金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的研究及進(jìn)展

　

　　1 引言

 

　　由金剛石或立方氮化硼（CBN）磨料制作的超硬磨料砂輪，因其優(yōu)良的磨削性能，已廣泛用于磨削領(lǐng)域的各個(gè)方面。金剛石砂輪是磨削硬質(zhì)合金、玻璃、陶瓷、寶石等高硬脆材料的殊效工具。近幾年來(lái)，隨著高速磨削和超精密磨削技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)砂輪提出了更高的要求，陶瓷和樹(shù)脂結(jié)合劑的砂輪已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，金剛石工具粉末結(jié)合劑砂輪因其結(jié)合強(qiáng)度高、成型性好、使用壽命長(zhǎng)等明顯特性而在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。金剛石工具粉末結(jié)合劑金剛石砂輪按制造方式不同主要有有燒結(jié)和電鍍兩種類(lèi)型。為了充分發(fā)揮超硬磨料的作用，國(guó)外從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始用高溫釬焊工藝開(kāi)發(fā)一種新型砂輪，即單層高溫釬焊超硬磨料砂輪，目前國(guó)內(nèi)這種砂輪還處于研制開(kāi)發(fā)階段。

 

　　2 燒結(jié)型金剛石砂輪

 

　　燒結(jié)型金剛石工具粉末結(jié)合劑砂輪多以青銅等金屬作為結(jié)合劑，用高溫?zé)Y(jié)法制造，其結(jié)合強(qiáng)度高，成型性好，耐高溫，導(dǎo)熱性和耐磨性好，使用壽命長(zhǎng)，可承受較大的負(fù)荷。因砂輪在燒結(jié)過(guò)程中不可避免地存在著收縮及變形，所以在使用前必須對(duì)砂輪進(jìn)行整形，但砂輪修整比較困難。目前生產(chǎn)中常用的砂輪對(duì)滾整形方法不僅在修整時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且修整過(guò)程中金剛石顆粒的脫落較多，修整砂輪本身的消耗很大，整形精度較低。

 

　　近年來(lái)各國(guó)學(xué)者相繼開(kāi)展了應(yīng)用特種加工方法修整金剛石工具粉結(jié)合劑金剛石砂輪的研究工作，主要有電解修整法、電火花修整法和復(fù)合修整法等。電解修整法速度快，但整形精度不高；電火花修整法整形精度高，既可整形又可修銳，但整形速度較慢；復(fù)合修整法有電解電火花復(fù)合修整法、機(jī)械化學(xué)復(fù)合修整法等，修整效果較好，但系統(tǒng)較復(fù)雜，因此燒結(jié)型金剛石砂輪的修整題目仍然沒(méi)有得到很好的解決。此外，由于砂輪的制造工藝決定了其表面形貌是隨機(jī)的，各磨粒的幾何外形、分布及切削刃所處的高度不一致，因此磨削時(shí)只有少數(shù)較高的切削刃切到工件，限制了磨削質(zhì)量和磨削效率的進(jìn)一步進(jìn)步。

 

　　3 電鍍金剛石砂輪

 

　　電鍍金剛石砂輪的優(yōu)點(diǎn)：①電鍍工藝簡(jiǎn)單，投資少，制造方便；②無(wú)需修整，使用方便；③單層結(jié)構(gòu)決定了它可以達(dá)到很高的工作速度，目前國(guó)外已高達(dá)250～300m/s；④固然只有單層金剛石，但仍有足夠的壽命；⑤對(duì)于精度要求較高的滾輪和砂輪，電鍍是唯一的制造方法。正是由于這些上風(fēng)，電鍍砂輪在高速、超高速磨削中占據(jù)著無(wú)可爭(zhēng)議的主導(dǎo)地位。電鍍金剛石砂輪存在的缺陷：在鍍層金屬與基體及磨料的結(jié)合面上并不存在牢固的化學(xué)冶金結(jié)合，磨料實(shí)際上只是被機(jī)械包埋鑲嵌在鍍層金屬中，因而把持力小，金剛石顆粒在負(fù)荷較重的高效磨削中易脫落（或鍍層成片剝落）而導(dǎo)致整體失效；為增加把持力就必須增加鍍層厚度，其結(jié)果是磨粒裸露高度和容屑空間減小，砂輪輕易發(fā)生堵塞，散熱效果差，工件表面輕易發(fā)生燒傷。目前國(guó)內(nèi)的電鍍砂輪制造尚未實(shí)現(xiàn)按加工條件的要求而優(yōu)化設(shè)計(jì)出砂輪的*佳地貌，單層電鍍金剛石砂輪的這些固有弊端必然會(huì)大大限制它在高效磨削中的應(yīng)用。

