铁基结合剂论文（通用4篇）
铁基结合剂论文 篇1
1 前言
陶瓷结合剂cBN砂轮因其具有磨削效率高,形状保持性好、耐用度高、易于修整等优点,在各种结合剂类型的cBN砂轮中,成为发展最快的一个品种,从1980年至1993年在世界范围内cBN砂轮的结合剂构成比例中,陶瓷结合剂由4%增加到37%,呈大幅度上升的趋势。
在高速回转下进行磨削的陶瓷cBN砂轮,加大砂轮的进给速度和磨削深度,可大幅提高磨削效率;如只提高砂轮速度,而不增加进给,则可提高砂轮的耐用度,并能改善工件的加工精度和表面粗糙度。陶瓷结合剂cBN高速砂轮具有上述一系列优越性,因而受到世界广泛关注,成为世界上磨削工具产品开发的热点。
强度尤其是抗拉强度是影响陶瓷cBN高速砂轮使用的关键性因素。若强度不够,砂轮在磨削加工时易产生回转破裂现象,这将对人身及设备造成危害,因此对砂轮在高速回转下进行受力分析至关重要[1,2,3]。
2 陶瓷基体整体式结构砂轮的受力分析
砂轮磨削是一个相当复杂的过程,磨削力是磨削过程中产生的切削力和摩擦力的总和。在高速磨削条件下,砂轮的径向和切向磨削力都大为减小,由磨削作用引起的砂轮周面受力仅占砂轮旋转引起的离心应力的极小一部分,可以不予考虑,进行受力分析时,按工作速度的1.6倍(回转强度检查时的速度)进行计算[4]。
陶瓷基体整体式结构的砂轮,是将工作层部分与基体层部分一起成型。这种结构的砂轮目前占据了cBN陶瓷砂轮的主要部分。现制造一个工作速度V工作=80m/s的薄片砂轮,其形状及尺寸如图1所示。
由于基体层与工作层采用相同成分的结合剂,其密度(ρ)、泊松比(μ)等各参数非常接近。因此,我们可以假定砂轮材料是连续、均质、各向同性的,从而把它简化成弹性理论中回转盘问题,其应力分布如图2所示[5]。
根据砂轮中应力分布特点,可以推测砂轮回转时产生破裂现象首先从内孔开始,因为这跟切应力在砂轮孔径处最大相对应。内孔边上切向应力超过砂轮本身的抗拉强度时,砂轮就破裂。
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σθ:切向应力;
ρ:砂轮密度,取2.2×103kg/m3;
ν:砂轮的破裂速度,ν=V工作×k,k为安全系数取1.6;
μ:砂轮材料的泊松比,陶瓷材料取0.3;
a:砂轮内孔半径,m;
b:砂轮外圆半径,m;
因此,砂轮在V工作=80m/s状态下工作,砂轮抗拉强度不得低于(σθ)max。要达到如此高的强度,对于高温烧成(烧成温度约1300℃)的陶瓷砂轮也许可以解决,而对于低温烧成(cBN砂轮的烧成温度不高于900℃)的砂轮则很难实现[6]。因此,陶瓷基体很难满足80m/s及更高回转速度的砂轮,而必须用金属基体予以取代。
3 铝合金基体cBN陶瓷砂轮的受力分析
铝合金基体cBN砂轮的尺寸与陶瓷基体的相同,见图1,基体与工作层之间用具有足够强度的胶沾剂进行粘结。
一般铝合金的密度ρAl=2.7×103kg/m3,弹性模量EAl=7.50×1010Pa,泊松比μAl=0.34;工作层的密度ρ=2.2×103kg/m3,E=4.00×1010Pa,μ=0.30。由于铝基体与工作层之间各参数相差较大,而不能把砂轮简化成连续、均质的回转盘问题。我们可以使用ANSYS有限元分析软件,对高速旋转的砂轮进行受力分析,切向应力分布示意如图3所示[7]。
可得孔壁处的切向应力为3.66×107Pa,铝基体外围的应力为1.0×107 Pa;工作层内围的切向应力为5.66×106Pa,工作层的切向应力为4.62×106Pa。此时砂轮的抗拉强度只需满足5.66×106Pa,就能达到要求,远远小于3.00×107Pa;而一般的镁铝合金抗拉强度都能达到170MPa,许用应力[σ]=94.4 MPa(取安全系数ns=1.8),远远大于3.00×107Pa,从而使砂轮在高速条件下进行磨削成为可能。只需解决的问题是胶沾剂的选择,或同时使用机械的方法对基体与工作层之间进行加固。
4 结论
通过以上分析可知,对于低温烧成陶瓷cBN砂轮,在80m/s的工作条件下进行磨削,陶瓷基体强度很难满足要求;金属基体能有效提高砂轮的工作速度,降低对工作层的强度要求。本文所得到的结论,对于指导陶瓷结合剂cBN砂轮基体选择,保证砂轮安全工作具有重要的理论指导意义。
参考文献
[1]王德泉,陈艳.砂轮特性与磨削加工[M].北京:中国标准出版社,2001,182-184.
