国内外常用陶瓷cBN磨料的性能对比(上)①

刘晓玲,庞子瑞,鲁涛,王宛山

(1.黄河水利职业技术学院河南开封475001;2.郑州磨料磨具磨削研究所河南郑州450013;3.东北大学辽宁沈阳110004)

国内外常用陶瓷cBN磨料的性能对比(上)①

刘晓玲1,庞子瑞1,鲁涛2,王宛山3

(1.黄河水利职业技术学院河南开封475001;2.郑州磨料磨具磨削研究所河南郑州450013;3.东北大学辽宁沈阳110004)

文章根据cBN磨料在陶瓷砂轮中的作用,凭借单颗粒抗压强度仪、扫描电镜、差热分析仪等先进精密仪器对国内外有代表性的8种磨料进行了常温性能、微观形貌、高温性能和耐腐蚀性能分析。实验表明,国产部分单晶cBN磨料的常温和高温性能已达到相当高的水平,甚至超过了国外产品的性能;同时,由于cBN磨料高温性能的提高,在陶瓷cBN砂轮制作过程中可以适当提高烧成温度以增加砂轮贴块的强度。

陶瓷砂轮;超硬磨具;cBN磨料;性能

0 引言

高速陶瓷cBN砂轮从它的原材料生产过程、制造过程、使用过程等来看,对资源和能源的消耗都是极低的,非常适合我国现阶段及长远发展。但不是每一品种cBN磨料都可以应用于陶瓷结合剂高速砂轮的制造,对于陶瓷cBN高速砂轮用的磨料一般要满足以下要求:

(1)高温稳定性好;

(2)磨粒强度高且对温度不明显;

(3)具有一定的破碎性,磨粒锋利;

(4)能和陶瓷结合剂形成高强度的结合桥。

国内外比较适合陶瓷结合剂砂轮的cBN磨料见表1[1,2]:

表1 适合陶瓷结合剂的cBN磨料Table 1 CBN abrasive sui Table for vitrified bond

从上表可以看出,适合陶瓷结合剂的cBN磨料的牌号很多,国外的cBN磨料开发得较早,品种齐全,质量较高。其中以美国GE公司和英国的DeBeers公司的产品最具有代表性。GE公司的cBNⅠ、cBN 400、cBN 500、cBN 510、cBN 550、TYPE I都是很有代表性的磨料。据GE公司介绍[3],cBNⅠ型在陶瓷结合剂中应用最为广泛,其颗粒形状成不规则块状,具有良好的修整性,砂轮寿命长;cBN 400型具有高强度、光滑晶面和锋利较耐磨的切削刃,其在较长的高强度断裂面上的可微控解理,有助于磨料在很长时间内保持锋利切削刃。因此,该磨料广泛应用在航空、轴承和工、模具等行业;cBN 500是高强度的单晶牌号,广泛应用于重负荷磨削;cBN 510型是表面镀钛的强韧性块状磨料,适用于控制磨粒与结合剂之间的化学反应;cBN 550是GE公司的专利产品——微晶磨料,Yokogaw a M.等人[4]在研究单晶cBN磨料(cBNⅠ)和微晶cBN磨料(cBN 550)时发现,微晶cBN 550的强度比单晶的高,切削刃不宜大而使面积破坏。微晶cBN砂轮的磨削性能比单晶的好2～3倍,在最佳磨削条件下微晶砂轮的初始切向力与稳态切向力之间没有差别,这对磨削中精确的尺寸控制是非常有益的。TYPE I是GE最新产品,号称万能磨料。De Beers公司的ABN 200、ABN 615、ABN 800是其的主要拳头产品。ABN 615是一种专为陶瓷结合剂磨具开发的镀钛磨粒,热稳定性很高,可以做成272%的高浓度,开辟了cBN磨削铁族材料的新途径。BaileyM.W.等人[5]在介绍ABN 800等磨料的性质时指出,该磨料具有高的抗压强度和热稳定性,磨削时的解理很容易,破碎后保持尖锐多角状切削刃,因而具有极佳的磨削性能,而且其强度在经受1100℃高温仍能良好保持,热稳定极高。在磨削条件苛刻度增加的情况下,它仍具有优秀的磨削性能。

但是,这些国外磨料价格昂贵,市面也很难买到。而现在国产cBN磨料品种有了长足的发展,价格仅是国外进口磨料的近十分之一,且近几年国产cBN磨料质量提升很快,为了考察国产磨料和国外磨料的质量差别,我们重点选取了有代表性的几家公司的cBN磨料进行了较系统的研究。

1 实验检测设备

(1)单颗粒抗压强度测定仪;

(2)CYCJ-91A型冲击韧性测定仪;

(3)QUAN TA 600型扫描电子显微镜,美国FE I公司产品,分辨率3.5nm;

(4)荷兰伯纳克公司的X Pert Pro X射线衍射仪;

