鍍Ni金剛石與銅基結(jié)合劑磨塊的磨削性能和機理分析

馬金明　胡玉潔　曾慶林　肖長江　栗正新

摘 要：為了分析高溫處理對鍍Ni金剛石磨塊磨削性能的影響，以銅錫合金粉和鍍Ni金剛石為原料，對鍍Ni金剛石進行1050 ℃高溫處理后，在不同溫度下熱壓燒結(jié)制備銅基結(jié)合劑金剛石磨塊，經(jīng)過摩擦磨損實驗對磨塊的磨削性能分析。研究表明：與未處理的鍍Ni金剛石相比，高溫處理的鍍Ni金剛石后磨塊的耐磨性明顯提高，金剛石與結(jié)合劑間界面結(jié)合力大大增加，當燒結(jié)溫度為750 ℃時，磨耗比是未經(jīng)過處理的鍍Ni金剛石磨塊的74.74倍。

關(guān)鍵詞： 金剛石;銅基結(jié)合劑;磨削性能;表面刻蝕;機理分析

1 引 言

由于金剛石磨料具有的特性（高硬度、高抗壓強度、良好的耐磨性），使金剛石磨具成為磨削硬脆材料以及硬質(zhì)合金的理想工具。金剛石磨具不但效率高、精度高，而且硬度高、使用壽命長、磨料消耗少，同時還可以改善工作條件。因此，廣泛使用于硬質(zhì)合金、高鋁瓷、光學玻璃、石材、氧化鋁、半導體材料等普通磨削工具難以適應(yīng)的含鐵量低的金屬和非金屬硬脆材料。但是金剛石有一個很大的缺點，就是在燒結(jié)或者磨削過程中如出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，很容易轉(zhuǎn)化為石墨。在較低的加工溫度下，如果金剛石不經(jīng)過表面處理，則與結(jié)合劑結(jié)合強度較低。為了提高界面結(jié)合力，金剛石表面涂覆是一種有效的方法[1-3]。金剛石磨具常用的結(jié)合劑有樹脂、金屬和陶瓷3類。相對于樹脂和陶瓷結(jié)合劑，金屬結(jié)合劑的結(jié)合強度較高，提高了金屬結(jié)合劑金剛石工具的切割效率，延長了其使用壽命。金屬結(jié)合劑基體有鐵基、鈷基、鎳基、鋁基、銅基和鎢基等[4，5]?，F(xiàn)在大多數(shù)金剛石工具是通過電鍍法制造的，而鍍層金屬通常是Ni或者Ni合金。但是在電鍍工藝中，金剛石僅僅被機械包裹在鍍層金屬中，鍍層金屬與金剛石的結(jié)合強度較低，在磨削過程中，金剛石磨?；蛘呓饘馘儗用撀涠紩蟠蠼档湍ハ餍省Ｋ?，提高金剛石與鍍層金屬間的化學結(jié)合力是提高金剛石與涂層金屬間的結(jié)合力的有效方法[6-8]。隨著金剛石表面刻蝕技術(shù)的發(fā)明，許多研究者將這項技術(shù)應(yīng)用在金剛石工具中。通過對金剛石晶體表面的刻蝕，使金剛石表面變得粗糙，增加了金剛石與粘結(jié)劑之間的接觸面積，進而提高了金剛石與粘結(jié)劑之間的粘結(jié)力[9，10]。

在本文中，將結(jié)合金剛石表面鍍層和表面刻蝕技術(shù)，探索提高金剛石與金屬結(jié)合劑磨塊磨削性能的方法。研究鍍Ni金剛石預先進行熱處理和未進行熱處理，然后在不同溫度下與銅基結(jié)合劑熱壓燒結(jié)得到的金剛石磨塊，測試得到磨塊的磨削性能，對摩擦磨損實驗得到的數(shù)據(jù)進行整理分析，探索機理。

