多孔金屬結合劑金剛石砂輪的研究

趙亞慶,何方

(河南工業大學,材料科學與工程學院,河南鄭州450001)

多孔金屬結合劑金剛石砂輪的研究

趙亞慶,何方

(河南工業大學,材料科學與工程學院,河南鄭州450001)

重點介紹了多孔金屬結合劑金剛石砂輪的成孔機理、制備方法,以及在孔隙存在時提高砂輪強度的措施,并對多孔金屬結合劑金剛石砂輪研究方向做了展望。

金屬結合劑;金剛石砂輪;孔隙;強度

1 引言

金屬結合劑金剛石砂輪與樹脂結合劑金剛石砂輪和陶瓷結合劑金剛石砂輪相比,具有成型密度高、組織致密、韌性好、耐磨性好等特點,多用來加工金屬間化合物、高溫合金、工程陶瓷、硬質合金和寶石等難加工材料[1]。但傳統金屬結合劑金剛石砂輪屬致密型砂輪,孔隙率很低,磨削過程中,自銳性差,磨屑易堵塞黏附,導致工件燒傷,且修整修銳困難[2]。傳統金屬結合劑砂輪的這些缺點限制了其應用。雖然目前采用激光修整[3]等技術可以實現金屬結合劑金剛石砂輪的精確修整,但是如果能制造出一種本身自銳性就很好的砂輪,則能達到事半功倍的效果。

氣孔作為砂輪的三要素之一,在砂輪磨削加工過程中具有很重要的作用:氣孔具有一定的容屑排屑能力,能有效預防砂輪堵塞;氣孔如果為開孔,冷卻液將通過開孔不斷滲入到砂輪里,甚至是磨削區域,起著冷卻散熱的作用,能有效減少工件燒傷的機率[4];在陶瓷結合劑砂輪中,合理的氣孔分布能有效抑制裂紋的擴展,增加結合劑韌性,從而提高陶瓷結合劑砂輪的抗沖擊強度[5]。

為了從根本上解決金屬結合劑金剛石砂輪自銳性差、金剛石磨粒出刃難、修整修銳困難等問題,日本學者T.Tanaka[6]在1992年提出將孔隙結構引入到金屬結合劑金剛石砂輪的制備中,并嘗試制備了以鑄鐵為結合劑的多孔金屬結合劑金剛石砂輪。隨后,在S.H.Troung等[7]人的進一步研究中使用了熱等靜壓法、真空燒結法和通電燒結法制備多孔金屬結合劑砂輪,并證實多孔金屬結合劑金剛石砂輪具有磨削鋒利、磨削力小、磨削溫度低、砂輪易于修整修銳等特點。在國內,南京航空航天大學、華僑大學等的研究人員對多孔金屬結合劑金剛石砂輪的制備及磨削性能的研究較多。

2 多孔金屬結合劑金剛石砂輪的成孔機理及制備方法

粉末冶金法制備的金屬結合劑金剛石砂輪中的氣孔按照生成機理可分為間隙孔和生成孔。間隙孔是燒結過程中由于原子遷移、燒結頸的形成與長大、閉孔球化之后,通過延長燒結時間也無法完全消除的少量閉孔隙;生成孔是添加成孔劑后,在燒結過程中成孔劑分解、揮發、溶解而形成的孔或者是在使用過程中成孔劑溶解或破碎而形成的孔。故生成孔取決于成孔劑的類型、顆粒形狀和加入量等[8]。而在多孔金屬結合劑金剛石砂輪的生產中,成孔方法大多借鑒多孔陶瓷結合劑砂輪和多孔金屬材料的成孔方法。目前常用的制備方法有以下幾種:

2.1 高溫分解或揮發物造孔

J.B.Mao等[9]用白砂糖做成孔劑制備陶瓷結合劑cBN砂輪,研究表明糖含量不僅影響孔隙率還影響孔的形狀、大小和分布。糖含量從3%增加到5%,孔隙率從26.1%增加到31.9%,試樣抗彎強度從51MPa降低到22MPa。糖含量在1%～3%時,生成孔小而且分布均勻;糖含量在5%～7%時,生成孔大且不均勻,產生大量孔隙通道,強度大大降低。糖含量達到9%時,節塊嚴重變形或開裂。X.F.Lv等[10]用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)做成孔劑制備陶瓷結合劑cBN砂輪。PMMA的熱分解溫度在250℃到400℃之間,PMMA做成孔劑制成的孔比用活性炭做成孔劑制成的孔更均勻,孔的形狀也更接近于球形。PMMA做成孔劑試樣的抗彎強度和洛氏硬度均比用活性炭高。PMMA的含量從0增加到8%,試樣孔隙率從36.5%增加到43.5%,抗彎強度從90 MPa減小到59.7 MPa,而加8%活性炭的試樣抗彎強度僅為38.6 MPa。原因是活性炭成孔不規則產生缺陷,易造成應力集中從而導致產品的強度下降。這種方法的缺點是孔大小、形狀、分布不易控制,易導致磨具膨脹、開裂。李養帥等[11]在鋁青銅胎體中添加2%的Ti H2之后,鋁青銅胎體的力學性能顯著提高。Ti H2高溫分解之后能起造孔劑的作用,同時Ti H2分解之后產生的Ti原子具有較高的活性,能與Cu形成固溶體,也能與金剛石反應生成碳化物,提高磨具強度。

