多孔釬焊砂輪的制備及SiC陶瓷磨削試驗(yàn)研究

劉 偉 毛國(guó)安 嚴(yán) 燦 李博鑫

1.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭，411201 2.湖南科技大學(xué)難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭，411201

0 引言

碳化硅(SiC)陶瓷具有高硬度、高剛度、低熱膨脹系數(shù)、耐熱沖擊和耐腐蝕等優(yōu)良性能[1]，被廣泛用于航空航天、電氣和電子等領(lǐng)域[2]。SiC陶瓷因其高硬脆性而被認(rèn)為是一種難加工材料，目前主要利用金剛石砂輪進(jìn)行高效磨削加工[3]。然而，在進(jìn)行SiC陶瓷磨削加工時(shí)，由于磨削力大及材料的高硬脆性，經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重的表面裂紋、亞表面損傷以及砂輪快速磨損等情況。特別是采用傳統(tǒng)工藝制作的固結(jié)磨料砂輪，由于磨粒的把持多依賴于結(jié)合劑的機(jī)械包埋和鑲嵌，導(dǎo)致磨粒的把持強(qiáng)度不高而容易脫落，進(jìn)而使砂輪的磨損狀況加重、磨削力增大，影響加工表面質(zhì)量。

為了解決磨粒過(guò)早脫落、利用率不高等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研發(fā)制備了多層釬焊金剛石砂輪(multilayer brazed diamond grinding wheel，MBDGW)[4-5]。MBDGW通過(guò)添加可與金剛石形成化學(xué)鍵連接的活性元素鈦、鉻和稀土等[6-7]來(lái)改善結(jié)合劑對(duì)金剛石的浸潤(rùn)性，提高胎體材料的力學(xué)性能，從而提高磨粒的把持強(qiáng)度、出露高度及利用率，使得砂輪的加工性能得以改善。LOGINOV等[8]通過(guò)將TiH2加入初始的Fe-Co-Ni金屬結(jié)合劑中，研究其對(duì)金屬結(jié)合劑的力學(xué)性能以及與金剛石單晶的結(jié)合力的影響，發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～4%的TiH2可以增強(qiáng)金屬結(jié)合劑的力學(xué)性能，并在金剛石-結(jié)合劑界面上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)50 nm厚的TiC相連續(xù)中間層。WANG等[9]研究了金剛石、Ni-Cr-P釬焊合金界面的反應(yīng)機(jī)理，金剛石和釬焊合金之間形成的Cr7C3和Cr3C2反應(yīng)層使金剛石磨粒具有良好的潤(rùn)濕性以及較好的結(jié)合強(qiáng)度，從而獲得更好的工具質(zhì)量。相關(guān)學(xué)者也利用MBDGW開(kāi)展了SiC陶瓷磨削試驗(yàn)。AGARWAL等[10]研究了金剛石砂輪平面磨削SiC陶瓷的磨削特性、表面完整性和材料去除機(jī)理，探討了磨削條件對(duì)表面/亞表面損傷的影響，發(fā)現(xiàn)材料去除主要是由于晶粒的位移導(dǎo)致沿晶界的微裂紋。WU等[11]利用瑞利分布函數(shù)及臨界磨削深度建立了一種新的脆性材料磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)開(kāi)展SiC磨削試驗(yàn)，對(duì)表面粗糙度進(jìn)行了檢測(cè)及模型驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在砂輪轉(zhuǎn)速較高或磨削深度較低的情況下，以塑性去除為主的磨削有助于降低損傷程度以及改善表面粗糙度。但傳統(tǒng)工藝制作的固結(jié)磨料砂輪與MBDGW均屬于致密性砂輪，此類砂輪存在容屑、排屑空間小，在工作時(shí)易發(fā)生堵塞，整形和修銳較困難等不足。

