朱振東， 張作棟， 栗曉龍， 肖長江， 栗正新

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 鄭州 450001)

金剛石鉆切工具的工作環(huán)境一般比較復(fù)雜，在工作中常常會遇到一些難加工材料，例如在鉆切鋼筋混凝土?xí)r常常會碰到鋼筋，在鉆探地層時常常會遇到硬質(zhì)巖石，這時金剛石工具就面臨較大考驗。如果結(jié)合劑與金剛石把持力不夠，則很容易出現(xiàn)切磨效率低，甚至切磨不動的現(xiàn)象。因此，金剛石工具基體與金剛石間需要有非常強(qiáng)的把持力來保證在遇到難加工對象時不至于發(fā)生金剛石過早脫落而失效等問題[1]。

提高基體對金剛石把持力的方法有多種。其中，提高結(jié)合劑強(qiáng)度和使用表面鍍覆金剛石是比較常用的2種方法[2-6]。但是，表征把持力大小的方法并不是很多，一般是做成成品試用，通過其耐用性來反映把持力。但此方法費時費力，不利于產(chǎn)品的研發(fā)與升級。

金剛石工具在充分磨削后，金剛石會有一定的出刃。一般情況下，基體對金剛石把持力越高，出刃高度就越高。所以，可以通過測量金剛石的出刃高度來反映把持力的大小。測量金剛石磨粒出刃高度的方法有很多，常用的有通過顯微鏡聚焦方式測量磨粒出刃高度[7]和通過激光檢測方法采集磨損面3D數(shù)字信息再進(jìn)行模擬成像來測量磨粒出刃高度[8-9]，但這些方法操作比較麻煩，依然不能夠被普遍接受。

掃描電子顯微鏡(SEM)作為微觀形貌觀察和顯微結(jié)構(gòu)分析的大型分析儀器，被廣泛應(yīng)用于納米材料尺寸的精確測量、性能表征以及材料的3D形貌恢復(fù)[10]，能有效地對刻蝕后金剛石的立體形貌和表面粗糙度進(jìn)行表征[11]，所以也能利用SEM的高放大倍數(shù)和高精度性能準(zhǔn)確快速地測出每顆金剛石的出刃高度。

首先，在不同的溫度下燒結(jié)制備不同強(qiáng)度鐵銅結(jié)合劑樣條，然后設(shè)計正交試驗。在不同強(qiáng)度的鐵銅結(jié)合劑樣條中加入未鍍金剛石、表面鍍Ti和鍍Ni金剛石燒結(jié)制備金剛石樣條。以大理石為磨削對象，測試不同樣條磨削后的情況，使用SEM 3D重構(gòu)法來測量金剛石出刃高度，并根據(jù)金剛石出刃高度分析不同基體強(qiáng)度與未鍍、鍍Ni和鍍Ti金剛石的燒結(jié)節(jié)塊對金剛石工具把持力的影響。

1 試驗方法和過程

1.1 原料和鐵銅結(jié)合劑樣條的燒結(jié)

試驗選用的金剛石型號為ZND2180，粒度代號為40/50，由中南杰特股份有限公司生產(chǎn)。鍍Ti金剛石的鍍Ti方式為真空微蒸發(fā)鍍，質(zhì)量增加2%；鍍Ni金剛石的鍍Ni方式為滾鍍，質(zhì)量增加30%。2種電鍍方法所采用的金剛石是一樣的。

試驗所選基體結(jié)合劑配方是鉆切鋼筋混凝土常用配方，其組成如表1所示。

表 1 結(jié)合劑各成分Tab. 1 Chemical composition of bond agent

表1中的金屬粉是由鄭州嵩山磨具磨料有限公司生產(chǎn)，均為單質(zhì)金屬粉末，純度≥99.5%。將稱好的混合粉末按照文獻(xiàn)[6]中的燒結(jié)工藝進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別取600，625，650，700，750和800 ℃，試樣的尺寸為32.0 mm×4.5 mm×3.0 mm。

1.2 正交試驗設(shè)計

為了得到不同的基體強(qiáng)度，且又不引進(jìn)對強(qiáng)度有影響的新的變量，試驗選擇通過控制燒結(jié)溫度來控制基體強(qiáng)度，基體強(qiáng)度隨溫度變化的曲線如圖1所示。從圖1可以看出：基體的抗折強(qiáng)度在650 ℃達(dá)到最大值，在600～650 ℃范圍內(nèi)強(qiáng)度變化非常明顯。因此，分別選擇600，625和650 ℃等3個燒結(jié)溫度作為一個因素來控制強(qiáng)度，并用未鍍金剛石、鍍Ti金剛石、鍍Ni金剛石作為另一個因素，設(shè)計正交試驗。因素水平如表2所示。

圖1 結(jié)合劑抗折強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度變化趨勢Fig. 1 Trend of bending strength of matrix with temperature