[2]邱丽花,刘一来,等.近年来关于陶瓷结合剂cBN砂轮的研究及成果[J].金刚石与磨料磨具工程,1997,5(101):39-41.
[3]赵玉成,臧建兵,等.烧成工艺对cBN用陶瓷结合剂性能的影响[J].工业金刚石,2000(1):11-12.
[4]宋贵亮,蔡光起.浅谈高速及超高速砂轮设计中的几个问题[J].磨床磨削,2000(2):25-27.
[5]李志宏.陶瓷磨具制造[M].北京:中国标准出版社,2000,317-318.
[6]吕智,陈国华,徐西鹏.cBN砂轮陶瓷结合剂研究中的若干关键问题[J].矿冶,2006,15(1):33-37.
[7]张洪信.有限元基础理论与ANSYS应用[M].北京:机械工业出版社,2006,182-200.
铁基结合剂论文 篇2
现阶段, 金属基结合剂金刚石工具在对非金属的加工和对硬脆材料的加工应用日益广泛, 但在复合材料金刚石工具的制作中, 存在着诸多问题, 如某些金属材料无法有效地与金刚石进行融合, 金刚石与金属材料结合不充分, 当金刚石工具使用过程中, 其中的金刚石磨粒通常在工具使用时间不长便已经脱落, 大大影响了工具的使用寿命。基于以上金刚石工具存在的问题, 需要进行有效的解决, 而进行解决的方式为提升胎体材料的把持力, 并控制好金刚石工具工作面的自锐时间和程度。以新型金刚石工具铜基结合剂为例, 对此类问题做出了初步且浅显的解决。
1 新型金刚石工具铜基结合剂的构成
1.1 新型金刚石工具铜基结合剂的构成思路
具有共价键的金刚石和多数金属以及金属合金之间有很高的界面能, 不易被润湿。金属与金刚石之间一般不发生界面反应, 以机械镶嵌为主, 以此类金属形成的胎体对金刚石没有足够的把持力, 金刚石容易脱落使金刚石工具的耐磨性下降, 使用寿命缩短。而向胎体中添加一些碳化物形成元素 (作用机理见图1) , 则可以改善胎体对金刚石的把持力, 提高使用寿命。
在传统的铜基结合剂中, 通常采用钴元素为碳化物形成元素, 但是钴的价格成本相对较高。铁与钴属于同族元素, 性质相似, 价格也比较低廉。如采用铁元素取代钴元素的位置, 不仅能够降低成本, 同时铁元素也能够对金刚石起到润湿的作用, 且与金刚石的冶金结合工艺也相对简单, 还能有效避免结合剂在烧结工艺上的弱点。因此, 铁元素取代钴元素, 是形成新型金刚石工具铜基结合剂的优化胎体配方, 也是新型铜基结合剂构成的一个方面[1]。再者, 传统的铜基结合剂对金刚石的把持能力不足, 容易在工具使用过程中出现金刚石过早脱落, 为解决此类问题, 应以热力学理论为基础, 通过分别向新型铜基结合剂中加入Mn、Ti、Cr等强碳化物以及稀土元素等添加剂, 分析出具体优化中所使用的碳化物成分, 以此来提高铜基结合剂对金刚石的把持能力[2]。
1.2 新型金刚石工具铜基结合剂的工艺流程及特点