2 實驗材料及方法

2.1實驗原料

實驗原料選用南宮市鑄金焊接材料有限公司生產(chǎn)的銅錫80/20預合金粉作為固相顆粒，錫粉作為低熔點金屬。其技術(shù)特點是：銅錫合金粉呈近球型，熔點較高（通常在850 ℃以上），具有一定的強度，并能夠在低壓下保持顆粒與顆粒間的間隙，粒度為500目;錫粉的粒度也是500目。金剛石選用中南杰特股份有限公司生產(chǎn)的人造金剛石，粒度為300目，利用電鍍法在其表面鍍Ni，具體工藝見參考文獻[11]，掃描電鏡照片如圖1（a）所示：Ni鍍層將金剛石完整包圍，并且在金剛石的晶面交接處和表面上有Ni刺。

2.2 鍍Ni金剛石磨具的制備

為了分析經(jīng)過高溫處理的鍍Ni金剛石對多孔金屬結(jié)合劑金剛石磨具性能的影響，首先在1050 ℃氬氣氣氛中對粒徑為300目的鍍Ni金剛石進行處理，然后將未處理的鍍Ni金剛石和處理后的鍍Ni金剛石為磨料，以銅錫合金粉和錫粉為金屬基體制作成多孔金屬金剛石磨具。其中，銅錫合金粉、錫粉為和鍍Ni金剛石粉的質(zhì)量含量如表1所示。為了研究高溫處理（1050 ℃）和未高溫處理的鍍Ni金剛石對磨具性能的影響，燒結(jié)溫度選為700 ℃、725 ℃、750 ℃、775 ℃和800 ℃，進行熱壓燒結(jié)，壓力均為20 MPa、燒結(jié)時間為15 min，具體工藝見參考文獻[8]。當樣品制備完成后，使用砂紙在其表面打磨，進而去除樣品表面的氧化層，最后進行摩擦磨損實驗。

2.3摩擦磨損實驗

2.3.1實驗設(shè)備和實驗參數(shù)

實驗設(shè)備為鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產(chǎn)的立式萬能摩擦磨損試驗機，技術(shù)參數(shù)如表2：

2.3.2實驗步驟

開始時先稱量試樣，并且記錄試樣的質(zhì)量為m;然后稱量對磨件的質(zhì)量，并記錄為m;把試樣用502膠粘在主軸上的合適位置，并將含有黑色大理石對磨件的零件套上止推圈，然后根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)備的技術(shù)參數(shù)（如表2所示），設(shè)置好后啟動試驗機，開始實驗;實驗結(jié)束后，使用丙酮軟化502膠后把試樣取下，將試樣表面的膠水清理干凈后，烘干試樣;烘干試樣后，稱量試樣并記錄其質(zhì)量為m，然后稱量、記錄對磨件的質(zhì)量為m。最后，計算磨耗量（m- m）、磨除量（m- m）以及磨削比（對磨件的磨除量與磨塊的磨耗量之比）。

3 結(jié)果與討論

3.1 磨塊的磨耗量

磨耗量是指在磨削實驗過程中磨塊質(zhì)量的減少量，一般情況下，在相同的磨削材料、試驗和設(shè)備參數(shù)條件下，磨耗量越小，磨塊的耐磨性就越好。如圖2所示，當磨塊的燒結(jié)溫度為700 ℃、725 ℃和750 ℃時，未經(jīng)過處理的鍍Ni金剛石磨塊的磨耗量遠大于經(jīng)過高溫（1050 ℃）處理后的鍍Ni金剛石磨塊的磨耗量。而當燒結(jié)溫度較高時候，比如在775 ℃和800 ℃時，兩者的磨耗量是趨于一致的。

