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        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

        2013-05-25 10:17:34夏斯偉馬若飛段端志李文杰
        超硬材料工程 2013年6期
        關(guān)鍵詞:銅基釬料胎體

        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(duì)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(duì)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(duì)金剛石仍會(huì)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(duì)金剛石磨粒有良好的潤(rùn)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(duì)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(duì)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(cè)定儀等。

        1.2 試驗(yàn)方案

        (1)利用高頻感應(yīng)設(shè)備對(duì)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(cè)試選擇合適的隔離劑,并通過(guò)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(cè)定試驗(yàn)。對(duì)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(duì)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(duì)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)櫇瘢綦x劑被焊料包裹在金剛石表面,形成絮狀物質(zhì),無(wú)法清除。此外,銅基釬料中活性Ti元素會(huì)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(wú)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(duì)以上銅基預(yù)釬焊磨粒力學(xué)性能測(cè)試如圖2所示。相對(duì)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(huì)因力學(xué)性能下降對(duì)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(duì)比分析。

        2.2 節(jié)塊磨耗比測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)界面間形成了化學(xué)冶金結(jié)合,后續(xù)將通過(guò)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(duì)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(jiàn),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(shì),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(shì),向胎體層中擴(kuò)散。表明銅基釬料在金剛石表面潤(rùn)濕后,通過(guò)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(duì)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(duì)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(jiàn),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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)比試驗(yàn)

        3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

        采用常規(guī)、A-鎳基[2]及銅基預(yù)釬焊磨粒制作法國(guó)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(tái)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(guó)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(guò)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(duì)應(yīng)行走電機(jī)電流,加工壽命定義為磨削一定長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)金剛石磨粒良好釬焊效果的基礎(chǔ)上,對(duì)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(guò)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(lái)發(fā)展構(gòu)想[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2005,41(3):12-16.

        [2]宋立明,肖冰,丁曉陽(yáng),等.多層釬焊金剛石鋸片的研制及基礎(chǔ)分析 [J].金剛石與磨料磨具工程,2013,33(195):1-4.

        [3]劉心宇,張漢城,李東平.銅基釬料真空釬焊金剛石[J].金剛石與磨料磨具工程,2007,(159):26-28.

        [4]邢世凱.陶瓷-金屬連接工藝研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].材料保護(hù),2004,37(5):35-37.

        [5]張斌,丁文峰,徐九華,等.PcBN磨粒/石墨/CuSnTi合金復(fù)合塊界面微觀結(jié)構(gòu)[J].焊接學(xué)報(bào),2011,32(12):63-69.

        [6]陳燕.高溫釬焊金剛石磨料熱損傷分析及其控制對(duì)策的基礎(chǔ)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2008.

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