2.2 可溶(熔)性鹽類物質造孔

侯永改等[12]使用一種可溶性鹽類做成孔劑制備陶瓷結合劑cBN磨具。這種成孔劑在磨具磨削過程中可溶解于水溶性冷卻液中,而在自身占據的位置形成氣孔。這種方法的缺點是砂輪吸水后容易變形,影響砂輪的質量。賈寶強[13]采用熔(溶)鹽-脫鹽法制備金屬通孔材料,將模壓成型塊860℃～880℃預燒結保溫2h,在950℃～1000℃保溫0.5h將BaCl2熔融脫掉,在1150℃保溫燒結0.5h,制備出多孔鎳材料;將模壓成型塊在720℃～730℃預燒結保溫2h,在950℃保溫燒結1h后隨爐冷卻至室溫,再在100℃蒸餾水中煮沸1h將NaCl溶解脫掉,制備出多孔銅鎳合金多孔材料。這種方法過程繁瑣,并且熔(溶)鹽不容易完全脫去。

2.3 超臨界萃取成孔劑造孔

Timothy D.Davis等[14]用超臨界CO2萃取成孔劑聯二苯制備多孔陶瓷砂輪。使用此方法不會損傷磨具的微觀結構,避免了傳統成孔劑在燒結過程中易造成磨具膨脹、開裂等缺陷。萃取溫度295～338 K,壓力8.8～27.6 MPa,CO2流量3.4×10-5KgS-1和7.5×10-5KgS-1。實驗結果表明:萃取效果受溫度和CO2流量影響較大,基本不受壓力和成孔劑顆粒大小的影響。萃取制備的多孔砂輪與傳統砂輪性能相似,但在高金屬切除率環境下,萃取多孔砂輪表現出更好的性能,并且孔徑大的砂輪比孔徑小的砂輪性能好。這種方法的缺點是過程復雜,成本較高。

2.4 陶瓷空心球造孔

W.F.Ding等[15]用Al2O3空心球作成孔劑,石墨作添加劑,在真空度小于1×10-2、壓力440 MPa、燒結溫度880℃條件下保溫30 min制備了以Cu-Sn -Ti合金為結合劑的多孔cBN砂輪。使用高溫分解的物質作成孔劑制得的多孔金屬結合劑砂輪,孔的大小、形狀、分布不易控制,而用Al2O3空心球作成孔劑便可有效克服以上問題。在磨削過程中,Al2O3空心球破碎,形成孔隙,使砂輪具有更大的容屑空間。當節塊的孔隙率從8%增加到45%時,節塊的抗彎強度從103 MPa減小到51 MPa。考慮到孔隙率對容屑能力和抗彎強度的影響,孔隙率的最佳范圍為8～28%,Al2O3空心球的質量分數在5%～20%之間。選取難磨材料鎳高溫合金做磨削試驗,結果發現在相同條件下,多孔金屬結合劑cBN砂輪比陶瓷結合劑cBN砂輪具有更高的抗彎強度、低的磨削力和磨削能。劉明耀等[16]采用銅粉、錫粉、鈷粉、鍍鈦金剛石為原料,以陶瓷空心球做成孔劑制備多孔金屬結合劑金剛石砂輪,可避免以水溶性鹽類物質做造孔劑時易吸水影響砂輪質量,以低熔點物質做造孔劑壓制壓力小使強度低等缺點。添加適量的陶瓷空心球的多孔砂輪在磨削YG8硬質合金時表現出很好的鋒利性和自銳性。添加3.75%質量分數的陶瓷空心球砂輪的磨削效率最高,比致密砂輪提高了43%。

3 提高多孔金屬結合劑金剛石砂輪強度的措施

通過以上方法可以成功制備出孔隙率高達50%以上的多孔金屬結合劑金剛石砂輪,但隨著孔隙率的增加,金屬結合劑橋的體積會大大減少,導致金屬結合劑對金剛石磨料的把持強度減弱,砂輪的強度也會大大降低。同時,金剛石與結合劑的磨損過程不同步,金剛石過早脫落,造成金剛石磨料的浪費,也使砂輪壽命大大縮短。為了提高多孔金屬結合劑金剛石砂輪的強度,南京航空航天大學研究團隊在將孔隙結構引入到金屬結合劑砂輪的同時,借鑒高溫釬焊金剛石工具技術原理,企圖實現金屬結合劑與金剛石之間的化學冶金結合,從而提高砂輪強度。

釬焊金剛石工具具有金剛石出露度高,容屑排屑空間大等優點,Y.Q.Yu等[17]比較了釬焊金剛石工具與熱壓燒結金剛石工具的區別:釬焊金剛石工具結合劑對金剛石的結合強度比熱壓燒結的高;釬焊金剛石工具金剛石不易脫落且具有更高的出露高度;釬焊金剛石工具的磨損主要是金剛石的磨耗磨損,提高了金剛石的利用率和磨削效率。