 

　　4 單層釬焊金剛石砂輪

 

　　為了充分發(fā)揮金剛石的作用，要想法增大結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力，進(jìn)步砂輪的結(jié)合強(qiáng)度。單層高溫釬焊超硬磨料砂輪能克服電鍍砂輪的缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)金剛石、結(jié)合劑、金屬基體三者之間的化學(xué)冶金結(jié)合，具有較高的結(jié)合強(qiáng)度，僅需將結(jié)合層厚度維持在磨粒高度的20%～30%就能在大負(fù)荷高速高效磨削中牢固地把持住磨粒，使釬焊砂輪的磨粒裸露高度可達(dá)70%～80%，因而增大了容屑空間，砂輪不易堵塞，磨料的利用更加充分。在與電鍍砂輪相同的加工條件下，單層高溫釬焊超硬磨料砂輪的磨削力、功率損耗、磨削溫度更低，意味著可達(dá)到更高的工作速度，這在300～500m/s以上的超高速磨削中有著特殊的意義。

 

　　單層高溫釬焊無(wú)鍍膜金剛石砂輪

 

　　加Cr銀基釬料單層釬焊砂輪

 

　　利用高頻感應(yīng)釬焊方法，用添加有Cr的Ag-Cu合金作為釬料，在780℃的空氣中釬焊35s，自然冷卻，可實(shí)現(xiàn)金剛石與鋼基體間的牢固連接。經(jīng)X射線能譜及X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，Cr與金剛石之間形成Cr3C2，與鋼基體之間形成（FexCry）C，經(jīng)與不加Cr釬料的對(duì)比實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這是實(shí)現(xiàn)合金層與金剛石及鋼基體間都具有較高結(jié)合強(qiáng)度的主要因素，并通過(guò)磨削實(shí)驗(yàn)證實(shí)了金剛石確有較高的把持強(qiáng)度。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是釬焊溫度低，對(duì)金剛石的損傷小。缺點(diǎn)是銀基釬料的熔點(diǎn)較低，耐磨削高溫性能較差，在高效重負(fù)荷磨削中的應(yīng)用受到限制。

 

　　Ni-Cr合金單層釬焊砂輪

 

　　國(guó)外金剛石的釬焊工藝是：首先用氧乙炔焊炬在鋼基體上火焰噴涂上一層Ni-Cr合金層，這層活性金屬可作為釬料直接釬焊金剛石磨粒，然后在1080℃的氬氣中感應(yīng)釬焊30s。在火焰噴涂合金層的過(guò)程中，由于鋼基體表面易氧化，釬焊后結(jié)合劑層厚度的一致性和磨料排布的均勻性尚難于有效控制。

 

　　武志斌等將金剛石磨粒直接排布在Ni-Cr合金片或粉末上，用陶瓷塊壓住金剛石磨粒，然后在真空高頻感應(yīng)機(jī)上釬焊30s，釬焊溫度為1080℃；或者在氬氣保護(hù)輻射加熱爐內(nèi)進(jìn)行釬焊，適當(dāng)控制釬焊溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度。利用掃描電鏡X射線能譜及X射線衍射結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，在釬焊過(guò)程中，Ni-Cr合金中的Cr元素分離出來(lái)在金剛石表面形成富Cr層，并與金剛石表面的- 元素反應(yīng)天生Cr3C2和Cr7C3，合金層在與金剛石良好浸潤(rùn)的同時(shí)與鋼基體反應(yīng)天生（FexCry）C的碳化物，因此這種釬焊工藝可以確保合金層與金剛石及鋼基體之間都能獲得較高的結(jié)合強(qiáng)度。通過(guò)重負(fù)荷磨削實(shí)驗(yàn)證實(shí)了金剛石為正常磨損，沒(méi)有整顆金剛石脫落。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是：Ni-Cr合金本身的強(qiáng)度高，釬焊后可獲得比銀基合金釬焊更高的結(jié)合強(qiáng)度；Ni-Cr合金熔點(diǎn)高，耐磨削高溫性能好。但它仍有一定的局限性，因釬焊溫度高（1080℃），易造成金剛石熱損傷而降低金剛石的強(qiáng)度，采用真空條件或氬氣保護(hù)進(jìn)行釬焊可盡量減小金剛石的熱損傷和氧化。

