復(fù)合片外圓磨削用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的研制及應(yīng)用＊

劉一波,劉偉,黃霞,楊德濤

(北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司,北京昌平102200)

0 前言

聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)是指0.1至數(shù)毫米厚的金剛石微粉層與硬質(zhì)合金基體在高壓高溫(5～7GPa、1400℃～1700℃)條件下復(fù)合而成的超硬復(fù)合材料,它具有高硬度、高耐磨性、高彈性模量、各項(xiàng)同性和相對(duì)高的熱導(dǎo)率等顯著優(yōu)點(diǎn)[1～2],近年來(lái)已成為高檔機(jī)械加工刀具、地質(zhì)及石油鉆頭、陶瓷磨具、石材加工工具、混凝土工具和閥座閥芯等高耐磨設(shè)備的首選材料,也成為高科技新材料領(lǐng)域中最有生命力的支柱產(chǎn)品之一。

復(fù)合片所應(yīng)用的領(lǐng)域絕大多數(shù)屬于精密加工領(lǐng)域,其本身的尺寸公差要求十分嚴(yán)格,如何高效加工復(fù)合片一直是廣大科研人員十分關(guān)心的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外復(fù)合片生產(chǎn)廠家主要采用金剛石砂輪對(duì)復(fù)合片進(jìn)行外圓磨削,進(jìn)而達(dá)到所需的尺寸公差要求。樹脂金剛石砂輪由于其加工效率和加工精度遠(yuǎn)小于陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪,故而在過(guò)去的幾年中,復(fù)合片的外圓磨削加工基本上都開始采用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪。目前,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的廠家較多,但真正具備研發(fā)實(shí)力的公司卻很少,產(chǎn)品的質(zhì)量也是良莠不齊。為滿足日益壯大的復(fù)合片外圓磨削加工市場(chǎng)對(duì)陶瓷金剛石砂輪的需求,安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司開展了復(fù)合片外圓磨削專用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的研究。通過(guò)和客戶之間的合作,大大提高了復(fù)合片外圓磨削用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的制備和應(yīng)用技術(shù)。目前,公司生產(chǎn)的復(fù)合片外圓磨削用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪性能已經(jīng)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。本文根據(jù)砂輪制備的體會(huì),重點(diǎn)分析了主要影響砂輪性能的因素,旨在和廣大同仁交流經(jīng)驗(yàn),共同進(jìn)步,一起為推進(jìn)我國(guó)陶瓷結(jié)合劑砂輪成套制備技術(shù)的提高而努力。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 材料準(zhǔn)備

磨料:市售140/170目國(guó)產(chǎn)金剛石磨料;結(jié)合劑:自制A l-Si-B-Li-O系低溫陶瓷結(jié)合劑;填料:市售150目A l2O3;膠粘劑:國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的AB雙組分環(huán)氧膠沾劑;鋁合金基體:Φ400mm。

1.2 設(shè)備及檢測(cè)儀器

結(jié)合劑熔塊爐:KSS-16R;混料機(jī):TB2;自動(dòng)壓機(jī):34BYO-B20H-T;坩堝電阻爐:SG2A 5-10;電子顯微鏡:JSM-6380LV;離心機(jī):最大轉(zhuǎn)速20000r/min;動(dòng)平衡機(jī);外圓磨床。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

高性能砂輪規(guī)格及參數(shù)如表1所示。磨床:北京第二機(jī)床廠外圓磨床。PDC,型號(hào)1304,磨削分兩次完成,第一次進(jìn)給量為0.04～0.08mm,第二次進(jìn)給量為0.01～0.03,磨削完后PDC外圓直徑13.35±0.02mm。磨削完的PDC質(zhì)量檢測(cè):觀察復(fù)合片金剛石層是否有崩口。

表1 陶瓷金剛石砂輪的規(guī)格和參數(shù)Table 1 Specifications and parameters of vitrified bond diamond grinding w heel

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 陶瓷結(jié)合劑對(duì)砂輪的影響

本實(shí)驗(yàn)采用自制的A l-Si-B-Li-O系低溫陶瓷結(jié)合劑,實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)砂輪節(jié)塊進(jìn)行磨耗比測(cè)試以及在PDC生產(chǎn)廠的磨削實(shí)驗(yàn),得出砂輪中陶瓷結(jié)合劑含量對(duì)磨削效果的影響情況。結(jié)合劑含量對(duì)復(fù)合片外圓磨砂輪壽命的影響見(jiàn)圖1。

