3C陶瓷用釬焊金剛石小磨頭的端面磨損＊

周 渝，黃國欽

（華僑大學 制造工程研究院,福建 廈門 361021）

3C 產品是計算機(computer)、通信(communication)及消費類電子產品（consumerelectronics）的統稱[1]。隨著5G 時代的到來，5G 通信由于采用3 GHz 以上的無線頻譜，信號傳輸量大，對應用此技術的手機等3C電子產品性能提出了更高的要求[2]。而以氧化鋯陶瓷為代表的3C陶瓷，對信號屏蔽較小，且在力學、光電、絕緣等方面都具有優異的性能，所以逐漸取代金屬、塑料等成為電子元件、光纖連接器等3C 產品所使用的重要材料[3-5]。

氧化鋯陶瓷具有較高的硬度、較好的抗彎強度、斷裂韌性以及耐磨性等，屬于難加工材料，一般主要采用磨削方式進行加工[6]。在硬脆材料加工領域中，以金剛石磨料為代表的金剛石工具，因其較高的加工效率及較長的加工壽命，已逐步取代傳統的普通磨料工具，成為陶瓷加工工具中不可或缺的部分[7]。目前，金剛石工具制備方式主要分為電鍍、燒結和釬焊3 種，其中的電鍍制備工藝較為成熟穩定，且對工具形狀沒有限制。但電鍍金剛石工具對磨粒僅有簡單的機械把持力，加工過程中磨粒易脫落；同時，電鍍過程使用的電解液含有大量難處理的有害雜質，對環境污染較大[8-9]。燒結方式制備的金剛石工具，由于在胎體中添加了一定的活性元素，使得金剛石磨粒與胎體之間可以形成一定程度的化學冶金結合，對磨粒有較高的把持力；但工具中金剛石的出刃高度較低，加工時工具表面易產生堵塞，造成工件表面燒傷等而影響工件加工質量[10-11]。而釬焊金剛石工具，由于金剛石、釬料、基體之間形成化學冶金結合，其結合強度較高，較薄的釬料層即可較好地把持金剛石磨粒，同時獲得較大的容屑空間，提高了工具加工效率，改善了其使用壽命[12-13]，已成為金剛石磨粒工具制備研究的熱點。

國內外專家對氧化鋯陶瓷的加工進行了深入的研究。XU 等[14]使用單點釬焊金剛石對氧化鋯陶瓷磨削加工，發現切深小于臨界值時，材料的去除方式為粉末化去除，且單點金剛石磨削過程中的材料會側向流動，在凹槽的兩側形成堆積；MOHAMMAD 等[15]采用新型混合結合劑金剛石刀具切削氧化鋯陶瓷，發現最大未變形切屑厚度較小時材料以延性去除為主，并可獲得較好的表面質量；董光耀[16]通過埋砂法釬焊-電鍍制作了細粒度金剛石磨頭，并用該工具加工了軸對稱非球面工件；王陽光[17]通過搭建細粒度金剛石涂覆設備，實現了對細粒度金剛石銑磨頭中金剛石的釬料涂覆，并通過檢測銑磨頭加工的氧化鋯陶瓷表面粗糙度來評價銑磨頭的磨削性能；王宗偉等[18]通過旋轉超聲輔助磨削加工氧化鋯陶瓷小孔，發現超聲輔助加工時的小孔表面質量有較大提高，其亞表面損傷等缺陷有所減小，但超聲振動會降低工件加工的精度。

由于國內外相關研究大多集中在氧化鋯陶瓷加工的磨削機理及表面質量上，而對氧化鋯陶瓷加工工具的研究較少。隨著3C 產品外觀尺寸的微小化，其陶瓷構件上有大量小尺寸的溝槽、小孔等需要進行高精加工[19]，給金剛石磨粒工具帶來苛刻的需求及挑戰，即工具尺寸的微小化和磨粒的細粒度化[20]。鑒于金剛石小磨頭是3C陶瓷構件槽、孔等加工的最常用工具，嘗試用銅基和鎳基釬料制作細粒度金剛石微銑磨頭，以3C產品中最常用的氧化鋯陶瓷為工件，通過其磨削試驗，觀察微銑磨頭表面的形貌變化，分析磨頭磨粒的磨損特性以及2 種釬料對微銑磨頭壽命的影響。

