左宏森,趙志偉,張林

(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南鄭州450007)

金屬結(jié)合劑燒結(jié)磨具孔隙度與磨具性能之間關(guān)系的探討①

左宏森,趙志偉,張林

(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南鄭州450007)

金屬結(jié)合劑超硬材料磨具以其長的使用壽命和更適合于加工硬脆非金屬材料而著稱,但其較低的自銳性和不易修整的特點(diǎn)使其在應(yīng)用上受到了一定的限制。在分析了燒結(jié)型超硬磨具磨削中出現(xiàn)問題的原因之后,通過實(shí)驗(yàn)對磨具性能與熱壓溫度的關(guān)系、不同孔隙度對磨具力學(xué)性能的影響以及磨料種類的不同在磨具中的作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,孔隙度增加會降低磨具的硬度與強(qiáng)度,表面鍍覆超硬cBN可以大大改善高孔隙度磨具的結(jié)合強(qiáng)度。

磨具;cBN;孔隙度;金屬結(jié)合劑

2 金屬結(jié)合劑磨具磨削加工過程

普通磨具中,陶瓷結(jié)合劑與樹脂結(jié)合劑磨具具有較高的磨削自銳性,這與磨具本身的內(nèi)在結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。普通磨具制造過程中存在所謂的三要素即結(jié)合劑、磨料、氣孔,通過三者的合理搭配來生產(chǎn)不同類型不同用途的專用磨具。磨粒在使用過程中經(jīng)過磨損、破碎、脫落等幾個(gè)明顯的過程。磨粒的及時(shí)脫落可以保證磨具具有其特有的自銳性。磨粒的脫落是通過結(jié)合劑橋的斷裂而實(shí)現(xiàn)的,所以氣孔率在此起了重要的作用。磨具中氣孔的存在同樣也有磨削時(shí)利于溶屑與排屑,修整時(shí)易于修整的優(yōu)點(diǎn)。

金屬結(jié)合劑超硬材料制品具有許多優(yōu)異的性能,應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。作為磨削用的金屬結(jié)合劑磨具,為了提高結(jié)合劑對金剛石的把持力,氣孔率則相當(dāng)?shù)?從而避免了價(jià)格遠(yuǎn)高于普通磨料的超硬磨料過早脫落,這就對結(jié)合劑提出更高的要求即既要有較好粘結(jié)金剛石或cBN的能力還要能耐適當(dāng)?shù)哪p。磨具在磨削過程中磨粒之間由于孔隙較少,磨粒不可避免地存在高效磨削過程中磨料不能合理脫落,磨具磨削易堵塞(特別是對脆性差的材料)、磨具自銳性差和修整困難等問題。超硬磨粒的磨損是由磨粒表面磨損—磨粒形成平臺—磨粒表面脆裂—磨粒微刃出現(xiàn)這樣的過程循環(huán)進(jìn)行的,當(dāng)磨粒平臺較大時(shí),在磨削力的作用下就難以使高強(qiáng)度的磨粒出現(xiàn)新的裂紋,從而導(dǎo)致磨削力大大提高或磨削難以繼續(xù)進(jìn)行,此時(shí)超硬磨具就必須進(jìn)行修銳。而普通結(jié)合劑磨具由于磨粒之間有較大的孔洞,結(jié)合劑橋結(jié)合磨粒的能力相對較弱,所以,當(dāng)磨粒上承受的力較大時(shí),參與磨削的已變成較大平面的磨粒就很容易脫落下來,使新的磨粒暴露出來繼續(xù)參與磨削加工,從而表現(xiàn)出較好的自銳性。超硬磨具要實(shí)現(xiàn)好的自銳性必須靠結(jié)合劑的適當(dāng)磨損來實(shí)現(xiàn),這大大地提高了磨具制造的難度,也是到目前為止影響金屬結(jié)合劑磨具應(yīng)用的其中一個(gè)主要方面。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)原材料及儀器設(shè)備

金屬粉末:Cu、Co、Sn、Zn、Pb、A g粒度-400,純度不小于99.8%。

磨料:cBN 100/120。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備:RYJ-2000K型燒結(jié)機(jī);CM T 4504型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)試樣尺寸:40×5×5

熱壓參數(shù):T燒=620℃～700℃;熱壓保溫時(shí)間5min;每模熱壓6個(gè)試樣,熱壓壓力9M Pa。

試驗(yàn)過程:原材料—配混料—真空熱壓成型—測試樣塊孔隙度和力學(xué)性能—試樣加cBN熱壓—重新檢測樣塊孔隙度與力學(xué)性能—顯微鏡觀察表面磨料結(jié)合程度。

4 結(jié)果與討論

4.1 相同孔隙度時(shí)不同熱壓溫度對試樣性能的影響

在孔隙度增大的情況下,燒結(jié)制品最明顯的問題是產(chǎn)品強(qiáng)度的下降。圖1為在孔隙度10%時(shí)熱壓溫度不同對試樣抗折強(qiáng)度的作用。

圖1 熱壓溫度與試樣抗折強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship between the hot-pressing temperature and bending strength of the sample

