燒結(jié)磨輪用銅基釬料真空預(yù)釬焊金剛石的性能研究①

夏斯偉，馬若飛，段端志，李文杰

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.蘇州南航騰龍科技有限公司，蘇州 215163）

0 前言

在燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石工具中，磨粒主要依靠胎體的機(jī)械包鑲力把持，由于機(jī)械把持強(qiáng)度低，實(shí)際加工中大量磨料未充分使用即脫落，造成了磨粒的浪費(fèi)。當(dāng)前提高結(jié)合劑對磨料把持力的方法主要有兩種，即在胎體中添加或在金剛石表面鍍覆Ti、Cr等活性元素。但由于熱壓燒結(jié)工藝條件的限制，實(shí)際活性元素與金剛石之間反應(yīng)并不充分，導(dǎo)致磨粒與胎體間結(jié)合界面與理想的化學(xué)冶金結(jié)合效果仍存在較大差距［1］。

借鑒釬焊金剛石工具制造工藝，宋立明等［2］采用Ni－Cr合金釬料對金剛石預(yù)釬焊處理，在金剛石表面生成了預(yù)釬焊金屬層。燒結(jié)條件下釬焊層Ni元素在胎體中發(fā)生擴(kuò)散遷移，實(shí)現(xiàn)了界面間高強(qiáng)把持效果。但由于鎳基釬料釬焊溫度在1000℃以上，對金剛石仍會產(chǎn)生一定的熱損傷，且由于鎳基釬料較耐磨，一定程度上影響了工具的鋒利度。

Cu－Sn－Ti合金釬料熔點(diǎn)較低，且對金剛石磨粒有良好的潤濕釬焊效果［3］，釬焊處理時(shí)金剛石受熱損傷程度小，同時(shí)釬料強(qiáng)度適宜。本文使用Cu－Sn－Ti合金釬料對金剛石預(yù)釬焊進(jìn)行處理，采用燒結(jié)工藝制作預(yù)釬焊磨輪，并與常規(guī)磨輪進(jìn)行加工對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了銅基預(yù)釬焊處理的優(yōu)越性。

1 試驗(yàn)材料及工藝方案

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料：選用Cu－Sn－Ti合金（－80目）及某些金屬粉末，如表1所示。磨粒選用50／60～70／80目金剛石（黃河旋風(fēng)HWD60／HWD40系列）。

表1 試驗(yàn)用金屬粉末主要性能Table 1 Main properties of the metal powders used in the experiment

試驗(yàn)設(shè)備：氬氣保護(hù)高頻感應(yīng)設(shè)備、真空釬焊爐、熱壓燒結(jié)機(jī)、磨耗比測定儀等。

1.2 試驗(yàn)方案

（1）利用高頻感應(yīng)設(shè)備對金剛石磨粒進(jìn)行預(yù)釬焊處理，根據(jù)金剛石磨粒預(yù)釬焊效果及力學(xué)性能測試選擇合適的隔離劑，并通過真空爐中釬焊驗(yàn)證釬焊形貌效果。

（2）采用常規(guī)、銅基預(yù)釬焊和A－鎳基預(yù)釬焊磨粒［2］制作節(jié)塊，并進(jìn)行磨耗比測定試驗(yàn)。對預(yù)釬焊磨粒與結(jié)合劑界面理化分析，分析預(yù)釬焊處理對胎體把持能力的影響。

（3）制作常規(guī)及預(yù)釬焊金剛石磨輪，由磨削G635對比試驗(yàn)，分析預(yù)釬焊磨輪性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 銅基合金真空預(yù)釬焊金剛石

（1）隔離劑的選擇

陶瓷氧化物熔點(diǎn)高，性能穩(wěn)定，應(yīng)用在鎳基釬料真空預(yù)釬焊金剛石時(shí)，可使磨粒間有效地相互隔離，但應(yīng)用于銅基釬料預(yù)釬焊金剛石時(shí)隔離效果很差，由于銅基釬料在高溫下充分鋪展?jié)櫇?，隔離劑被焊料包裹在金剛石表面，形成絮狀物質(zhì)，無法清除。此外，銅基釬料中活性Ti元素會與氧化物陶瓷發(fā)生反應(yīng)形成釬焊連接［4］，故陶瓷氧化物不適合用作銅基釬料預(yù)釬焊金剛石的隔離劑。

在金剛石表面包裹銅基釬料后，再在外層分別包裹B、C、D等金屬粉末，利用氬氣保護(hù)高頻感應(yīng)設(shè)備進(jìn)行預(yù)釬焊處理，結(jié)果顯示磨粒間均不成團(tuán)，隔離效果良好。