首先, 将铜基结合剂的基本配方和配料准备充足, 工艺开始后, 将各种混料, 如Sn、Cu、Fe等进行合金混合, 并将脱模剂均匀地涂抹在模具内壁上;随后, 进行组装磨具和使用前检查, 再通过投料、捣料、刮料、摊料等工艺步骤, 最终将金属粉末进行温度为700~900℃、压力为80k N左右的热压烧结。在烧结结束后, 对新型铜基结合剂金刚石工具进行冷却卸模, 再经过一系列的相应尺寸打磨和后续检查, 形成新型铜基结合剂金刚石工具。而后, 通过对此结合剂的多次试验和分析, 发现此结合剂具有以下几个特点:此种新型铜基结合剂不但拥有传统铜基结合剂的韧性好、耐腐蚀性强、以及能够导热和导电的特性, 且还具有价格成本较低、融合成形性能高等特点, 此外, 此种新型金刚石工具铜基结合剂由于Sn的添加, 使胎体密度加大;由于Ni的添加, 使其抗弯能力加强;由于Fe的添加, 使其硬度也明显提高。
2 新型铜基结合剂在高频磨边轮中的应用
2.1 新型铜基结合剂在高频焊接磨边轮中的应用
将新型铜基结合剂应用于高频焊接磨边轮之中, 应当对所使用的铜基结合剂有效了解, 并对高频磨边轮的用途做好设定。高频焊接磨边轮是直接参与磨削、切割等工作的主体, 根据新型铜基结合剂的特点, 将其融入高频焊接磨边轮中, 能够有效提升磨边轮的耐磨能力, 并提高了力学性能。除此之外, 由于新型铜基结合剂在胎体方面得到优化, 且把持能力也明显加强, 使得应用于高频磨边轮上, 能够使高频焊接磨边轮工具在锋利度不减的情况下, 使用寿命得以极大的延长[3]。
2.2 实验分析
将制成的高频焊接磨边轮进行切割和磨削陶瓷试验, 通过试验发现, 其对于磨削工作操作完好, 整体过程无崩角, 磨耗比在5 500~6 500之间, 经进一步分析, 此种新型的高频焊接磨边轮胎体性能稳定、磨削性能强、烧结工艺要求较低, 且对于金刚石磨粒的把持能力同样处于同行业的先进水平行列, 综合数据分析, 此种新型铜基结合剂不仅能使金刚石工具的使用寿命极大延长, 同时又降低了投入成本, 能够大量应用于切割、磨削、抛光以及地质勘探领域, 为各行业的发展做出更大的贡献。
3 结束语
综上所述, 本文对金刚石工具在现今发展中存在的问题, 主要为胎体对金刚石磨粒没有足够的把持力, 易使金刚石磨粒在施工过程中过早脱落进行分析, 并且针对其制造成本较高但使用寿命偏低等问题, 运用金属替代物以及改良烧结工艺等一些列措施, 制作出新型的金刚石工具铜基结合剂, 并将此新型的铜基结合剂应用于采用高频焊接的磨边论中, 通过实践证明了此种新型铜基结合剂不仅能够有效提升胎体把持力, 更能有效提升高频焊接磨边轮的使用寿命, 因此, 可以说新型铜基结合剂的研制和开发, 为金刚石工具开辟了全新的市场, 也为我国金属工艺行业做出了相应的贡献。
参考文献
[1]吴颖.稀土Ce对新型铜基结合剂金刚石节块性能的影响[J].重庆文理学院学报 (社会科学版) , 2016, 2 (11) :6-9.
[2]司卫征, 袁慧, 张凤林, 等.金属基金刚石工具结合剂中添加合金元素的研究进展[J].超硬材料工程, 2007, 5 (18) :31-33.
[3]刘一波, 陈哲, 张而立, 等.金刚石工具国际市场现状的几点认识和建议[J].超硬材料工程, 2008, 6 (12) :25-29.