 

　　馬楚凡等選用NiCr13P9合金為活性釬料，同時(shí)加進(jìn)少量Cr粉，在真空爐內(nèi)加壓加熱到950℃進(jìn)行釬焊，研制了牙科專(zhuān)用的單層高溫釬焊金剛石砂輪。利用掃描電鏡觀察顯示在金剛石的四周有銀白色的合金包繞，X射線衍射分析證實(shí)有Cr3C2天生，正是這個(gè)碳化物層實(shí)現(xiàn)了金剛石與鋼基體間較高的結(jié)合強(qiáng)度。磨削實(shí)驗(yàn)也證實(shí)金剛石確有高的把持強(qiáng)度，單層高溫釬焊金剛石砂輪的壽命及磨削效率較電鍍砂輪有了明顯的進(jìn)步。

 

　　單層高溫釬焊鍍膜金剛石砂輪

 

　　由于金剛石的熱穩(wěn)定性差，800℃時(shí)就會(huì)發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，所以較高的釬焊溫度勢(shì)必會(huì)造成金剛石的熱損傷而使金剛石強(qiáng)度下降；同時(shí)結(jié)合劑中的有害元素會(huì)使金剛石腐蝕和石墨化，因此可在金剛石表面先鍍上一層活性金屬及其合金后再進(jìn)行釬焊。

 

　　超硬磨料的鍍覆技術(shù)主要有化學(xué)氣相沉積、離子鍍、熱蒸鍍、真空微蒸發(fā)鍍等。化學(xué)氣相沉積Cr、真空微蒸發(fā)鍍Ti等可有效改善金剛石的表面性能。在釬焊過(guò)程中，憑借鍍層的中介作用，除了更易實(shí)現(xiàn)金剛石與結(jié)合劑間的強(qiáng)力冶金化學(xué)結(jié)合外，由于鍍層對(duì)熱空氣中氧的阻隔作用而使金剛石表面的碳原子與氧的反應(yīng)速度大大降低，同時(shí)鍍層中的強(qiáng)碳化物形成元素與金剛石表面的碳原子反應(yīng)天生碳化物，封閉了金剛石表面的懸鍵，增大了氧化反應(yīng)的阻力，從而抑制了結(jié)合劑中的Fe、Co、Ni 等元素對(duì)金剛石的腐蝕和金剛石本身的石墨化過(guò)程，使釬焊后的磨料仍能保持原來(lái)的強(qiáng)度和晶型。

 

　　釬焊時(shí)首先在鋼基體上預(yù)鍍覆一層Ni-P合金（熔點(diǎn)為880℃），然后將鍍膜金剛石排布在合金層上，在1050℃的氬氣中釬焊5min，再冷卻至室溫。磨削試驗(yàn)表明，由于鍍膜金剛石與結(jié)合劑良好的浸潤(rùn)性，有效地避免了磨粒的脫落，大大改善了砂輪的磨削性能，實(shí)現(xiàn)了砂輪壽命和加工效率的大幅度進(jìn)步。但應(yīng)指出，由于鍍膜金剛石與結(jié)合劑間存在著適應(yīng)性題目，因此只有合適的結(jié)合劑和工藝才能使鍍膜金剛石達(dá)到*佳的物理力學(xué)性能。

 

　　單層高溫釬焊砂輪存在的題目及應(yīng)對(duì)措施

 