3.2對磨件的磨除量

磨除量是指在磨削實驗中黑大理石減少的質(zhì)量，在相同的設(shè)備參數(shù)和時間下，黑大理石的質(zhì)量損失越大，磨塊的鋒利性就越大。不同燒結(jié)溫度下的磨除量如圖3所示。從圖3可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，未經(jīng)過處理的鍍Ni金剛石磨塊與經(jīng)過高溫（1050 ℃）處理后的鍍Ni金剛石磨塊去除黑大理石的質(zhì)量都是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這表明，在該實驗條件下，無論是否經(jīng)過高溫處理，鍍Ni金剛石磨塊的鋒利度都是先增大后減小。結(jié)果表明：在725 ℃下燒結(jié)經(jīng)過高溫（1050 ℃）處理的鍍Ni金剛石磨塊得到的磨除量最大;而在750 ℃下燒結(jié)未經(jīng)過高溫處理的鍍Ni金剛石磨塊得到的磨除量最大。但在相同的溫度下，經(jīng)高溫處理后鍍Ni金剛石磨塊的磨除量都少于未處理的金剛石磨塊。

3.3磨削比

磨削比是指工件去除的磨除量與磨塊磨損的質(zhì)量的比值，是表征兩種材料的相對耐磨性的重要指標。在本實驗中，對磨件為黑色大理石，在其他實驗條件相同時，磨削比越大，表示磨塊的耐磨性更好。不同溫度下金剛石磨塊的磨削比如圖4所示，無論是經(jīng)過高溫（1050 ℃）處理的鍍Ni金剛石磨塊還是未經(jīng)過高溫處理的鍍Ni金剛石磨塊，兩者的磨削比都是隨著燒結(jié)溫度的提高而增大。但是在700 ℃、725 ℃、750 ℃、775 ℃和800 ℃的燒結(jié)溫度下，對比兩者的磨削比發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過高溫（1050 ℃）處理的鍍Ni金剛石磨塊與黑大理石的磨削比一直高于未經(jīng)過處理的鍍Ni金剛石磨塊與黑大理石的磨削比。

不同溫度下金剛石磨塊的磨削比之比如圖5所示，從圖5中可以看出：在燒結(jié)溫度為700 ℃、725 ℃、750 ℃、775 ℃和800 ℃時，經(jīng)過高溫處理（1050 ℃）的鍍Ni金剛石塊與對磨件的磨削比，與未經(jīng)過高溫處理的鍍Ni金剛石塊與對磨件的磨削比之比都大于1。結(jié)果表明：在燒結(jié)溫度為750 ℃時，磨削比之比最大為74.74。而且，磨削比之比整體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

4結(jié)果分析

由上述實驗結(jié)果可知，在700 ℃、725 ℃、750 ℃、775 ℃和800 ℃的熱壓燒結(jié)下，經(jīng)過1050 ℃高溫處理的鍍Ni金剛石磨塊的耐磨性顯著提高，在750 ℃時提高最明顯，這說明對鍍Ni金剛石進行高溫處理確實能提高磨具的耐磨性。如圖1（c）所示，將經(jīng)過1050 ℃高溫處理的鍍Ni金剛石表面做凈化處理，在掃描電子顯微鏡下觀察其微觀形貌，發(fā)現(xiàn)金剛石表面出現(xiàn)了許多空洞，這使得金剛石的表面粗糙度和比表面積增加，進而金剛石與金屬能充分潤濕，發(fā)生化學反應(yīng)。同時，金剛石表面的空洞可以與鍍層形成一定的錨固結(jié)構(gòu)。在化學結(jié)合與機械嵌合的共同作用下，金剛石與鍍層界面之間的界面結(jié)合力將大大增強，從而提高了磨具的耐磨性。

5結(jié)論

（1）經(jīng)過高溫（1050 ℃）處理的鍍Ni金剛石，在制備成多孔金屬基結(jié)合劑金剛石工具之后，它的耐磨性提高明顯。特別是磨塊在燒結(jié)溫度為750 ℃的時候，經(jīng)過高溫（1050 ℃）處理的鍍Ni金剛石磨塊的磨耗比是未經(jīng)過處理的鍍Ni金剛石磨塊的74.74倍。

（2）鍍Ni金剛石經(jīng)過1050 ℃處理后，金剛石表面變得粗糙，使得金剛石與金屬界面間存在化學結(jié)合與機械嵌合，在兩者的共同作用下，金剛石與鍍層界面的界面結(jié)合力將大大提升，從而提高了磨塊的耐磨性。

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