[4]黄炳南.碳化物形成元素对金刚石工具粘结剂性能的影响[J].石材, 1994, (2) :16-18.
铁基结合剂论文 篇3
关键词：金刚石工具,烧结温度,陶瓷结合剂,流动性
1 前言
陶瓷结合剂具有耐热性能好,化学稳定性好等性能,所以制备的超硬材料陶瓷磨具具有磨削能力强,磨具形状保持性好;磨具中有较多的气孔,磨削时不易堵塞,不易烧伤工件;磨具有较好的自锐性等一系列优良性能,是高性能磨削和研磨加工的最理想磨具[1,2],具有越来越广泛的应用,是近年来世界各国磨削工业竞相研究开发的热点。如加工PCD刀具时,其磨削过程与金属结合剂砂轮的磨削过程相似,不同的是陶瓷结合剂金刚石磨粒磨钝之后,磨具的自锐性好,磨削力达到一定值时砂轮磨粒自动脱落,新的磨粒出露,从而防止了磨削力过大、磨削温度过高使PCD刀具受到热损伤的情况[3,4]。
陶瓷结合剂的性能是影响陶瓷结合剂金刚石磨具使用的关键因素。国内外学者从多方面对超硬材料用陶瓷结合剂进行了研究,利用玻璃、陶瓷等相关理论确定的以Na2O-B2O3-SiO2为基本成分的硼硅酸盐玻璃结合剂,适合于金刚石或cBN磨具用的低温陶瓷基体[3],并通过添加金属及合金等不同的添加剂,改进和优化了陶瓷结合剂的性能[5,6,7]。
陶瓷结合剂砂轮一般采用粉末压力成型后进行烧成。烧成温度的不同,直接影响着结合剂的强度、硬度、耐磨性及对金刚石的结合性能,从而影响陶瓷结合剂金刚石磨具的磨削性能,如果陶瓷结合剂金刚石砂轮的优势不能充分发挥,就会制约陶瓷金刚石砂轮的推广应用[8]。
本文主要研究不同烧成温度时低温陶瓷结合剂的烧结状态、强度及硬度,同时用XRD、SEM分析了不同温度下的结合剂及结合剂对金刚石的结合状态。从而确定最佳的陶瓷结合剂金刚石磨具的烧成温度,为陶瓷结合剂金刚石磨具的生产制备提供参考。
2 试验
2.1 实验所需的主要原材料
结合剂:自制,化学成分如表1所示;GC:F800～1200;金刚石:12～22(μm),7～10(μm)。
2.2 性能测试
在CMT4504型微机控制电子式万能材料实验机上采用三点弯曲法测定抗弯强度,试样尺寸为26.5×6×5,跨距为22 mm,加载速度为0.5mm·min-1;结合剂的烧结范围测试采用SIY16影像烧结点测定仪, 用电脑连续记录不同温度点时结合剂试样的变化情况;用HR-150A洛氏硬度计测定样品的硬度,按GB/T 2491-2003标准执行;用扫描电镜(Quanta600,美国)观察不同烧成温度下结合剂试样的断面形貌。
3 结果及讨论
3.1 结合剂的烧结范围及结合剂的流动性
图1为用影像式烧结点测定仪测定的结合剂完全烧结状态、开始软化状态及流动状态的影像图。表2为不同温度下测定的结合剂的流动性。通过测定可以了解到试验用结合剂的完全烧结温度为685℃,开始软化温度为725℃,流动状态温度为760℃。
a-完全烧结状态 b-开始软化状态 c-流动状态
3.2 不同烧成温度下低温陶瓷结合剂的弯曲强度和硬度
图2和图3分别表示不同烧成温度下,陶瓷结合剂试样的弯曲强度和洛氏硬度值。试样用结合剂与金刚石及碳化硅按一定比例混合制备。从图中可以看出,在约725℃烧成时,试样的弯曲强度和洛氏硬度达到最大值,说明试验结合剂制备磨具的最佳烧成温度点约在725℃。
3.3 在725℃时烧成陶瓷结合剂的XRD分析