表 2 試驗的因素水平表

用3水平4因素表做3水平2因素試驗，L9(34)表如表3所示。

表 3 正交試驗方案Tab. 3 Orthogonal test scheme

1.3 試樣的制備與金剛石出刃高度測量

按照上述方案做9組試驗，每組試驗制備6個樣條。樣條制作方法為：首先根據(jù)樣條設(shè)計尺寸計算結(jié)合劑各組分和金剛石的用量，其中金剛石濃度為20%；然后進(jìn)行混料、投料并熱壓燒結(jié)成形，燒結(jié)工藝同上。

樣條制成后用RG3050萬能材料試驗機(jī)測量其抗折強(qiáng)度并記錄數(shù)據(jù)。用平面磨床做磨削試驗，試驗設(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(jī)，試驗參數(shù)如表4所示。

表 4 萬能摩擦磨損試驗參數(shù)Tab. 4 Test parameters of universal friction and wear testing machine

在充分磨削后(磨削深度1 mm左右)，樣條表面金剛石大量出刃，用SEM 3D重構(gòu)法來測量金剛石的出刃高度。金剛石的3D重構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 出刃金剛石3D重構(gòu)等高圖Fig. 2 Contour reconstruction of diamond 3D reconstruction

圖2中的基準(zhǔn)表面是電鏡的焦平面，首先通過調(diào)整電鏡焦距，清楚顯示基體表面，然后拉出線條并經(jīng)過灰色中間高度值最大部分，通過簡單移動可找出磨粒與基準(zhǔn)平面的最大高度差，即為金剛石的出刃高度。選取每組中最長的樣條隨機(jī)測量10顆金剛石的出刃高度，并求平均數(shù)，做出出刃高度與樣條抗折強(qiáng)度對應(yīng)圖，圖中每個樣條有一個抗折強(qiáng)度并對應(yīng)10顆金剛石出刃高度數(shù)據(jù)[10-13]，如圖3～圖5所示。

圖3 未鍍金剛石出刃高度與樣條強(qiáng)度對應(yīng)圖Fig. 3 Corresponding diagram of protrusion height and sample strength of uncoated diamond

圖4 鍍Ti金剛石出刃高度與樣條強(qiáng)度對應(yīng)圖Fig. 4 Corresponding diagram of protrusion height and sample strength of Ti-coated diamond

圖5 鍍Ni金剛石出刃高度與樣條強(qiáng)度對應(yīng)圖Fig. 5 Corresponding diagram of protrusion height and sample strength of Ni-coated diamond

2 試驗結(jié)果及分析

將圖3～圖5測量結(jié)果按照試驗方案取平均值，得到正交試驗的結(jié)果如表5所示。

表 5 正交試驗結(jié)果Tab. 5 Results of orthogonal test

從表5可以看出，SEM 3D重構(gòu)法測量出金剛石的出刃高度值為221.26～321.68 μm。使用SPSS對表5試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如下：(1)表6為主體間效應(yīng)的檢驗，其因變量為出刃高度，表6中A、B的Sig值均小于0.05，因此金剛石類型與不同基體強(qiáng)度(燒結(jié)溫度)對出刃高度均有顯著影響，而且由Ⅲ型平方和比較可知，對金剛石出刃高度的影響B(tài)>A；(2)金剛石類型和不同基體強(qiáng)度(燒結(jié)溫度)對金剛石出刃高度的影響的正交試驗分析結(jié)果分別如表7和表8所示，其因變量為出刃高度。由表7中均值可知：金剛石類型對金剛石出刃高度的順序為鍍Ti金剛石>鍍Ni金剛石>普通金剛石。同樣由表8中的均值可知：樣條基體強(qiáng)度對金剛石出刃高度的影響順序為高強(qiáng)度樣條>中等強(qiáng)度樣條>低強(qiáng)度樣條。

表 6 主體間效應(yīng)的檢驗Tab. 6 Test of intersubjective effects

表 7 金剛石類型對出刃高度影響分析Tab. 7 Analysis of the influence of diamond type on edge height

表 8 燒結(jié)溫度對出刃高度影響分析Tab. 8 Analysis of the influence of sintering temperature on edge height

根據(jù)正交試驗的數(shù)據(jù)來具體分析金剛石類型和不同基體強(qiáng)度對出刃高度極差分析，結(jié)果如圖9所示，其中的S1，S2，S3和ΔS分別表示金剛石類型和不同基體強(qiáng)度在相同水平時出刃高度的平均值和極差值。從表9中可以看出：結(jié)合劑強(qiáng)度因素大于金剛石類型因素對出刃高度的影響。

表 9 出刃高度極差分析Tab. 9 Flexural strength analysis

3 結(jié)論

(1)與其他測量金剛石出刃高度的方法相比，SEM 3D重構(gòu)能夠快速準(zhǔn)確地測量出金剛石的出刃高度，高度值為221.26～321.68 μm。

(2)金剛石類型對金剛石的出刃高度的順序為鍍Ti金剛石>鍍Ni金剛石>未鍍金剛石。

(3)在金剛石出刃高度的影響中，基體強(qiáng)度因素大于金剛石類型因素，且高強(qiáng)度樣條>中等強(qiáng)度樣條>低強(qiáng)度樣條。