1 試驗條件及方案

1.1 試驗條件

磨頭所用磨料為長沙晶峰金剛石材料有限公司生產的型號為JFD10 的金剛石，其粒度代號為230/270；磨頭基體材料為45#鋼。磨頭基體形狀及尺寸如圖1所示。試驗采用鎳基和銅基2 種釬料，其基本顆粒尺寸均為48 μm，商用牌號分別為BNi76CrP 和CuSn19Ti10。磨頭磨削的材料是規格為10 mm×10 mm×7 mm 的氧化鋯陶瓷。

圖1 基體尺寸Fig.1 Base size

釬焊磨頭制備過程為：先對磨頭基體去除表面氧化層和油污，然后超聲清洗基體并晾干，再在基體上粘一層黏結劑用于涂覆釬料層，最后粘一層釬料層并均勻涂覆金剛石顆粒，涂覆過程中將釬料層厚度控制在約50%金剛石顆粒粒徑的厚度；再將涂覆好的樣本放入沈陽威泰科技發展有限公司生產的VSF200 型真空釬焊爐內釬焊，銅基、鎳基磨頭以3～5 ℃/min 的升溫速度分別加熱至880 ℃、950 ℃，保溫15 min 后隨爐冷卻至室溫即可得到所需金剛石磨頭。磨頭實物圖如圖2所示。試驗中每種釬料制作1 個磨頭，為減小磨粒密度對磨頭壽命的影響，嚴格控制磨頭端面的磨粒數量，如表1所示，其中端面磨粒密度為磨頭端面的磨粒數量與端面面積之比。

圖2 磨頭Fig.2 Grinding head

表1 2 種磨頭端面的磨粒數及密度Tab.1 Number and density of abrasive grains on the end face of two kinds of grinding heads

1.2 試驗方案

磨削試驗前，先用日本HIROX 公司的KH-8700 三維視頻顯微鏡觀察記錄各個磨頭磨削前的原始表面形貌。

磨削試驗時，將磨頭裝在北京精雕科技集團有限公司生產的JD LVG600E_A10 型精雕機上，對氧化鋯陶瓷塊的10 mm×10 mm 平面進行磨削。磨削試驗系統如圖3所示，陶瓷磨削參數如表2所示。為了觀察磨頭磨削過程中的磨粒磨損變化，每加工0.2 mm 的工件深度，就對磨頭進行超聲清洗、晾干，并采用三維視頻顯微鏡對加工后的磨頭端面形貌進行觀察并記錄。根據磨頭端面形狀特點，將磨頭端面劃分為3 個區域，如圖4所示，靠近磨頭端面圓周邊緣的區域為A區，磨頭端面中心的區域為C區，A區與C區之間的區域為B區。選取100 顆分布于A、B、C區固定位置的金剛石磨粒進行觀察，統計其完整、磨平、破碎、脫落磨粒的數量，直到磨頭完全磨損至不能工作為止。

圖4 磨頭端面區域劃分Fig.4 Division of grinding head end face area

表2 陶瓷磨削參數Tab.2 Parameters for grinding ceramic

圖3 磨削試驗系統Fig.3 Grinding test system

通過分析陶瓷材料累計去除體積與磨粒磨損數量之間的關系，探究2 種釬料磨頭的耐磨性和磨粒磨損特性。

2 試驗結果及分析

分別在表2 條件下進行銅基和鎳基磨頭磨削氧化鋯陶瓷工件試驗，磨頭在磨削時打滑而不能磨削材料時試驗終止，也即試驗完成。然后，分別對2 種磨頭的陶瓷累計去除體積進行統計，發現銅基磨頭的陶瓷累計去除體積為440 mm3，鎳基磨頭的陶瓷累計去除體積為360 mm3，銅基磨頭的去除體積約是鎳基磨頭的1.2 倍，因此銅基磨頭壽命是鎳基磨頭的1.2 倍，銅基釬料對金剛石磨粒把持力較好。