图4为725℃烧成后结合剂的XRD分析图。从图中可以看出,在725℃温度下烧成后,结合剂主要为玻璃相,同时有少量析晶。这种状态的结合剂容易在磨粒周围均匀分布,对磨粒的结合能力强。
3.4 不同烧成温度下金刚石磨具断面的SEM分析
图5为用试验结合剂制备的陶瓷结合剂金刚石磨具,在三种不同烧成温度下烧成后,磨具断面的SEM图。从图中可以看出,在685℃烧成温度下,由于结合剂处于烧结状态,流动性差,因此,对金刚石磨粒的结合差,从图中可以看出结合剂与金刚石磨粒间没有粘结,有明显可见的孔隙;在760℃烧成温度下烧成时,由于烧成温度下结合剂的流动性大,结合剂中有大量的气泡产生,同样影响结合剂对金刚石磨粒的粘结,从图中可以看出,虽然结合剂与金刚石磨粒有部分粘结,但在大部分接触区域粘结不好,有可见的气泡产生;而在725℃烧成后,结合剂呈比较均匀的玻璃相,对金刚石磨粒的粘结良好,从图中可以看出金刚石磨粒与结合剂的接触区域没有可见的缺陷。这说明在725℃烧成,试验用结合剂金刚石磨具的烧结状态良好。
4 结论
1.通过上述分析可以看出,试验陶瓷结合剂在开始软化点725℃最适合陶瓷结合剂金刚石磨具的烧成,在该温度下烧成结合剂呈比较均匀的玻璃状态,对金刚石磨粒的润湿性好。
2.在725℃烧成,结合剂的流动性为120%;结合剂试样的弯曲强度和洛氏硬度最大,分别为58.5MPa和93.5(HRA)。
参考文献
[1]侯永改,栗政新,等.计算机辅助低温陶瓷结合剂热膨胀系数的测定及计算[J].金刚石与磨料磨具工程,2005(6):68-70.
[2]江兆周,张弘.PCD刀具金刚石砂轮刃磨表面质量及其对加工工件表面质量的影响[J].工具技术,2006,40(3):74-76.
[3]Jackson MJ,Barlow N,Mills B.The eVect of bond compositiononthe strength of partially bonded vitriWed ceramic abrasives[J].J Mater Sci Lett 1994,13:1287-9.
[4]侯永改,彭进,邹文俊,等.合金粉对低温陶瓷结合剂及cBN磨具性能的影响[J].金刚石与磨料磨具工程,2005(1):61-64.
[5]G Werner,M renter.Grinding ability of PCD[J].Industrial Dia-mond Review,1989(1).
[6]Yen2-Kang Liu,Pei-Lum Tso.The optimal diamond wheels[J].Int J Adv Manuf Technol,2003(6).
[7]Kane T.Superabrasive tools&materials for aerospace[J].Intertech 2000,Vancouver(BC),Canada,July 17,21,2000.
[8]M.J.Jackson,Sintering and vitrification heat treatment of CBNgrinding wheels[J].Journal of Materials ProcessingTechnology,2007,191:232-234.