針對(duì)致密性砂輪的固有缺陷，TANAKA[12]于1992年研發(fā)了一種多孔金剛石砂輪，該砂輪是以金剛石顆粒、金屬結(jié)合劑和造孔劑為原料，經(jīng)過(guò)混合、烘干和燒結(jié)等工藝制備而成。此后相關(guān)學(xué)者對(duì)該類砂輪的制備工藝、造孔效果、磨削性能等方面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該類砂輪避免了因磨屑無(wú)法及時(shí)排出而造成的磨屑黏附在砂輪及工件表面的現(xiàn)象，有效降低了磨削力和磨削溫度，進(jìn)而改善了加工表面質(zhì)量[13-14]。目前，制備多孔金剛石砂輪的造孔劑種類很多，如陶瓷氧化鋁空心球[15]、揮發(fā)物無(wú)機(jī)銨鹽[16]等。相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)TiH2具備釬焊效果[8，17]，同時(shí)，TiH2作為造孔材料被廣泛應(yīng)用于泡沫鋁材制備中[18-19]，但很少有學(xué)者利用TiH2作為造孔劑制備多孔釬焊金剛石砂輪(porous brazed diamond grinding wheel，PBDGW)。

筆者引入具備釬焊與造孔效果的TiH2并利用模壓成形和真空固相燒結(jié)工藝制備出PBDGW。PBDGW中的磨粒是通過(guò)釬焊固結(jié)且多層分布的，克服了傳統(tǒng)工藝制造的固結(jié)磨料砂輪磨粒把持強(qiáng)度不足的問(wèn)題；造孔劑的引入使得砂輪具有孔隙結(jié)構(gòu)，在磨削過(guò)程中能夠保持良好的銳利性和排屑能力。此外，進(jìn)一步開(kāi)展了基于PBDGW的SiC陶瓷磨削試驗(yàn)研究，從磨削力、工件表面粗糙度、工件表面/亞表面形貌等角度與MBDGW磨削性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 PBDGW的制備

1.1 造孔劑處理

TiH2在Ar氣氛中于450 ℃左右開(kāi)始分解，并隨溫度的提高向TiH1.5和TiH轉(zhuǎn)變，于540～600 ℃開(kāi)始大量分解，并在更高溫度下析出Ti元素[20-22]。反應(yīng)方程式如下：

在金剛石砂輪制備中，TiH2析出的活性元素Ti對(duì)金剛石能產(chǎn)生釬焊作用，分解出的H2具有造孔效果。因此TiH2既具備釬焊效果，又能滿足砂輪的造孔需求。但在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)TiH2的造孔效果不夠理想，在添加較低含量的TiH2的情況下，制備出的PBDGW節(jié)塊存在連通孔及大孔洞，如圖1a所示。原因是在540 ℃溫度下，TiH2粉末開(kāi)始快速分解，并隨溫度的提高不斷產(chǎn)生氣體，而此時(shí)熔融狀態(tài)下的金屬結(jié)合劑尚未達(dá)到良好的黏度，使得氣泡壁表面因抵抗不住氣泡內(nèi)氣體的膨脹而發(fā)生破裂，造成氣孔的連通及孔徑增大[23]。因此，對(duì)TiH2粉末進(jìn)行氧化預(yù)處理，在400 ℃氧化6 h，并在500 ℃氧化1 h，預(yù)處理后的TiH2開(kāi)始分解溫度為580 ℃左右，最大分解溫度為670～690 ℃。氧化預(yù)處理后的TiH2表面生成了一層致密的由TiO2等氧化物組成的氧化層，一定程度上抑制了TiH2粉末的釋氫進(jìn)程，使得TiH2的分解溫度得到提高；在氧化過(guò)程中消耗了部分H2，H2分解量減少，氣泡長(zhǎng)大速度降低，從而能夠降低氣孔平均孔徑[24]。通過(guò)將TiH2進(jìn)行氧化預(yù)處理，制備出的PBDGW節(jié)塊未發(fā)現(xiàn)連通孔、大直徑孔洞等缺陷，且截面形貌良好，金剛石磨粒分布均勻，如圖1b所示。

