耿育科,羅衛(wèi)東,鄭煒*,,王馳,段端志

(1.航空工業(yè)西安飛機工業(yè)(集團)有限責任公司,西安 710089;2.江西警察學院,南昌 330100;3.西安交通大學 機械工程學院,西安 710049)

陶瓷材料作為一種重要的結構材料,以其高強度、高硬度、耐磨損、抗腐蝕以及低熱導等獨特的優(yōu)異性能,廣泛應用于建筑、航空航天、國防軍工、電子、通信、機械、汽車、石油化工、能源等領域[1-2]。但是陶瓷材料屬于脆性材料,硬度高、脆性大,其物理機械性能(尤其是韌性和強度)與金屬材料有較大差異,加工性能差,加工難度大,特別是制孔尤為困難。

一般采用金剛石鉆頭進行陶瓷制孔加工。按制造工藝不同其可分為電鍍、燒結和釬焊金剛石鉆頭。相對于電鍍和燒結金剛石鉆頭,釬焊金剛石鉆頭通過釬料合金與金剛石磨料之間發(fā)生化學結合從而形成對磨料的牢固把持,具有磨料出露程度高、容屑空間大等特點,因而在陶瓷材料的制孔加工中具有潛在的顯著性能優(yōu)勢。

目前,主要采用Ag-Cu-Ti、Cu-Sn-Ti、Ni-Cr合金等釬料制備釬焊金剛石工具[3-8]。在上述釬料中,Ni-Cr合金釬料具有高硬度和高耐磨性,已成為制備釬焊金剛石鉆頭的首選材料。然而,在釬焊過程中,Ni-Cr合金會對金剛石磨料造成熱損傷,進而降低金剛石強度[9-11],使得釬焊金剛石鉆頭的加工性能降低。盡管釬焊金剛石鉆頭在陶瓷材料制孔中具有潛在的顯著性能優(yōu)勢,但是,高溫釬焊對金剛石磨料造成的熱損傷限制了釬焊金剛石鉆頭加工性能的進一步提高。迄今為止,關于通過降低釬焊金剛石磨料熱損傷提高釬焊金剛石鉆頭加工性能的研究仍然很少[11-12]。

為了解決上述問題,采用Ni-Cr合金和富Ce合金復合釬料制備了新型釬焊金剛石鉆頭和釬焊試樣,并開展了完全?；u的鉆削性能實驗對比研究,研究了釬焊試樣的微觀形貌和釬焊金剛石鉆頭的磨損形貌,分析了富Ce合金對釬焊金剛石鉆頭性能的影響規(guī)律。

1 實驗方法

實驗原材料主要包括Ni-Cr-B-Si合金釬料、富Ce合金粉末、金剛石磨料和45號鋼基體。采用的金剛石磨料為黃河旋風有限公司生產(chǎn),粒度為35/40目。采用2種不同配比制備Ni-Cr合金復合釬料,其成分如表1所示。

表1 兩種Ni-Cr合金復合釬料組分

工藝過程:首先對鋼基體待釬焊表面進行打磨拋光,并在乙醇中超聲清洗鋼基體和金剛石磨料。在鋼基體上先后排布釬料和金剛石磨料,將所制成的待釬焊試樣放入到加熱爐中,加熱工藝為釬焊溫度1 050 ℃和保溫10 min。最后,隨爐冷卻至室溫,獲得釬焊金剛石試樣和鉆頭。圖1所示為制備的釬焊金剛石鉆頭。

圖1 釬焊金剛石鉆頭

利用激光拉曼光譜儀(HORIBA LabRAM HR Evolution)對3種釬焊金剛石試樣的殘余應力進行測試,拉曼光譜波數(shù)范圍為600～1 700 cm-1。

采用釬焊金剛石鉆頭在鉆削實驗平臺上開展完全?；u的鉆削性能實驗研究,鉆削速度為4 100 r/min,鉆削時恒力(力的大小為20 N)進給和加水冷卻,鉆削深度為10 mm。

利用日立掃描電子顯微鏡(SEM,SU3500)對釬焊試樣表面微觀形貌和釬焊金剛石鉆頭磨損形貌進行觀察。

2 實驗結果與討論

2.1 釬焊金剛石試樣表面形貌

圖2所示為采用Ni-Cr合金釬料制備的釬焊金剛石試樣表面形貌。從圖2可以看出,金剛石磨料表面存在蝕坑,金剛石磨料上或金剛石與Ni-Cr合金結合界面附近存在微裂紋?？梢?高溫釬焊過程中Ni-Cr合金釬料對金剛石磨料會造成較大的熱損傷。