多孔金属结合剂金刚石砂轮的研究 篇4
金属结合剂金刚石砂轮与树脂结合剂金刚石砂轮和陶瓷结合剂金刚石砂轮相比,具有成型密度高、组织致密、韧性好、耐磨性好等特点,多用来加工金属间化合物、高温合金、工程陶瓷、硬质合金和宝石等难加工材料[1]。但传统金属结合剂金刚石砂轮属致密型砂轮,孔隙率很低,磨削过程中,自锐性差,磨屑易堵塞黏附,导致工件烧伤,且修整修锐困难[2]。传统金属结合剂砂轮的这些缺点限制了其应用。虽然目前采用激光修整[3]等技术可以实现金属结合剂金刚石砂轮的精确修整,但是如果能制造出一种本身自锐性就很好的砂轮,则能达到事半功倍的效果。
气孔作为砂轮的三要素之一,在砂轮磨削加工过程中具有很重要的作用:气孔具有一定的容屑排屑能力,能有效预防砂轮堵塞;气孔如果为开孔,冷却液将通过开孔不断渗入到砂轮里,甚至是磨削区域,起着冷却散热的作用,能有效减少工件烧伤的机率[4];在陶瓷结合剂砂轮中,合理的气孔分布能有效抑制裂纹的扩展,增加结合剂韧性,从而提高陶瓷结合剂砂轮的抗冲击强度[5]。
为了从根本上解决金属结合剂金刚石砂轮自锐性差、金刚石磨粒出刃难、修整修锐困难等问题,日本学者T.Tanaka[6]在1992年提出将孔隙结构引入到金属结合剂金刚石砂轮的制备中,并尝试制备了以铸铁为结合剂的多孔金属结合剂金刚石砂轮。随后,在S.H.Troung等[7]人的进一步研究中使用了热等静压法、真空烧结法和通电烧结法制备多孔金属结合剂砂轮,并证实多孔金属结合剂金刚石砂轮具有磨削锋利、磨削力小、磨削温度低、砂轮易于修整修锐等特点。在国内,南京航空航天大学、华侨大学等的研究人员对多孔金属结合剂金刚石砂轮的制备及磨削性能的研究较多。
2多孔金属结合剂金刚石砂轮的成孔机理及制备方法
粉末冶金法制备的金属结合剂金刚石砂轮中的气孔按照生成机理可分为间隙孔和生成孔。间隙孔是烧结过程中由于原子迁移、烧结颈的形成与长大、闭孔球化之后,通过延长烧结时间也无法完全消除的少量闭孔隙;生成孔是添加成孔剂后,在烧结过程中成孔剂分解、挥发、溶解而形成的孔或者是在使用过程中成孔剂溶解或破碎而形成的孔。故生成孔取决于成孔剂的类型、颗粒形状和加入量等[8]。而在多孔金属结合剂金刚石砂轮的生产中,成孔方法大多借鉴多孔陶瓷结合剂砂轮和多孔金属材料的成孔方法。目前常用的制备方法有以下几种:
2.1 高温分解或挥发物造孔
J.B.Mao等[9]用白砂糖做成孔剂制备陶瓷结合剂cBN砂轮,研究表明糖含量不仅影响孔隙率还影响孔的形状、大小和分布。糖含量从3%增加到5%,孔隙率从26.1%增加到31.9%,试样抗弯强度从51MPa降低到22MPa。糖含量在1%～3%时,生成孔小而且分布均匀;糖含量在5%～7%时,生成孔大且不均匀,产生大量孔隙通道,强度大大降低。糖含量达到9%时,节块严重变形或开裂。X.F.Lv等[10]用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)做成孔剂制备陶瓷结合剂cBN砂轮。PMMA的热分解温度在250℃到400℃之间,PMMA做成孔剂制成的孔比用活性炭做成孔剂制成的孔更均匀,孔的形状也更接近于球形。PMMA做成孔剂试样的抗弯强度和洛氏硬度均比用活性炭高。PMMA的含量从0增加到8%,试样孔隙率从36.5%增加到43.5%,抗弯强度从90MPa减小到59.7 MPa,而加8%活性炭的试样抗弯强度仅为38.6 MPa。原因是活性炭成孔不规则产生缺陷,易造成应力集中从而导致产品的强度下降。这种方法的缺点是孔大小、形状、分布不易控制,易导致磨具膨胀、开裂。李养帅等[11]在铝青铜胎体中添加2%的TiH2之后,铝青铜胎体的力学性能显著提高。TiH2高温分解之后能起造孔剂的作用,同时TiH2分解之后产生的Ti原子具有较高的活性,能与Cu形成固溶体,也能与金刚石反应生成碳化物,提高磨具强度。