1.2 砂輪制備

試驗(yàn)所用金屬結(jié)合劑為Cu-10Sn粉末和TiH2粉末，其中，所用TiH2粉末也被作為造孔劑兼釬焊劑，粒度均為400目，由長(zhǎng)沙天久金屬材料有限公司提供；金剛石磨粒型號(hào)為MBD8，粒度為140/150目，由長(zhǎng)沙石立超硬材料有限公司提供。利用SHY-5三維混合機(jī)在Cu-10Sn粉末中加入金剛石磨粒以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.5%、5%、7.5%、10%的氧化預(yù)處理后的TiH2粉末，金剛石的濃度為100%。混合機(jī)轉(zhuǎn)速為180 r/min，混合時(shí)間為2 h。

將混合好的粉末放入專用于金剛石砂輪節(jié)塊模壓成形的模具中，利用WA-100C電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模壓成形，制備出金剛石砂輪節(jié)塊成形坯。為了能有效提高成形坯的緊實(shí)度，通過(guò)分析對(duì)比，試驗(yàn)采用模壓為100 MPa、保壓時(shí)間為10 min的模壓成形工藝，制備出的金剛石成形坯的成形效果良好。金剛石砂輪節(jié)塊模壓成形后，將其放入GSL1300XL真空管式爐中進(jìn)行真空液相燒結(jié)，燒結(jié)溫度為920 ℃，升降溫速率為5 ℃/min，保溫時(shí)間為15 min，爐內(nèi)真空度小于0.12 Pa。燒結(jié)后的PBDGW節(jié)塊沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重塌陷、變形等缺陷，如圖2所示。

圖2 PBDGW節(jié)塊

利用排水法和三點(diǎn)彎曲法分別檢測(cè)了不同含量TiH2下的PBDGW節(jié)塊的孔隙率和抗彎強(qiáng)度，如圖3所示。從圖中可看出，隨著TiH2含量的增大，砂輪孔隙率增大，抗彎強(qiáng)度減??；當(dāng)TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)由7.5%升至10%時(shí)，砂輪孔隙率有較大幅度的增長(zhǎng)，而抗彎強(qiáng)度急劇減小。

圖3 不同TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下砂輪節(jié)塊的孔隙率和抗彎強(qiáng)度

通過(guò)VHX-5000超景深顯微鏡觀測(cè)PBDGW節(jié)塊橫斷面形貌，如圖4所示。從圖中可看到，TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，砂輪節(jié)塊的金屬結(jié)合劑熔化狀態(tài)良好，磨粒露出較多，并開(kāi)始出現(xiàn)氣孔；隨著TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，氣孔數(shù)量也隨之增加，但當(dāng)TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，金屬結(jié)合劑熔化不徹底，鋪展不充分，且并未發(fā)現(xiàn)有氣孔。這是因?yàn)楫?dāng)TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)，分解出的高熔點(diǎn)固相顆粒Ti增加，從一定程度上提高了燒結(jié)活化能，降低了燒結(jié)速率。

為保證節(jié)塊抗彎強(qiáng)度符合要求且節(jié)塊具有較大孔隙率，TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)選用7.5%。此時(shí)PBDGW節(jié)塊抗彎強(qiáng)度為208.3 MPa，滿足砂輪強(qiáng)度要求；同時(shí)其孔隙相對(duì)規(guī)則、均勻，金屬結(jié)合劑能很好地包裹在金剛石表面，金剛石晶形完整，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的熱刻蝕痕跡，如圖5所示。

圖5 磨粒與氣孔形貌

PBDGW節(jié)塊制備后，為保證各個(gè)節(jié)塊緊密固定于砂輪基體上，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)金剛石砂輪節(jié)塊固定裝置，如圖6a所示。砂輪基體表面經(jīng)過(guò)打磨、超聲清洗，采用高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂將節(jié)塊黏結(jié)在砂輪基體凹槽內(nèi)，并通過(guò)螺釘、夾緊塊進(jìn)一步夾緊，避免節(jié)塊在磨削過(guò)程中脫落。