圖1 結(jié)合劑含量對(duì)陶瓷砂輪壽命的影響Fig.1 Influence of the bond content on the working life of the vitrified bond diamond grinding wheel

從圖1中不難發(fā)現(xiàn),陶瓷結(jié)合劑含量在22w t%～26w t%時(shí),砂輪的壽命最高。砂輪中結(jié)合劑的含量主要對(duì)砂輪有三方面的影響:

(1)結(jié)合劑對(duì)砂輪硬度的影響。超硬材料砂輪的硬度是指超硬磨料從砂輪中脫落的難易程度,磨粒越難脫落表示砂輪硬度越高。一般而言,結(jié)合劑劑量越多,對(duì)磨料把持越強(qiáng),磨粒脫落越困難,砂輪硬度越高,但磨削時(shí)砂輪出刃不好,容易出現(xiàn)磨不動(dòng)的現(xiàn)象,砂輪的壽命雖會(huì)有所增加,但是復(fù)合片表面很容易出現(xiàn)崩口。需要過(guò)一段時(shí)間將砂輪適當(dāng)進(jìn)行開刃處理,才能避免磨削中造成廢品。

(2)結(jié)合劑與金剛石磨料的結(jié)合強(qiáng)度。復(fù)合片的硬度本身很高,在外圓磨削過(guò)程中,砂輪表面的金剛石受到很大磨削力和沖擊力,如果陶瓷結(jié)合劑量太少,則陶瓷結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持不夠,導(dǎo)致部分金剛石沒(méi)有完全發(fā)揮磨削作用就開始脫落,砂輪壽命變短。而結(jié)合劑過(guò)多,砂輪硬度過(guò)大,鋒利度不夠,容易使復(fù)合片產(chǎn)生崩口,導(dǎo)致廢品率升高。

(3)對(duì)砂輪組織結(jié)構(gòu)的影響。由于所用的結(jié)合劑粒度細(xì)于金剛石粒度,且在燒制過(guò)程中,結(jié)合劑會(huì)致密化。砂輪中結(jié)合劑含量增加,砂輪組織越致密,砂輪越容易發(fā)生堵塞,磨不動(dòng),經(jīng)常需要用普通砂輪對(duì)超硬材料砂輪進(jìn)行開刃處理,去除多余結(jié)合劑,使新的金剛石出刃參與下一次的磨削,從而降低了砂輪的工作效率。

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)砂輪性能的影響

陶瓷結(jié)合劑燒制溫度的控制直接影響砂輪的使用性能,這主要與超硬磨料及陶瓷結(jié)合劑本身的性質(zhì)有關(guān)。在空氣中,cBN可耐高溫1400℃～1600℃,能承受高韌性難加工材料的磨削熱;而金剛石的熱穩(wěn)定性差[3],800℃即開始氧化磨損,即便在惰性氣體中1100℃時(shí)也開始石墨化[4]。本文采用公司自行研制的Li-A l-B-Si-O系低溫陶瓷結(jié)合劑,其DSC曲線如下圖2。

圖2 Li-A l-B-Si-O系陶瓷結(jié)合劑DSC曲線Fig.2 DSC curve of Li-A l-B-Si-O series vitrified bond

從圖2可以看出陶瓷結(jié)合劑從436.1℃時(shí)開始發(fā)生相變反應(yīng),當(dāng)溫度上升到736.0℃時(shí),陶瓷結(jié)合劑熔化。從曲線中可以看出陶瓷結(jié)合劑的燒結(jié)溫度在660℃～800℃范圍內(nèi)都能滿足陶瓷砂輪塊的燒制。從上邊分析可以看出,陶瓷結(jié)合劑燒制溫度范圍內(nèi)超硬磨料基本不會(huì)發(fā)生燒損。因此,本文所提及的低溫陶瓷結(jié)合劑是指燒制溫度低于超硬磨料發(fā)生燒損的最低溫度。