2.2 可溶(熔)性盐类物质造孔
侯永改等[12]使用一种可溶性盐类做成孔剂制备陶瓷结合剂cBN磨具。这种成孔剂在磨具磨削过程中可溶解于水溶性冷却液中,而在自身占据的位置形成气孔。这种方法的缺点是砂轮吸水后容易变形,影响砂轮的质量。贾宝强[13]采用熔(溶)盐一脱盐法制备金属通孔材料,将模压成型块860℃～880℃预烧结保温2h,在950℃～1000℃保温0.5h将BaCl2熔融脱掉,在1150℃保温烧结0.5h,制备出多孔镍材料;将模压成型块在720℃～730℃预烧结保温2h,在950℃保温烧结1h后随炉冷却至室温,再在100℃蒸馏水中煮沸1h将NaCl溶解脱掉,制备出多孔铜镍合金多孔材料。这种方法过程繁琐,并且熔(溶)盐不容易完全脱去。
2.3 超临界萃取成孔剂造孔
TimothyD.Davis等[14]用超临界CO2萃取成孔剂联二苯制备多孔陶瓷砂轮。使用此方法不会损伤磨具的微观结构,避免了传统成孔剂在烧结过程中易造成磨具膨胀、开裂等缺陷。萃取温度295～338 K,压力8.8～27.6 Mpa,CO2流量3.4 10-5 KgS-1和7.5 10-5 KgS-1。实验结果表明:萃取效果受温度和CO2流量影响较大,基本不受压力和成孔剂颗粒大小的影响。萃取制备的多孔砂轮与传统砂轮性能相似,但在高金属切除率环境下,萃取多孔砂轮表现出更好的性能,并且孔径大的砂轮比孔径小的砂轮性能好。这种方法的缺点是过程复杂,成本较高。
2.4 陶瓷空心球造孔
W.F.Ding等[15]用Al2O3空心球作成孔剂,石墨作添加剂,在真空度小于1 10-2、压力440 MPa、烧结温度880℃条件下保温30 min制备了以Cu—Sn—Ti合金为结合剂的多孔cBN砂轮。使用高温分解的物质作成孔剂制得的多孔金属结合剂砂轮,孔的大小、形状、分布不易控制,而用Al2O3空心球作成孔剂便可有效克服以上问题。在磨削过程中,Al2O3空心球破碎,形成孔隙,使砂轮具有更大的容屑空间。当节块的孔隙率从8%增加到45%时,节块的抗弯强度从103 MPa减小到51 MPa。考虑到孔隙率对容屑能力和抗弯强度的影响,孔隙率的最佳范围为8～28%,Al2O3空心球的质量分数在5%～20%之间。选取难磨材料镍高温合金做磨削试验,结果发现在相同条件下,多孔金属结合剂cBN砂轮比陶瓷结合剂cBN砂轮具有更高的抗弯强度、低的磨削力和磨削能。刘明耀等[16]采用铜粉、锡粉、钴粉、镀钛金刚石为原料,以陶瓷空心球做成孔剂制备多孔金属结合剂金刚石砂轮,可避免以水溶性盐类物质做造孔剂时易吸水影响砂轮质量,以低熔点物质做造孔剂压制压力小使强度低等缺点。添加适量的陶瓷空心球的多孔砂轮在磨削YG8硬质合金时表现出很好的锋利性和自锐性。添加3.75%质量分数的陶瓷空心球砂轮的磨削效率最高,比致密砂轮提高了43%。
3 提高多孔金属结合剂金刚石砂轮强度的措施
通过以上方法可以成功制备出孔隙率高达50%以上的多孔金属结合剂金刚石砂轮,但随着孔隙率的增加,金属结合剂桥的体积会大大减少,导致金属结合剂对金刚石磨料的把持强度减弱,砂轮的强度也会大大降低。同时,金刚石与结合剂的磨损过程不同步,金刚石过早脱落,造成金刚石磨料的浪费,也使砂轮寿命大大缩短。为了提高多孔金属结合剂金刚石砂轮的强度,南京航空航天大学研究团队在将孔隙结构引入到金属结合剂砂轮的同时,借鉴高温钎焊金刚石工具技术原理,企图实现金属结合剂与金刚石之间的化学冶金结合,从而提高砂轮强度。