分別采用上述三種金屬粉末做隔離劑，在加熱溫度930℃的條件下進(jìn)行真空爐中預(yù)釬焊處理，制成銅基預(yù)釬焊磨粒。其中采用B粉、C粉做隔離劑的磨粒均有一些相互粘連。而采用D粉做隔離劑的磨粒無粘連，表明D粉應(yīng)用于銅基釬料預(yù)釬焊金剛石時(shí)有良好的隔離效果，如圖1所示。

圖1 銅基預(yù)釬焊金剛石形貌（D粉作隔離劑）Fig.1 Morphology of the pre－brazed diamond abrasive using D powder as isolation agent

（2）預(yù)釬焊磨粒力學(xué)性能分析

對以上銅基預(yù)釬焊磨粒力學(xué)性能測試如圖2所示。相對于原始金剛石，銅基預(yù)釬焊金剛石整體上力學(xué)性能損失比較小。這是由于銅基預(yù)釬焊金剛石的加熱溫度降低，并且選用了合適的隔離劑，減弱了高溫下磨粒的熱損傷所致。選用D粉做隔離劑的銅基預(yù)釬焊金剛石比原始抗壓強(qiáng)度下降僅5.0%，沖擊強(qiáng)度比原始下降7.3%。

圖2 金剛石磨粒力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of the diamond abrasive grains

該磨粒具有良好的預(yù)釬焊表面形貌，同時(shí)保持了較好的綜合強(qiáng)度，不會因力學(xué)性能下降對后續(xù)磨削加工產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。綜上，選擇D粉做隔離劑的銅基預(yù)釬焊磨粒制作節(jié)塊及預(yù)釬焊磨輪，并進(jìn)行對比分析。

2.2 節(jié)塊磨耗比測試分析

為分析預(yù)釬焊磨粒與胎體間結(jié)合強(qiáng)度，使用常規(guī)及預(yù)釬焊磨粒，采用燒結(jié)工藝制成節(jié)塊（40.0×8.0×3.2）。金剛石濃度均為45%，通過控制包裹膠的黏度分別得到釬焊層較薄、較厚的銅基預(yù)釬焊磨粒。磨耗比測試參照J(rèn)B／T 3235－1999標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器為恒定時(shí)間控制方式。比較節(jié)塊磨耗比隨金剛石種類變化，如圖3所示。

圖3 不同磨粒節(jié)塊磨耗比Fig.3 The G－ratio of the diamond segments

相同胎體配方及金剛石濃度下，預(yù)釬焊磨粒節(jié)塊耐磨性顯著高于常規(guī)磨粒節(jié)塊。鎳基預(yù)釬焊節(jié)塊比銅基預(yù)釬焊節(jié)塊耐磨，同時(shí)包裹較厚的銅基預(yù)釬焊磨粒節(jié)塊比包裹較薄的節(jié)塊耐磨。由于常規(guī)磨粒與胎體間主要依靠機(jī)械包鑲結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度低。而預(yù)釬焊磨粒節(jié)塊結(jié)合強(qiáng)度提高，推測界面間形成了化學(xué)冶金結(jié)合，后續(xù)將通過理化分析驗(yàn)證。

2.3 預(yù)釬焊磨粒與胎體界面分析

將銅基預(yù)釬焊磨粒與胎體粉末均勻混合，經(jīng)燒結(jié)制成磨輪節(jié)塊。制作節(jié)塊斷面，使用S3400型掃描電鏡對磨粒與胎體結(jié)合界面進(jìn)行形貌及線掃描分析。

由圖4可見，銅基預(yù)釬焊金剛石與胎體界面層存在明顯的元素?cái)U(kuò)散結(jié)合層，碳化物元素鈦在界面層出現(xiàn)明顯的波峰，相關(guān)研究［5］已表明鈦在結(jié)合界面處依靠原子擴(kuò)散發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成TiC。鐵與鈦有著相同的變化趨勢，鐵元素向界面層偏聚。銅元素與鐵元素出現(xiàn)了互補(bǔ)的趨勢，向胎體層中擴(kuò)散。表明銅基釬料在金剛石表面潤濕后，通過熱壓燒結(jié)實(shí)現(xiàn)了胎體成分與釬料間的擴(kuò)散冶金結(jié)合。

圖4 銅基預(yù)釬焊磨輪節(jié)塊斷口及線掃描Fig.4 Interfacial microstructure and element distribution of the pre－brazed diamond wheel block with Cu－Sn－Ti alloy