2 碳化硅陶瓷磨削試驗(yàn)裝置

磨削試驗(yàn)在MGK7120型高精度臥軸矩臺(tái)平面磨床上進(jìn)行，磨床主軸轉(zhuǎn)速為3000 r/min，如圖6b所示。采用Kistler 9257B測(cè)力儀實(shí)時(shí)測(cè)量磨削力，采用OLS5000-SAF激光共焦顯微鏡檢測(cè)工件表面粗糙度與表面形貌，采用SU3500掃描電子顯微鏡檢測(cè)工件亞表面形貌。工件材料為SiC陶瓷，由佛山市郝材新材料科技有限公司提供，其密度為3.12 g/cm3，洛氏硬度為93HRA，彈性模量為415 GPa，尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，如圖6c所示。PBDGW基體材料為鋁合金，外徑為130 mm，內(nèi)徑為32 mm，厚度為10 mm，磨料層材料為銅基金屬結(jié)合劑，工作面寬度為5 mm，工作層厚度為10 mm，磨粒為140/150目人造金剛石，維氏硬度為110 HV，抗彎強(qiáng)度為208.3 MPa，孔隙率為15.5%，如圖6a所示。對(duì)比試驗(yàn)用MBDGW由華泰金剛石工具有限公司提供，如圖6d所示，結(jié)構(gòu)尺寸與PBDGW一致。試驗(yàn)條件及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

(a)PBDGW (b)磨削試驗(yàn)裝置

表1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)參數(shù)

3 磨削試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 磨削力

圖7為采用PBDGW與MBDGW磨削SiC陶瓷工件時(shí)磨削深度ap和工件進(jìn)給速度vw對(duì)磨削力的影響。從圖中可以看到，兩種砂輪都呈現(xiàn)出相同的特點(diǎn)：磨削深度、工件進(jìn)給速度增大，磨削力隨之增大。這是由于在其他磨削參數(shù)不變的情況下，磨削深度或工件進(jìn)給速度增大，都會(huì)增加單顆磨粒的未變形切屑厚度、砂輪與工件的接觸弧長(zhǎng)，參與磨削的有效磨粒數(shù)增多，使得磨削力增大。從圖中也可看到，在相同磨削參數(shù)下，PBDGW的磨削力比MBDGW的磨削力小，與MBDGW相比，PBDGW切向力下降8.4%～23.6%、法向力下降10.2%～38.6%。這主要是因?yàn)镻BDGW有孔隙，具有較好的容屑能力，并在離開(kāi)加工區(qū)域時(shí)在離心力作用下將切屑排出；而MBDGW容屑空間不足，導(dǎo)致切屑黏附于金剛石以及金屬結(jié)合劑表面，影響金剛石的出露和切削性能，致使切削力和摩擦力增大。

(a)PBDGW切向力 (b)MBDGW切向力

3.2 表面粗糙度

通過(guò)激光共焦顯微鏡進(jìn)行圖像采集、圖像處理和圖像分析得到工件表面粗糙度值。圖8為SiC陶瓷工件磨削后的表面粗糙度，可發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度隨磨削深度、工件進(jìn)給速度的增大而增大。這是因?yàn)槟ハ魃疃鹊脑龃髸?huì)使得單顆磨粒的切削深度增大，溝槽與劃痕更為明顯，使得工件表面粗糙度增大；工件進(jìn)給速度、磨削深度的增大都會(huì)促使材料由塑性去除向脆性去除轉(zhuǎn)變，進(jìn)而導(dǎo)致工件表面質(zhì)量變差。在相同試驗(yàn)條件下，PBDGW磨削加工的工件表面粗糙度較小，相比MBDGW磨削加工的工件表面粗糙度，平均降幅為10.4%。這是因?yàn)榭紫督Y(jié)構(gòu)的引入使得磨料能充分保持鋒利，提高砂輪的磨削性能，有效提高磨削加工表面質(zhì)量。同時(shí)，在低磨削深度下，可發(fā)現(xiàn)PBDGW對(duì)降低工件表面粗糙度更為明顯，這主要是因?yàn)樵谀ハ骷庸み^(guò)程中，低磨削深度更容易實(shí)現(xiàn)塑性去除[25]，而PBDGW能有效減小磨削力，這就意味著在相同進(jìn)給速度下，其臨界磨削深度更大，因此能減少因脆性去除帶來(lái)的缺陷而造成表面粗糙度增大的現(xiàn)象，這也與后續(xù)對(duì)工件表面形貌的分析相符。