　　國(guó)內(nèi)外對(duì)單層高溫釬焊砂輪的研究雖已取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但其制造工藝還有待于進(jìn)一步完善。目前存在題目主要表現(xiàn)為：一是采用何種釬料和釬焊工藝才能使金剛石結(jié)合界面上產(chǎn)生具有較高結(jié)合強(qiáng)度的化學(xué)冶金結(jié)合；二是結(jié)合劑層適宜的厚度與均勻性的控制；三是磨料公道有序的排布。對(duì)于進(jìn)步金剛石與釬料結(jié)合強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，其關(guān)鍵是釬焊過(guò)程中金剛石、釬料、金屬基體三者間能夠產(chǎn)生化學(xué)冶金結(jié)合，因此合金釬料中應(yīng)含有強(qiáng)碳化物形成元素，（如Ti、Cr、V等），并爭(zhēng)取在較低的溫度下進(jìn)行釬焊，盡量減小對(duì)金剛石的損傷。研制公道的釬料合金配方是開(kāi)發(fā)單層釬焊砂輪應(yīng)首先解決的題目。

 

　　在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)釬焊砂輪過(guò)程中，嚴(yán)格控制結(jié)合劑層的厚度及均勻性十分必要。釬焊前應(yīng)對(duì)金屬基體表面進(jìn)行往氧化膜處理，對(duì)金剛石和釬料應(yīng)往油往污。釬料中含有強(qiáng)碳化物形成元素并添加適量的B和Si可降低釬料熔點(diǎn)，進(jìn)步釬料的活動(dòng)性和浸潤(rùn)性；采用粉狀釬料，在真空條件（或惰性氣體保護(hù)）下進(jìn)行釬焊。釬焊前磨料的有序排布和釬料布料厚度的一致性對(duì)進(jìn)步釬焊后結(jié)合劑層厚度的均勻性亦十分重要。

 

　　砂輪工作面上磨料的公道有序排布一直是磨具行業(yè)致力追求的目標(biāo)，并有看在單層超硬磨料砂輪上實(shí)現(xiàn)。在開(kāi)發(fā)釬焊砂輪的過(guò)程中，首先按照加工條件的要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)出砂輪的*佳地貌，然后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果排布磨料就有可能使開(kāi)發(fā)出的釬焊砂輪的磨削性能達(dá)到更高水平。在模板上加工出孔徑與金剛石磨粒直徑相當(dāng)、深度為金剛石高度70%的有規(guī)律排布的孔，按孔排布好金剛石，合金釬料熔化后的厚度約為金剛石高度的30%。這種利用孔模板來(lái)實(shí)現(xiàn)的釬焊工藝不僅可以保證磨粒的有序排布（等高性好），而且還可保證金剛石有70%的出露高度。但其在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用尚需進(jìn)一步研究。

 

　　鑒戒激光快速成型技術(shù)的SLS法，激光束在計(jì)算機(jī)控制下對(duì)預(yù)先隨機(jī)排布在砂輪表面結(jié)合劑層上的磨粒按照給定的形貌要求進(jìn)行掃描，有效控制激光強(qiáng)度、脈沖周期和光斑直徑，保證一定的焊接溫度和時(shí)間，這樣被激光掃描到的磨粒就會(huì)按照形貌要求有序地釬焊到砂輪基體上，在往掉未被激光掃描到的磨粒后就得到了磨粒有序排布的單層釬焊砂輪。

 

　　鑒戒熔融堆積FDM法或三維打印3DP法，采用噴頭在計(jì)算機(jī)控制下將磨粒和粘接劑的混合物按照砂輪形貌要求噴灑在基底上，或采用靜電植砂法將磨料吸附在已涂膠的基底上，烘干后將釬料粉均勻布置于磨粒間再進(jìn)行釬焊。采用靜電植砂法，由于靜電作用使磨粒尖端朝上，因此切削性能強(qiáng)，等高性好。

 

　　固然單層高溫釬焊超硬磨料砂輪目前在制造工藝上還不完善，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者正在積極進(jìn)行研究，但其卓越的磨削性能已引起國(guó)內(nèi)外磨削界工程技術(shù)職員的高度重視，今后逐步替換傳統(tǒng)砂輪將是無(wú)法抗拒的必然趨勢(shì)。