2.4 預(yù)釬焊處理對磨粒的熱損傷影響

由于銅基釬料與磨粒界面生成物TiC能溶于強(qiáng)酸中［6］，使用王水在煮沸的條件下對銅基預(yù)釬焊磨粒進(jìn)行腐蝕，去除磨粒表面生成物，去除生成物后的金剛石如圖5所示。由圖可見，磨粒晶型完整，刃口棱角清晰。

圖5 王水腐蝕后銅基預(yù)釬焊金剛石形貌Fig.5 Morphology of the pre－brazed diamond grains etched by the aqua regia

從表2所知，銅基預(yù)釬焊磨粒腐蝕后抗壓強(qiáng)度比原始金剛石僅下降4.3%。表明銅基預(yù)釬焊處理對磨粒所造成的熱損傷小，有利于在保證磨粒磨削性能前提下，實(shí)現(xiàn)胎體金屬對磨粒的高強(qiáng)度把持，具有多層釬焊效果。

表2 腐蝕銅基預(yù)釬焊磨粒前后強(qiáng)度對比Table 2 Compressive strength of the pre－brazed diamond grains before and after corrosion

3 常規(guī)及預(yù)釬焊磨輪對比試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺

采用常規(guī)、A－鎳基［2］及銅基預(yù)釬焊磨粒制作法國邊燒結(jié)磨輪，金剛石濃度為45%，粒度組成50／60∶60／70∶70／80＝40%∶40%∶20%。

加工材料為G635板材（2300mm×20mm）。

試驗(yàn)平臺為SYM－10I石材磨拋機(jī)，加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速為2880r／min，橫向進(jìn)給速度2m／min。分三次走刀完成一條成型法國邊加工，磨輪縱向進(jìn)給量依次設(shè)定為6mm、4mm、4mm，采用切入式冷卻水濕磨。

3.2 磨削試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)通過加工鋒利度及壽命指標(biāo)考察不同磨輪的加工性能。鋒利度對應(yīng)行走電機(jī)電流，加工壽命定義為磨削一定長度板材后，磨輪節(jié)塊大端尺寸損耗量。

三種燒結(jié)磨輪加工性能如圖6所示，由圖可知預(yù)釬焊磨輪加工性能明顯優(yōu)于常規(guī)磨輪，加工效率及加工壽命均比現(xiàn)有常規(guī)磨粒磨輪提高。其中鎳基預(yù)釬焊磨輪磨損率最低，表明鎳基預(yù)釬焊磨輪最耐磨，這是由于鎳基釬料耐磨，且鎳基釬料與金剛石間結(jié)合強(qiáng)度高，胎體對磨粒把持強(qiáng)度提高后，磨粒脫落率降低所致。

銅基預(yù)釬焊磨輪加工電流最小，即鋒利度最好。這是由于銅基預(yù)釬焊處理對磨粒力學(xué)性能損傷小，同時(shí)銅基釬料強(qiáng)度適中。銅基預(yù)釬焊對磨粒刃口包埋程度比鎳基預(yù)釬焊磨粒小，使磨粒在切削刻劃巖石過程中逐步磨損并不斷發(fā)生微破碎，磨粒易出刃，所以鋒利度提高。綜上分析，銅基預(yù)釬焊處理在有效增強(qiáng)胎體對磨粒把持強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，同時(shí)提高了磨輪加工效率，表明銅基預(yù)釬焊磨粒相對鎳基預(yù)釬焊具有更好的應(yīng)用效果。

圖6 常規(guī)與預(yù)釬焊磨輪加工性能對比Fig.6 Comparison of the grinding performance between the pre－brazed diamond wheels and conventional diamond wheels

4 結(jié)論

（1）選用D粉做隔離劑的銅基預(yù)釬焊處理在保證對金剛石磨粒良好釬焊效果的基礎(chǔ)上，對磨粒所造成的熱損傷小，力學(xué)性能損失小。

（2）預(yù)釬焊磨粒與胎體之間結(jié)合強(qiáng)度高于常規(guī)金剛石磨粒。銅基預(yù)釬焊金剛石與胎體界面結(jié)合致密，通過釬料及胎體中的元素?cái)U(kuò)散形成了牢固的化學(xué)冶金結(jié)合。

（3）預(yù)釬焊磨輪加工效率及加工壽命均明顯優(yōu)于常規(guī)磨粒磨輪，且銅基預(yù)釬焊磨輪加工效率更高，綜合加工性能更好。

［1］蘇宏華，徐鴻鈞，傅玉燦，肖冰.多層燒結(jié)超硬磨料工具現(xiàn)狀綜述與未來發(fā)展構(gòu)想［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41（3）：12－16.

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