(5)德国N ET ISCH公司的STA 409-CD热分析仪;

(6)KSY-36D-18可控硅电阻炉;

(7)氢氟酸液;

(8)实验用量杯、匙子、蒸馏水等;

(9)真空干燥箱。

2 cBN磨料常温性能及微观实验分析

我们分别对8种有代表性的cBN磨料进行了单颗粒抗压强度和冲击韧性测试。单颗粒抗压强度是按照JB/T 7988.1-1999的规定在单颗粒抗压强度仪上求出的100颗粒的100个载荷的算术平均值得出的。冲击韧性是参照国外标准在2000次/分钟的冲击频率下,冲击2000次、筛分,计算筛上物质量与原始质量之比获得的[6]。表2为8种cBN磨料常温下测得的性能值。

从表2可以看出,我国cBN磨料的常温性能,除了5#磨料较差外,其他磨料的冲击韧性都不比国外的差,有的甚至超过了国外品牌的性能。在静压强度方面,8#磨料(ABN 800)很高,虽然国产4#磨料的静压强度没有ABN 800大,但是该磨料的粒度比ABN 800小,所以抗静压破碎的力较低,但是,8#磨料的粒度相比1#、2#磨料粗两个粒度号,其静压强度达到50.6,还是很有优势的。冲击韧性方面,国产磨料除5#外都优于国外的磨料,即对于磨料的冲击韧性,国产优于国外的;而冲击韧性是衡量磨料性能最重要的一个指标。所以,从检测数据来说,国产磨料的常温综合性能并不比国外的差。国产磨料制作的陶瓷cBN砂轮在磨削性能和寿命方面竞争不过国外产品的原因,笔者认为“结合剂和砂轮工艺的优化选择应是主要因素”。

表2 cBN磨料的常温性能Table 2 Perform ance of cBN ab rasive at room tem peratu re

2.1 cBN磨料常温微观分析

cBN磨料在合成、粉碎、分拣的过程中,由于工艺和手段的不同,各品种cBN磨料有着不同的微观形貌。其形貌不仅表示其组成晶体的特征状态,而且,与磨料的粉碎方法、分拣方法和设备有关。而且,cBN磨料的微观形貌不但对磨料的性能有重要影响,还对磨料与结合剂的结合强度有重要的影响。其参数主要有:颗粒规整度、颗粒棱角性、表面光滑性等。图1是利用美国FE I公司的QUAN TA 600型扫描电镜对8种磨料扫描的电子照片。

图1 常温下的cBN磨料的微观形貌Fig.1 The micro-topography of cBN abrasives at normal temperature

从图1可以看出,3#、4#、8#料的表面比较光滑,磨料的棱角性较好,形状较规整。所以,这三种料的抗压强度都较高,冲击韧性除8#料外均很高。这充分说明表面光滑、规整的磨料机械性能好。8#料的冲击韧性相对低的原因可能是磨料中有个别磨料的形貌不好引起的;也可能是国外合成技术的要求,因为,冲击韧性低的磨料其破碎性、自锐性好。而1#、2#、6#、7#料的颗粒规整度都很好,但是,磨料棱角性和表面光滑性较3#、4#、8#料差,所以,这四种料的机械性能也比3#、4#、8#料差。5#磨料的颗粒规整度、棱角性、光滑性等微观形貌最差,所以,5#料的机械性能也最差。同时也可以看出,国外磨料的整体冲击韧性都不高,但是,国外磨料制成砂轮的磨削性能又都优于国产磨料。我们想,除了砂轮生产工艺问题外,对于磨料性能的评价标准应该值得再商榷。比如,目前国内对cBN磨料性能检测,因冲击韧性尤其热冲击韧性更接近磨料实际的工作环境,所以,不太考究磨料静压强度的检测,而注重冲击韧性的检测。但是,表2检测的数据表明,经实践证明有着良好磨削性能的磨料ABN 800、ABN 200、TYPE1的冲击韧性并不高,这充分说明了单纯用冲击韧性高低来评价cBN磨料性能的高低是不太合适的。而且,因磨削的典型特征是法向磨削力远大于切向磨削力,所以,笔者认为:“cBN磨料单颗粒静压强度指标的检测还是很重要的。”

2.2 cBN磨料的能谱分析

为了进一步考察cBN磨料抗压强度、冲击韧性等机械性能的差异原因,我们利用扫描电镜携带的能谱仪对八种cBN磨料进行了能谱分析。分析的结果见图2。

图2 常温下的cBN磨料的能谱分析Fig.2 EDAX of CBN abrisives at room temperature

从图中可以看出,国产cBN磨料中的2#、3#、4#磨料的纯度高,1#、5#磨料纯度稍差,杂质较高,尤其是5#磨料,杂质中镁的含量很高。所以,5#磨料的静压强度和冲击韧性低的原因也得到磨料纯度的印证。而TYPE I、ABN 200、ABN 800三种国外磨料的纯度都非常高。通过对比可以得出纯度高的cBN磨料性能更优越。此外,三种国外磨料的纯度高,但其冲击韧性、抗压强度不高的原因可能与其合成技术有关,希望磨料生产企业能引起注意。