在生產(chǎn)陶瓷工具產(chǎn)品的實(shí)踐中,我們發(fā)現(xiàn),在燒結(jié)范圍內(nèi),提高砂輪塊的燒結(jié)溫度,砂輪塊的強(qiáng)度也相應(yīng)增加。目前公司生產(chǎn)的低溫陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪采用的燒制溫度為680℃～760℃,具體根據(jù)金剛石砂輪的使用要求確定砂輪燒制溫度。低溫陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪塊燒制過(guò)程中還應(yīng)該注意,升溫和降溫速率不能太高,如果速率大于6℃/min砂輪容易出現(xiàn)微裂紋和表面裂紋。公司項(xiàng)目組制備低溫陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪時(shí)采用的升溫速率為2℃/m in,降溫速率為3℃/min。

2.3 金剛石濃度對(duì)砂輪性能的影響

超硬磨具的濃度指超硬磨削層中單位體積內(nèi)超硬磨料的含量,超硬磨具中濃度與超硬磨料含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示:

表2 超硬磨具內(nèi)超硬磨料濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系[5]Table 2 Relationships between the concentration and abrasive content in super hard grinding tools

實(shí)驗(yàn)中分別采用100%,150%,200%,210%濃度的陶瓷結(jié)合劑金剛石(140/170)砂輪進(jìn)行了外圓磨削1304復(fù)合片的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同濃度砂輪的實(shí)驗(yàn)情況Table 3 Test results of vitrified bond diamond wheel with different concentration

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中不難發(fā)現(xiàn),濃度越高,其壽命越長(zhǎng),且高濃度砂輪的壽命比低濃度砂輪壽命的性價(jià)比高。隨著金剛石濃度的增加,砂輪使用壽命的幅度增加更大。我們認(rèn)為對(duì)于復(fù)合片外圓磨削加工,高濃度陶瓷金剛石砂輪中參與磨削的金剛石磨粒增加,在結(jié)合劑強(qiáng)度滿足要求的條件下能起到合力的作用。

2.4 所研制砂輪與國(guó)內(nèi)市售陶瓷砂輪及樹脂砂輪的對(duì)比

本文采用的陶瓷結(jié)合劑自制砂輪和國(guó)內(nèi)市售的陶瓷金剛石砂輪以及樹脂金剛石砂輪磨削1304復(fù)合片,其中,我公司生產(chǎn)的砂輪在磨削過(guò)程中,明顯感覺(jué)噪音要小(鋒利度越高,磨削力越小,產(chǎn)生的噪音越小),且磨削時(shí)間短,所研制砂輪與國(guó)內(nèi)市售陶瓷砂輪及樹脂砂輪的使用情況對(duì)比如表4所示:

表4 不同砂輪的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Test data between vitrified bond wheel and resin bond wheel

從表中可以看出,陶瓷砂輪比樹脂砂輪壽命提高2～3倍,單件復(fù)合片磨削效率也能提高30%左右;所研制的砂輪鋒利度、壽命及磨削效率都略高于市售陶瓷砂輪,同等條件下砂輪的綜合性能較市售陶瓷砂輪性能提高約10%?？梢?jiàn),所研制的陶瓷金剛石砂輪已經(jīng)達(dá)到同類中的領(lǐng)先水平。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)復(fù)合片(1304)外圓磨削用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的研究,得出結(jié)論如下:

(1)自制Li-A l-B-Si-O系低溫陶瓷結(jié)合劑適合于復(fù)合片外圓磨削用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪;當(dāng)結(jié)合劑含量在22%～26%時(shí),砂輪的綜合性能達(dá)到最佳。

(2)砂輪金剛石濃度越高,使用效果越好,隨砂輪中金剛石濃度的增加,砂輪的性價(jià)比逐漸提高;當(dāng)濃度達(dá)到210%時(shí),砂輪的壽命達(dá)到最高。

(3)陶瓷砂輪比樹脂砂輪的壽命提高2～3倍,且單件復(fù)合片的磨削效率提高約30%;所研制的低溫陶瓷金剛石砂輪綜合性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平,并具有較高的性價(jià)比。

[1] US Patent.US6454027 B1;Anthony Griffo,ect.Polycrystalline diamond carbide composites.

[2] Volkmar Richter,M ichael Fripan.Demand fo r greater efficiency is good new s fo r PCBN[J].M etal Pow der Report,2006,61(11).

[3] 張紅霞,王改民,華勇.陶瓷金剛石砂輪結(jié)合劑的探討與研制[J].中國(guó)陶瓷,2003,39(1):38-40.

[4] 張?jiān)?魏定亮.高速磨削和立方氮化硼(cBN)砂輪[J].磨床與磨削,1996(3):23-24.

[5] 李志宏,陶瓷磨具制造[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.