2.1 銅基磨頭端面形貌變化

銅基磨頭磨削不同體積材料前后的端面形貌變化如圖5所示。其中：圖5a 是銅基磨頭磨削前的端面形貌，圖5b～圖5f 分別為去除陶瓷體積分別為60,100,300,420 和440 mm3時的磨頭端面形貌。由圖5 可知：磨頭磨削前，除個別磨粒存在破碎外，其他金剛石磨粒都為完整磨粒；陶瓷磨削體積達60 mm3時，A區少量金剛石出現以磨平為主的磨損情況。隨著磨削過程的進行，B區較為突出的磨粒也開始逐漸出現磨損；當陶瓷磨削體積為100 mm3時，A區開始出現少許磨粒的脫落和破碎，C區中少量磨粒出現磨損，同時B區中已經磨損的磨粒磨損加劇；當陶瓷磨削體積為300 mm3時，A區與B區內大量磨粒被磨平，同時A區域邊緣大量磨粒脫落，且銅基釬料開始被磨削，但C區磨粒只有少量磨粒磨損；當磨削量達到420 mm3時，A區磨粒磨損最嚴重，大量磨粒脫落，銅基釬料磨損嚴重。B區次之，磨粒主要以磨平和脫落2 種形式磨損。但C區僅有少量磨粒磨損；當陶瓷磨削量達到440 mm3時，基體翹起導致磨頭失效。

圖5 銅基磨頭磨削前后表面形貌變化Fig.5 Changes of surface topography before and after grinding with copper-based grinding head

通過對銅基磨頭磨削過程的端面形貌觀察，可以發現：銅基磨頭的磨損主要從磨頭邊緣開始，然后逐步向中心擴散，但磨損區域主要位于磨頭邊緣，磨粒的磨損開始時主要以磨平形式為主。

2.2 鎳基磨頭端面形貌變化

鎳基磨頭磨削不同體積材料前后的磨頭端面形貌變化如圖6所示。其中：圖6a 是鎳基磨頭磨削前的端面形貌，圖6b～圖6e 分別為去除陶瓷體積分別為60,100,340 和360 mm3時的磨頭端面形貌。如圖6所示：磨頭磨削前，除個別磨粒存在破碎外，其他金剛石磨粒都為完整磨粒；陶瓷磨削體積達60 mm3時，A區少量磨粒脫落，隨后A區和B區都有少許磨粒開始被磨平；當陶瓷磨削量達到100 mm3時，A區磨粒脫落情況加劇，A區和B區中磨平磨粒數量增多，C區中少量磨粒出現脫落。在隨后的磨削過程中，磨頭的磨損形式主要以磨粒脫落為主，其中A區內磨粒脫落最嚴重。而在未脫落的磨粒中，A區和B區的磨粒磨損形式主要以磨平為主，C區磨粒磨損較小，只有少數磨粒脫落；當陶瓷磨削量達到約340 mm3時，A區磨粒脫落數量接近50%，少數磨粒脫落時在釬料上留下脫落痕跡，可以看出其脫落方向與磨頭旋轉方向相反；當陶瓷磨削量達到360 mm3時，A區、B區和C區的磨粒都出現大量脫落，磨頭無法工作。

圖6 鎳基磨頭磨削前后表面形貌變化Fig.6 Changes of surface topography before and after grinding with nickel-based grinding head

通過對鎳基磨頭磨削過程的形貌觀察，可以發現：鎳基磨頭的磨損也主要是從磨頭的邊緣開始的，然后逐步向中心擴散，最后以大量磨粒脫落的形式造成磨頭失效，其中磨頭邊緣磨損最嚴重。

2.3 磨頭的磨損特性及原因分析

2.3.1 磨頭的磨損特性

銅基磨頭磨削陶瓷時的磨粒數量隨累計去除體積的變化如圖7所示。由圖7 可知：從整個磨削過程看，磨頭端面的磨粒依次經歷從完整到磨平、脫落和破碎等的主要順序過程，其磨粒磨平數量全程最高，同時磨粒磨平的速度呈現先快后慢再變快的趨勢。在陶瓷磨削體積達300 mm3之前，磨粒破碎的數量高于磨粒脫落的數量，而之后則相反。說明磨削體積達到300 mm3時是銅基磨頭加工的一個轉折點，而此轉折點與磨粒磨平速度的最低點接近，使磨削時銅基磨頭一部分磨粒依次經歷了破碎、磨平、脫落的過程。因而可以推斷，在磨粒磨損過程中，一部分金剛石磨粒出現了破碎自銳，自銳的金剛石將更有利于磨削氧化鋯陶瓷，這可能是銅基磨頭耐磨性較好的原因。

圖7 銅基磨頭磨粒數量隨磨削材料累計去除體積的變化Fig.7 Variation of abrasive particle numbers of copper-based grinding head with cumulative material removal volumes