3.3 表面形貌

圖9、圖10所示為SiC陶瓷磨削后的表面形貌。由圖9a可看出，工件表面發(fā)生了塑性變形，塑性隆起較為明顯，劃痕寬度和深度較??；但隨著磨削深度以及工件進(jìn)給速度的增大，加工表面均出現(xiàn)了可見(jiàn)的脆性斷裂凹坑，這是由于亞表面裂紋自由擴(kuò)展到工件表面，導(dǎo)致材料剝落所產(chǎn)生。在相同磨削參數(shù)下，PBDGW磨削的工件表面出現(xiàn)的脆性斷裂凹坑相對(duì)較少，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)脆性斷裂現(xiàn)象。因此，PBDGW有效提高了SiC陶瓷磨削加工表面質(zhì)量，降低了SiC陶瓷在較高磨削深度和工件進(jìn)給速度下的表面缺陷，有利于實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷的低損傷加工。

(a)ap=5 μm， (b)ap=10μm，vw=20 mm/s vw=40 mm/s (c)ap=20μm，vw=50 mm/s

(a)ap=5 μm， (b)ap=10 μm，vw=20 mm/s vw=40 mm/s (c)ap=20 μm，vw=50 mm/s

3.4 亞表面損傷

圖11、圖12所示為SiC陶瓷磨削后的亞表面損傷形貌?？煽吹?，MBDGW磨削時(shí)，工件亞表面出現(xiàn)了平行于加工表面的橫向裂紋和垂直于加工表面的縱向裂紋，微裂紋會(huì)削弱工件的強(qiáng)度，影響工件的力學(xué)性能和使用壽命。而采用PBDGW磨削時(shí)，工件亞表面微裂紋較少，且工件亞表面的損傷深度較小。這也是由于PBDGW的磨粒能保持鋒利，故可有效減小磨削損傷，降低磨削亞表面損傷深度。

(a)ap=10 μm，vw=30 mm/s (b)ap=20 μm，vw=40 mm/s

(a)ap=10 μm，vw=30 mm/s (b)ap=20 μm，vw=40 mm/s

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)良好的造孔效果，將造孔劑TiH2進(jìn)行了氧化預(yù)處理，并利用模壓成形和真空固相燒結(jié)工藝制備出了磨粒把持力大、孔隙分布均勻的PBDGW，開(kāi)展了SiC陶瓷磨削試驗(yàn)。結(jié)果表明：

(1)PBDGW節(jié)塊孔隙率隨氧化預(yù)處理TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，抗彎強(qiáng)度則相反。氧化預(yù)處理TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)選用7.5%時(shí)，抗彎強(qiáng)度為208.3 MPa，滿足砂輪強(qiáng)度要求，同時(shí)其孔隙率為15.5%，孔隙分布相對(duì)規(guī)則、均勻。

(2)在相同磨削參數(shù)下，PBDGW磨削SiC陶瓷時(shí)的磨削力、表面粗糙度小于MBDGW，切向力下降8.4%～23.6%、法向力下降10.2%～38.6%，表面粗糙度平均降幅為10.4%。

(3)PBDGW磨削SiC陶瓷的表面完整性較好，表面脆性斷裂、亞表面微觀裂紋較少，亞表面損傷深度較小，在較低磨削深度與工件進(jìn)給速度下能夠?qū)崿F(xiàn)低損傷去除，為實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷的精密無(wú)損加工提供參考。