圖2 Ni-Cr合金釬料釬焊金剛石試樣

圖3和圖4所示分別為采用1號和2號Ni-Cr合金釬料制備的釬焊金剛石試樣表面形貌。從圖3和圖4可以看出,Ni-Cr合金釬料在金剛石磨料表面有較好的爬升,可見Ni-Cr合金釬料對金剛石磨料有較好的潤濕性,適量的富Ce合金不影響Ni-Cr合金復合釬料對金剛石磨料的潤濕性。同時,金剛石磨料表面的蝕坑較少,金剛石磨料表面幾乎沒有微裂紋,金剛石磨料與Ni-Cr合金結合界面附近的微裂紋較少。

圖3 1號Ni-Cr復合釬料釬焊金剛石試樣

圖4 2號Ni-Cr復合釬料釬焊金剛石試樣

由此可見,采用1號和2號Ni-Cr合金復合釬料制備的釬焊金剛石試樣表面形貌優(yōu)于采用Ni-Cr合金釬料制備的釬焊金剛石試樣。適量的富Ce合金有利于降低Ni-Cr合金釬料對金剛石磨料造成的熱損傷。

在上述金剛石磨料熱損傷形式中,金剛石表面蝕坑產(chǎn)生的原因是Ni-Cr合金釬料中Ni元素促使金剛石石墨化并溶解碳原子而造成金剛石的腐蝕;金剛石上或金剛石與Ni-Cr合金結合界面附近微裂紋產(chǎn)生的原因是金剛石、釬料、鋼基體之間熱膨脹系數(shù)不匹配[13]。添加的富Ce合金減少了能促使金剛石石墨化并溶解碳原子的Ni元素含量,并減小了金剛石、釬料、鋼基體之間熱膨脹系數(shù)不匹配程度。

2.2 釬焊金剛石殘余應力分析

采用激光拉曼光譜儀分別對上述3種釬焊金剛石試樣進行測試,具體測試原理和方法可參考文獻[13-14]。如圖5所示,激光束從金剛石的頂面中心逐漸聚焦至其中部和底部,每隔50 μm選取測樣點,每種釬焊金剛石試樣重復進行6次實驗。

圖5 釬焊金剛石殘余應力測試示意圖

根據(jù)測試的Raman散射峰的波數(shù)可計算釬焊金剛石的殘余應力,計算公式為

σ=K·(ω-ω0)

(1)

式中：ω為釬焊金剛石的Raman散射峰波數(shù);ω0為單晶金剛石的Raman散射峰波數(shù),本文測得為1 332.22 cm-1;K為比例常數(shù),由文獻[14]可知,K=-0.43 GPa/cm-1。

圖6所示為所獲得的3種釬焊金剛石的殘余應力結果。從圖6中可以看出,當測試深度為200 μm時,1號和2號復合釬料釬焊金剛石的殘余應力分別為-1.12 GPa和-1.04 GPa,同Ni-Cr合金釬焊金剛石的殘余應力相比分別減少了9.7%和16.1%。由此可見,添加富Ce合金能減少釬焊金剛石的殘余應力。

圖6 釬焊金剛石殘余應力

2.3 釬焊金剛石鉆頭加工性能

為了研究富Ce合金對釬焊金剛石鉆頭性能的影響,開展了3種釬焊金剛石鉆頭的加工性能研究,每種鉆頭均選取3支進行鉆削實驗,加工條件均一致,并記錄每個孔的鉆削時間和每支鉆頭的鉆孔數(shù)量。如圖7所示,以平均鉆孔數(shù)量和平均鉆削時間分別表征每一種釬焊金剛石鉆頭的使用壽命和加工效率,平均鉆孔數(shù)量越多,表明釬焊金剛石鉆頭的使用壽命越長;平均鉆削時間越短,表明釬焊金剛石鉆頭的加工效率越高。

圖7 3種釬焊金剛石鉆頭的加工性能

從圖7可以看出,隨著富Ce合金添加量的增加,釬焊金剛石鉆頭的平均鉆孔數(shù)量先增加后減小,平均鉆削時間先減小后增大。如圖7所示,采用Ni-Cr合金釬料制備的釬焊金剛石鉆頭其平均鉆孔數(shù)量為20個,平均鉆孔時間為16.6 s,與采用Ni-Cr合金釬料制備的釬焊金剛石鉆頭相比,采用1號Ni-Cr合金復合釬料制備的釬焊金剛石鉆頭其平均鉆孔數(shù)量為32個,故其使用壽命增加了60%,其平均鉆孔時間為12.7 s,故其加工效率提高了30.7%;采用2號Ni-Cr合金復合釬料制備的釬焊金剛石鉆頭其平均鉆孔數(shù)量為18個,故其使用壽命減少10%,其平均鉆孔時間為15.5 s,故其加工效率提高7.2%。