圖1明顯表明溫度高與低對孔隙率一定的燒結(jié)體的作用影響符合常規(guī)燒結(jié)規(guī)律,溫度過低,燒結(jié)合金化作用低,燒結(jié)不完善,孔隙形狀不規(guī)則,在受力過程中抵抗外力的能力差,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中裂紋擴(kuò)展的問題,所以強(qiáng)度會比較低。溫度過高時(shí),在相同的熱壓工藝條件下,液相量增加,液相流動性提高,高溫受力時(shí)液相容易流失,燒結(jié)合金晶體開始長大,從而不利于強(qiáng)度的提高。

4.2 孔隙度變化時(shí)對試樣力學(xué)性能的作用程度

圖2是在熱壓溫度670℃時(shí)不同孔隙含量對試樣抗折強(qiáng)度與硬度的影響。從圖2明顯可以看到孔隙度的多少對試樣強(qiáng)度和硬度影響較大。對硬度的影響可以簡單解釋為孔隙含量增加后硬度實(shí)際測量時(shí)試樣有效承載面積減少造成的。強(qiáng)度的變化同硬度變化規(guī)律是一致的,孔隙度越高,強(qiáng)度下降越明顯。

圖2 孔隙度對抗折強(qiáng)度與硬度的影響Fig.2 The influence of porosity on bending strength and hardness

4.3 cBN品種對多孔試樣力學(xué)性能的影響

在孔隙度增大的情況下,強(qiáng)度下降是不利于磨具使用的,通過調(diào)整配方和工藝可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)母纳?。?為使用表面鍍覆鎳的cBN使用前后試樣的強(qiáng)度改善情況。

(1)隨著磨具內(nèi)孔隙度的增加,由于結(jié)合劑有效結(jié)合面積減少的原因?qū)?dǎo)致磨具強(qiáng)度與硬度明顯降低;

(2)為防止因孔隙度增加磨料過早脫落利用率下降的問題,可以使用表面鍍覆金屬的磨料,可明顯強(qiáng)化磨料與結(jié)合劑的結(jié)合面,提高磨具的抗拉強(qiáng)度。

表1 采用表面鍍覆鎳的cBN前后試樣抗折強(qiáng)度對比Table1 Bending strength of the samples before and after cBN coated with Ni

圖3、圖4為試樣的表面結(jié)構(gòu)放大圖。使用表面鍍金屬的磨料后,磨料與結(jié)合之間沒有明顯的分界面,結(jié)合牢固程度提高,可適當(dāng)彌補(bǔ)孔隙度增大對磨具強(qiáng)度的不利影響。

從表1中可以看出,使用表面鍍覆鎳的cBN對提高高孔隙度磨具試樣的強(qiáng)度還是很明顯的,鍍覆鎳cBN的采用一是能提高燒結(jié)時(shí)液相成分對磨料的潤濕性,另一方面通過表面鍍覆的金屬加強(qiáng)了磨料與結(jié)合劑的結(jié)合面積,其過程如圖5示意。

圖3 未鍍覆鎳cBN的試樣表面形貌(50×)Fig.3 The surface topography of the sample without coated cBN

圖4 表面鍍覆鎳cBN的試樣表面形貌(50×)Fig.4 The surface topography of the sample with coated cBN

圖5 采用鍍覆磨料前后磨具結(jié)構(gòu)狀態(tài)比較Fig.5 The structure of grinding tool before and after using coated abrasive

5 結(jié)論

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Relation ship between the properties and porosity of metal bond sintering grinding too ls

ZUO Hong-sen,ZHAO Zhi-wei,ZHANG Lin
(College of Materials Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

The metal bond ultra hard grinding tool is famous for long service life and sui Table form achining hard and brittle materials.Bu t its application has been limited for weakly self-sharpening and difficulty dressing.By experiment,the relationship between the properties of grinding tools and hot-pressing temperatures,the influence of porosity on mechanical properties of grinding tools and the effect of virous abrasive on the tools are studied in the paper.The results show that hardness and strength of grinding tools can bedecresed with increasing porosity,the coated cBN abrasive could also be used to improve bonding strength of grinding tools with high porosity.

grinding tools;CBN;porosity;metal bond

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0013-03

1 前言

作為磨削加工用的磨具按常規(guī)有普通磨具和超硬磨具之分。普通磨具由于使用剛玉與碳化硅作為磨料,磨料強(qiáng)度相對較低,磨料的耐用度較超硬磨料差,磨具制造過程中均保持有較高的孔隙率。以金剛石和cBN為磨料的超硬磨具正好相反,所用磨料強(qiáng)度與耐磨性高,為了適合超硬磨料的高耐磨性,磨具中的孔隙率自然要比普通磨具低得多,特別是使用強(qiáng)度較高磨料的金屬結(jié)合劑磨具。對于兩種類型的磨具,由于原材料不同,設(shè)計(jì)思路存在明顯的差別。金屬結(jié)合劑磨具在制造過程中為了保證超硬磨料的充分使用,磨具內(nèi)部的孔隙率較少,從而也形成了金屬結(jié)合劑磨具在磨削加工中壽命長但鋒利度不夠和修整困難的問題。本文從磨具內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析金屬結(jié)合劑磨具中氣孔率存在的利與弊,并通過實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。

2010-08-05

左宏森(1963-),男,河南工業(yè)大學(xué)超硬材料與磨料磨具系主任,副教授,主要從事超硬材料及制品的教學(xué)與研究。email:hongsen-zuo@haut.edu.cn