工中可发挥其威力。

　　图6表示BN7500的使用实例。一般烧结合金的精加工使用BN7500可以抑制毛刺，使用寿命为其他公司烧结合金用cBN烧结体刀具的1.5～2倍。

6.结论

　　使用铁基烧结合金精加工用cBN烧结体刀具“SUMIBORON®BN7500”，能抑制铁基烧结合金加工中的难题毛刺和白浊现象，实现刀具的长寿命化。BN7500在本公司SUMIBORON®系列产品中也是具有最高材料强度的刀具材料，其应用范围不仅是烧结材料，铸铁的高速加工、淬火钢的强断续加工、硬质铣削等、需要材料强度的应用领域均可预期发挥高性能，可以期望今后的加工用途还将不断扩展。