因此,采用1號Ni-Cr合金復合釬料制備的釬焊金剛石鉆頭加工性能最好。富Ce合金的最優(yōu)添加量為5%。

2.4 釬焊金剛石鉆頭磨損形貌

金剛石工具的磨損形貌能反應其使用性能的變化規(guī)律[15]。為了深入研究添加的富Ce合金對釬焊金剛石鉆頭在鉆削過程中加工性能的影響規(guī)律,研究了上述3種釬焊金剛石鉆頭的磨損形貌。

圖8、圖9和圖10所示分別為Ni-Cr合金釬料釬焊鉆頭、1號復合釬料釬焊鉆頭和2號復合釬料釬焊鉆頭的磨損形貌。

圖8 Ni-Cr釬料釬焊金剛石鉆頭磨損形貌

圖9 1號復合釬料釬焊金剛石鉆頭磨損形貌

圖10 2號復合釬料釬焊金剛石鉆頭磨損形貌

從圖8可看出,多數(shù)金剛石磨料呈折平磨損,其主要特征表現(xiàn)為斷裂面大多為光滑的平面,并與Ni-Cr合金表面齊平。同時,在金剛石磨料與Ni-Cr合金之間結合界面附近還存在裂紋。這表明在金剛石磨料和Ni-Cr合金之間結合界面附近存在較大的殘余應力。在整個鉆削過程中,金剛石磨料承受較大沖擊力、徑向力和切向力的綜合作用,在殘余應力較大的位置容易產(chǎn)生裂紋并擴展,最終發(fā)生斷裂。此外,有極少數(shù)金剛石磨料脫落并留下凹坑,這可能是由于脫落的金剛石磨料周圍Ni-Cr合金層比較薄引起的。

從圖9可以看出,1號復合釬料釬焊金剛石鉆頭的磨損形式主要為金剛石磨料的微觀破碎和宏觀破碎,此為磨削過程中金剛石磨料正常磨損所需經(jīng)歷的兩個階段,使得金剛石磨料能正常發(fā)揮其磨削性能。比較圖8和圖9,添加的富Ce合金有利于減小金剛石磨料與Ni-Cr合金之間結合界面附近殘余應力(與圖6所示結果一致),有利于降低Ni-Cr合金釬料對金剛石磨料造成的熱損傷。

從圖10可以看出,2號復合釬料釬焊金剛石鉆頭的磨損形式主要為Ni-Cr合金出現(xiàn)裂紋或斷裂、金剛石磨料的脫落。這是因為添加較多的富Ce合金較大降低了Ni-Cr復合合金的強度,在鉆削過程中,鉆頭承受較大的沖擊力和磨削力,強度較低的Ni-Cr復合合金層在較大的沖擊和摩擦作用下容易出現(xiàn)裂紋或發(fā)生斷裂,導致其對金剛石磨料的把持作用有限,金剛石磨料容易脫落。

由此可見,1號復合釬料釬焊鉆頭的磨損形貌要優(yōu)于Ni-Cr合金釬料釬焊鉆頭和2號復合釬料釬焊鉆頭。Ni-Cr合金釬料釬焊鉆頭和2號復合釬料釬焊鉆頭上的金剛石磨料不能充分發(fā)揮其磨削性能,1號復合釬料釬焊鉆頭上的金剛石磨料能充分發(fā)揮其磨削性能,這與2.3節(jié)研究結果一致。

添加5%的富Ce合金有利于降低Ni-Cr合金釬料對金剛石磨料造成的熱損傷,提高釬焊金剛石鉆頭的加工性能;添加過多的富Ce合金反而降低釬焊金剛石鉆頭的加工性能。

3 結論

1)采用復合釬料制備的釬焊金剛石試樣其表面形貌優(yōu)于Ni-Cr合金釬料釬焊金剛石試樣;富Ce合金添加量為5%和10%的復合釬料釬焊金剛石的殘余應力分別為-1.12 GPa和-1.04 GPa,與Ni-Cr合金釬焊金剛石相比分別減少了9.7%和16.1%。

2)采用富Ce合金添加量為5%的復合釬料制備的釬焊金剛石鉆頭其使用壽命增加60%,加工效率提高30.7%,具有最優(yōu)的加工性能。

3)采用富Ce合金添加量為5%的復合釬料制備的釬焊金剛石鉆頭,其磨損形式主要為微觀破碎和宏觀破碎,具有最優(yōu)的磨損形貌。

4)富Ce合金能降低Ni-Cr合金釬料對金剛石磨料造成的熱損傷,提升釬焊金剛石鉆頭的加工性能。