2.3 cBN磨料的X射线衍射分析

为了验证上面能谱分析的结果,我们利用荷兰伯纳克公司的X Pert Pro X射线衍射仪对八种cBN磨料又进行了衍射分析,分析的结果见图3。

图3 常温下的cBN磨料的XRD分析Fig.3 XRD curves of cBN abrisives at room temperature

从图中可以看出,虽然每种cBN磨料的主相都是立方氮化硼,但是,主相的强度不同。同样可以看出TYPE I、ABN 800两种磨料的强度最高,ABN 200磨料的主相强度和2#、3#、4#磨料的强度相差不大,这说明部分国产磨料的合成纯度能达到或超过某些国外牌号磨料的水平。同时,也可以看出,5#cBN磨料中有M gO相,这说明该磨料合成得不够完全,因为M g是cBN合成时常用的触媒。所以,从磨料的衍射曲线上也解释了5#cBN磨料常温性能较差的原因。

3 cBN磨料高温性能及微观实验分析

3.1 差热分析

cBN磨料的抗高温氧化性是磨料的重要性能之一。正像前面分析磨削热所描述的那样,磨料高速磨削工件时的瞬时温度很高,能达到钢铁的融化温度。所以,这就对磨料的抗高温氧化性能有很高的要求。另外,陶瓷cBN砂轮烧结过程中也对磨料的高温氧化性能有很高的要求,所以,磨料的抗氧化性也是超高速cBN砂轮制造中重点参考的指标之一。为了考察八种磨料抗高温氧化性能,我们把各组磨料逐次放入进口氧化铝坩埚内,在真空条件下,以5℃/min的速率加热,并利用N ET ISCH公司的STA 409-CD热分析仪进行了抗氧化差热分析,分析结果见图4。

从图4可以看出1#磨料开始氧化的温度是1000℃,2#磨料开始氧化的温度是1150℃,3#磨料开始氧化的温度是1220℃,4#磨料开始氧化的温度是1300℃,5#磨料的氧化温度为790℃,6#磨料的氧化温度为1020℃,7#磨料的氧化温度为1200℃,8#磨料的开始氧化温度为1220℃。对比可知国产4#cBN磨料的抗氧化性最好,3#磨料与ABN 800的抗氧化性能相当,国产磨料中除5#磨料外都能耐1000℃以上的高温。

图4 八种cBN磨料差热分析的氧化温度Fig.4 The DTA oxidation temperature of eight type cBN abrasives

(下期续完)

[1] 宋贵亮.超高速磨削技术及机理的若干基础研究[D].沈阳:东北大学,1997,1-10.

[2] 庞子瑞,李健壮,蔡光起.基于超高速磨削的砂轮特性选择[J].机械制造,2007:(2).

[3] 李志宏.陶瓷结合剂cBN磨具的研究[D].天津:天津大学,1996.

[4] Yokogaw aM.,Yokogaw a K.grinding properties of monocrystalline and microcrystalline cBN grinding wheels[J].In t.J.Japan Soc.Prec.Eng.,1992,26(1)20-26.

[5] Bailey M.W.,Juchem H.O.Characterization of ABN 800[J].Industrial diamond Review,1996,56(568):6-9.

[6] 中国标准出版社,全国磨料磨具标准化技术委员会.磨料磨具标准汇编[M].北京:中国标准出版社,2007,10.

Study on abrasive performance of vitrified cBN grinding wheel

LIU Xiao-ling1,PANG Zi-rui1,LU Tao2,WANGW an-shan3
(1.Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng,Henan 475001;2.Zhengzhou Research Institute for Abrasives&grinding,Zhengzhou,Henan 450013;3.School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastern University,Shenyang,Liaoning 110004)

In th is paper,considering the effect of cBN abrasive in vitrified grinding wheel,eight kinds of cBN abrasives were analyzed for its room performance,microcosmic crystal photographs,high temperature performance,cautery-resistant performance by some advanced apparatuses such as single grain pressure-resistan TiN tensity apparatus,SEM,DTA and so on.The test results indicated that performance of some domestic single crystal cBN has reached and even exceeded overseas product.Simultaneity,experiment data indicated tha TiN creasing suitably sintering temperature could enhance in tensity of grinding wheel because of high temperature performance of domestic cBN single crystal.

vitrified grinding wheel;superhard grinding tool;cBN abrasives;performance

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0052-05

2010-08-17

刘晓玲(1974-),工学硕士,黄河水利职业技术学院机电系讲师,研究方向:高速、高效cBN砂轮磨削和压电传感器等方面的研究。

国家自然科学基金项目(50975043)