馮曉杰[18]以Ni-Cr合金和WC粉末為結合劑原料,以碳酸氫銨為造孔劑,先真空燒結制備多孔金剛石節塊,再用高頻感應以銀焊片為焊劑將節塊焊接到基體鑲塊上制備出多孔金屬結合劑金剛石砂輪。通過金剛石節塊斷口處的微觀分析可以明顯看出金剛石未被結合劑完全包覆,周圍存在孔隙,有利于砂輪的修整修銳,提高容屑空間。在金剛石與結合劑的結合界面處有Cr7C3生成,表明Ni-Cr合金在金剛石與結合劑界面之間形成了化學冶金結合,有效改善了在孔隙存在情況下結合劑對金剛石的把持強度。張偉峰[19]采用松裝燒結法制備多孔金屬結合劑金剛石節塊。將金剛石磨料、Ni-Cr合金釬料、Fe粉和造孔劑(高溫揮發物)混合均勻,經成型、烘干、真空燒結等工藝制得節塊。采用高頻感應焊接法將節塊基體鑲塊焊接,制備多孔金屬結合劑砂輪。借助SEM觀察了金剛石與結合劑的結合界面的微觀結構,結果表明在Ni-Cr合金釬料與金剛石界面上有多層條狀碳化物生成,大大提高了金剛石與Ni-Cr合金結合面的結合強度。

除了Ni-Cr合金釬料外,還常用Cu-Sn-Ti[20]、Ag-Cu-Ti[21]等合金釬料制備多孔釬焊金剛石工具。過渡族元素Cr、Ti、V、Zr等屬于強碳化物活性元素,在高溫下與金剛石反應的吉布斯自由能小于零[22],因此能與金剛石發生反應,并在金剛石表面生成一層碳化物;生成的碳化物形成金剛石與金屬結合劑之間的過渡層,是介于共價鍵金剛石和金屬鍵結合劑之間的過渡相,能有效降低金剛石與金屬結合劑之間由于熱膨脹系數不一樣而產生的界面應力[23];一般低熔點金屬對金剛石的表面潤濕性都不好,潤濕角都在100°以上,在生成碳化物之后,熔融金屬對金剛石的潤濕,轉化為對金剛石表面碳化物的潤濕,使潤濕性大大改善。總之,強碳化物元素的加入,相當于生成金剛石/碳化物/金屬胎體復合材料,使得金屬胎體與金剛石的結合強度大大提高。除了添加強碳化物形成元素之外,還可采用鍍膜金剛石、添加稀土元素、采用預合金粉末、加入低熔點元素等[24]方法來提高結合劑對金剛石的把持力,添加非金屬元素提高結合劑強度,如在銅基胎體中添加磷粉[25],由于磷元素擴散快,并且在714℃時,P與Cu能發生共晶反應生成Cu3P,從而大大降低燒結溫度,胎體抗彎強度也在磷含量為6%時達到最大。

4 多孔金屬結合劑金剛石砂輪的研究方向展望

高溫釬焊金剛石砂輪與電鍍金剛石砂輪相比,表現出了無可比擬的優異磨削性能。釬焊代替電鍍,希望能借鑒高溫釬焊使釬料在金剛石與結合劑界面上發生溶解、擴散、化合等相互作用,從而從根本上改善金剛石、結合劑與基體三者之間的結合強度。目前,高溫釬焊金剛石工具多為單層的,實質上是表鑲形式,這使得工具使用壽命受到極大限制。前人研究發現孔隙的大小、形狀、分布的均勻性均會影響砂輪的強度,金剛石磨料的有序排布會大大提高金剛石的利用率和磨削效率。因此如何將三者聯系起來,制備出孔隙大小、形狀一致、分布均勻,金剛石有序排布的多層或孕鑲多孔釬焊金剛石砂輪應當成為多孔金屬結合劑金剛石砂輪研究的一個重要趨勢。

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Research on Porous Metal-bonded Diamond Grinding Wheel

ZHAO Ya-qing1,HE Fang1
(College of Material Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou,Henan 450001,China)

The pore formation mechanisms and preparation method of porous metal-bonded diamond gringding wheel and the way to improve the strength of it when the pores are present have been focused on in this article.In addition,the research orientation of the porous metal-bonded diamond gringding wheel has been predicted.

Metal bond;diamond grinding wheel;pore;strength

TQ164

A

1673-1433(2015)02-0015-04

2015-01-15

趙亞慶(1990-),男,漢族,河南省鄧州市人,河南工業大學碩士研究生,研究方向:超硬材料制品。

何方(1968-),男,教授,從事納米孔輕質材料、粉末冶金的研究。E-mail:hefangmail@aliyun.com。

趙亞慶,何方.多孔金屬結合劑金剛石砂輪的研究[J].超硬材料工程,2015,27(2):15-18.