钎焊金刚石工具具有金刚石出露度高,容屑排屑空间大等优点,Y.Q.Yu等[17]比较了钎焊金刚石工具与热压烧结金刚石工具的区别:钎焊金刚石工具结合剂对金刚石的结合强度比热压烧结的高;钎焊金刚石工具金刚石不易脱落且具有更高的出露高度;钎焊金刚石工具的磨损主要是金刚石的磨耗磨损,提高了金刚石的利用率和磨削效率。
冯晓杰[18]以Ni—Cr合金和WC粉末为结合剂原料,以碳酸氢铵为造孔剂,先真空烧结制备多孔金刚石节块,再用高频感应以银焊片为焊剂将节块焊接到基体镶块上制备出多孔金属结合剂金刚石砂轮。通过金刚石节块断口处的微观分析可以明显看出金刚石未被结合剂完全包覆,周围存在孔隙,有利于砂轮的修整修锐,提高容屑空间。在金刚石与结合剂的结合界面处有Cr7C3生成,表明Ni—Cr合金在金刚石与结合剂界面之间形成了化学冶金结合,有效改善了在孔隙存在情况下结合剂对金刚石的把持强度。张伟峰[19]采用松装烧结法制备多孔金属结合剂金刚石节块。将金刚石磨料、Ni-Cr合金钎料、Fe粉和造孔剂(高温挥发物)混合均匀,经成型、烘干、真空烧结等工艺制得节块。采用高频感应焊接法将节块基体镶块焊接,制备多孔金属结合剂砂轮。借助SEM观察了金刚石与结合剂的结合界面的微观结构,结果表明在Ni-Cr合金钎料与金刚石界面上有多层条状碳化物生成,大大提高了金刚石与Ni-Cr合金结合面的结合强度。
除了Ni-Cr合金钎料外,还常用Cu-SnTi[20]、Ag-Cu-Ti[21]等合金钎料制备多孔钎焊金刚石工具。过渡族元素Cr、Ti、V、Zr等属于强碳化物活性元素,在高温下与金刚石反应的吉布斯自由能小于零[22],因此能与金刚石发生反应,并在金刚石表面生成一层碳化物;生成的碳化物形成金刚石与金属结合剂之间的过渡层,是介于共价键金刚石和金属键结合剂之间的过渡相,能有效降低金刚石与金属结合剂之间由于热膨胀系数不一样而产生的界面应力[23];一般低熔点金属对金刚石的表面润湿性都不好,润湿角都在100°以上,在生成碳化物之后,熔融金属对金刚石的润湿,转化为对金刚石表面碳化物的润湿,使润湿性大大改善。总之,强碳化物元素的加入,相当于生成金刚石/碳化物/金属胎体复合材料,使得金属胎体与金刚石的结合强度大大提高。除了添加强碳化物形成元素之外,还可采用镀膜金刚石、添加稀土元素、采用预合金粉末、加入低熔点元素等[24]方法来提高结合剂对金刚石的把持力,添加非金属元素提高结合剂强度,如在铜基胎体中添加磷粉[25],由于磷元素扩散快,并且在714℃时,P与Cu能发生共晶反应生成Cu3P,从而大大降低烧结温度,胎体抗弯强度也在磷含量为6%时达到最大。
4 多孔金属结合剂金刚石砂轮的研究方向展望
高温钎焊金刚石砂轮与电镀金刚石砂轮相比,表现出了无可比拟的优异磨削性能。钎焊代替电镀,希望能借鉴高温钎焊使钎料在金刚石与结合剂界面上发生溶解、扩散、化合等相互作用,从而从根本上改善金刚石、结合剂与基体三者之间的结合强度。目前,高温钎焊金刚石工具多为单层的,实质上是表镶形式,这使得工具使用寿命受到极大限制。前人研究发现孔隙的大小、形状、分布的均匀性均会影响砂轮的强度,金刚石磨料的有序排布会大大提高金刚石的利用率和磨削效率。因此如何将三者联系起来,制备出孔隙大小、形状一致、分布均匀,金刚石有序排布的多层或孕镶多孔钎焊金刚石砂轮应当成为多孔金属结合剂金刚石砂轮研究的一个重要趋势。
摘要：重点介绍了多孔金属结合剂金刚石砂轮的成孔机理、制备方法,以及在孔隙存在时提高砂轮强度的措施,并对多孔金属结合剂金刚石砂轮研究方向做了展望。