鎳基磨頭磨粒數量隨陶瓷材料累計去除體積的變化如圖8所示。由圖8 可知：磨頭端面磨粒同樣也是由完整、磨平、破碎和脫落構成。磨頭上金剛石磨粒的磨損形式按照主次排列依次為脫落、破碎和磨平，說明鎳基磨頭的磨粒失效形式主要為磨粒脫落；同時還發現：鎳基磨頭的磨損在前期都比較穩定，當材料累計去除體積達360 mm3時，破碎和磨平的磨粒數從前期的增長變為下降，而磨頭磨粒脫落數量則出現了爆炸式增長，減少的破碎、磨平的磨粒都在最后一次磨削過程中脫落，說明鎳基磨頭加工過程的緩慢磨損積累到最后會以磨粒脫落的形式使其失效。

圖8 鎳基磨頭磨粒數量隨磨削材料累計去除體積的變化Fig.8 Variation of abrasive particle numbers of nickel-based grinding head with cumulative material removal volumes

2.3.2 磨頭的磨損原因分析

通過圖5 和圖6 對磨頭磨削過程端面形貌變化的觀察，可以發現：銅基、鎳基2 種釬料磨頭的磨損都是從磨頭邊緣開始，然后逐步向中心擴散，直至磨粒磨損嚴重而失效無法工作。同時，觀察圖7 和圖8 可發現：當完整磨粒數量占比低于40%，即磨粒磨損數量達到或超過60%時，2 種釬料的磨頭都接近失效。

究其原因，如圖9所示：磨頭工作時，與工件首先接觸的只有磨頭端面的磨粒；且在橫向進給過程中，最先磨削工件的磨粒為磨頭端面邊緣的磨粒，磨頭端面內靠近中心部分的磨粒在磨削過程起輔助磨削作用，這導致磨頭端面邊緣磨粒比靠近中心的磨粒更快磨損。

圖9 磨頭磨削過程示意圖Fig.9 Schematic diagram of grinding process of grinding head

當磨頭端面邊緣磨粒大部分磨損時，剩下的完整磨粒幾乎都位于磨頭端面中心處，由于離磨頭中心越近磨粒線速度越低，磨粒越難去除工件材料，從而導致靠近磨頭中心的磨粒受到擠壓而滑移脫落，使得磨頭快速失效，最后造成圖5f、圖6e所示的結果。

圖10 為磨粒的脫落過程。在磨粒磨損過程中，發現不論磨粒開始以何種形式磨損，隨著材料累計去除體積的增加，最終磨粒幾乎都會以脫落的形式失效。推測其原因可能為：磨頭制備時，由于磨粒粒度較小，為保證磨粒的等高性而控制了釬料厚度，導致磨粒的釬料支撐壁較薄，如圖10a所示。磨削時，隨著磨粒磨損，磨粒所受載荷增加，當磨粒所受載荷大于釬料支撐壁可承受載荷時，釬料支撐壁隨即破裂，磨粒從釬料支撐壁的一側脫落，其脫落方向與磨頭旋轉方向相反，從而形成磨粒的脫落軌跡，如圖10b、圖10c所示。

圖10 磨粒脫落過程Fig.10 Abrasive particle shedding process

3 結論

在相同工藝條件下，對比了銅基和鎳基2 種釬料制備的細粒度尺寸金剛石釬焊金剛石磨頭磨削氧化鋯陶瓷的耐磨性，并同時分析其磨頭的磨損特性及原因。得出如下結論：

（1）2 種釬料的磨頭都可以實現對氧化鋯陶瓷的平面磨削。銅基磨頭的陶瓷累計去除體積為440 mm3，鎳基磨頭的陶瓷累計去除體積為360 mm3，銅基磨頭壽命是鎳基磨頭的1.2 倍。銅基釬料磨頭的陶瓷累計去除體積高，銅基釬料對金剛石把持力較好。

（2）銅基釬料的磨頭金剛石磨粒磨損的順序為磨平、脫落和破碎，而鎳基釬料的金剛石磨頭磨粒的磨損形式順序為脫落、破碎和磨平。

（3）2 種釬料磨頭的磨損都主要從磨頭端面邊緣開始，逐步向中心擴散，直至磨粒磨損嚴重而導致磨頭失效。