多孔金属结合剂金刚石砂轮的研究

赵亚庆,何方

(河南工业大学,材料科学与工程学院,河南郑州450001)

多孔金属结合剂金刚石砂轮的研究

赵亚庆,何方

(河南工业大学,材料科学与工程学院,河南郑州450001)

重点介绍了多孔金属结合剂金刚石砂轮的成孔机理、制备方法,以及在孔隙存在时提高砂轮强度的措施,并对多孔金属结合剂金刚石砂轮研究方向做了展望。

金属结合剂;金刚石砂轮;孔隙;强度

1 引言

金属结合剂金刚石砂轮与树脂结合剂金刚石砂轮和陶瓷结合剂金刚石砂轮相比,具有成型密度高、组织致密、韧性好、耐磨性好等特点,多用来加工金属间化合物、高温合金、工程陶瓷、硬质合金和宝石等难加工材料[1]。但传统金属结合剂金刚石砂轮属致密型砂轮,孔隙率很低,磨削过程中,自锐性差,磨屑易堵塞黏附,导致工件烧伤,且修整修锐困难[2]。传统金属结合剂砂轮的这些缺点限制了其应用。虽然目前采用激光修整[3]等技术可以实现金属结合剂金刚石砂轮的精确修整,但是如果能制造出一种本身自锐性就很好的砂轮,则能达到事半功倍的效果。

气孔作为砂轮的三要素之一,在砂轮磨削加工过程中具有很重要的作用:气孔具有一定的容屑排屑能力,能有效预防砂轮堵塞;气孔如果为开孔,冷却液将通过开孔不断渗入到砂轮里,甚至是磨削区域,起着冷却散热的作用,能有效减少工件烧伤的机率[4];在陶瓷结合剂砂轮中,合理的气孔分布能有效抑制裂纹的扩展,增加结合剂韧性,从而提高陶瓷结合剂砂轮的抗冲击强度[5]。

为了从根本上解决金属结合剂金刚石砂轮自锐性差、金刚石磨粒出刃难、修整修锐困难等问题,日本学者T.Tanaka[6]在1992年提出将孔隙结构引入到金属结合剂金刚石砂轮的制备中,并尝试制备了以铸铁为结合剂的多孔金属结合剂金刚石砂轮。随后,在S.H.Troung等[7]人的进一步研究中使用了热等静压法、真空烧结法和通电烧结法制备多孔金属结合剂砂轮,并证实多孔金属结合剂金刚石砂轮具有磨削锋利、磨削力小、磨削温度低、砂轮易于修整修锐等特点。在国内,南京航空航天大学、华侨大学等的研究人员对多孔金属结合剂金刚石砂轮的制备及磨削性能的研究较多。

2 多孔金属结合剂金刚石砂轮的成孔机理及制备方法

粉末冶金法制备的金属结合剂金刚石砂轮中的气孔按照生成机理可分为间隙孔和生成孔。间隙孔是烧结过程中由于原子迁移、烧结颈的形成与长大、闭孔球化之后,通过延长烧结时间也无法完全消除的少量闭孔隙;生成孔是添加成孔剂后,在烧结过程中成孔剂分解、挥发、溶解而形成的孔或者是在使用过程中成孔剂溶解或破碎而形成的孔。故生成孔取决于成孔剂的类型、颗粒形状和加入量等[8]。而在多孔金属结合剂金刚石砂轮的生产中,成孔方法大多借鉴多孔陶瓷结合剂砂轮和多孔金属材料的成孔方法。目前常用的制备方法有以下几种:

2.1 高温分解或挥发物造孔

J.B.Mao等[9]用白砂糖做成孔剂制备陶瓷结合剂cBN砂轮,研究表明糖含量不仅影响孔隙率还影响孔的形状、大小和分布。糖含量从3%增加到5%,孔隙率从26.1%增加到31.9%,试样抗弯强度从51MPa降低到22MPa。糖含量在1%～3%时,生成孔小而且分布均匀;糖含量在5%～7%时,生成孔大且不均匀,产生大量孔隙通道,强度大大降低。糖含量达到9%时,节块严重变形或开裂。X.F.Lv等[10]用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)做成孔剂制备陶瓷结合剂cBN砂轮。PMMA的热分解温度在250℃到400℃之间,PMMA做成孔剂制成的孔比用活性炭做成孔剂制成的孔更均匀,孔的形状也更接近于球形。PMMA做成孔剂试样的抗弯强度和洛氏硬度均比用活性炭高。PMMA的含量从0增加到8%,试样孔隙率从36.5%增加到43.5%,抗弯强度从90 MPa减小到59.7 MPa,而加8%活性炭的试样抗弯强度仅为38.6 MPa。原因是活性炭成孔不规则产生缺陷,易造成应力集中从而导致产品的强度下降。这种方法的缺点是孔大小、形状、分布不易控制,易导致磨具膨胀、开裂。李养帅等[11]在铝青铜胎体中添加2%的Ti H2之后,铝青铜胎体的力学性能显著提高。Ti H2高温分解之后能起造孔剂的作用,同时Ti H2分解之后产生的Ti原子具有较高的活性,能与Cu形成固溶体,也能与金刚石反应生成碳化物,提高磨具强度。

2.2 可溶(熔)性盐类物质造孔

侯永改等[12]使用一种可溶性盐类做成孔剂制备陶瓷结合剂cBN磨具。这种成孔剂在磨具磨削过程中可溶解于水溶性冷却液中,而在自身占据的位置形成气孔。这种方法的缺点是砂轮吸水后容易变形,影响砂轮的质量。贾宝强[13]采用熔(溶)盐-脱盐法制备金属通孔材料,将模压成型块860℃～880℃预烧结保温2h,在950℃～1000℃保温0.5h将BaCl2熔融脱掉,在1150℃保温烧结0.5h,制备出多孔镍材料;将模压成型块在720℃～730℃预烧结保温2h,在950℃保温烧结1h后随炉冷却至室温,再在100℃蒸馏水中煮沸1h将NaCl溶解脱掉,制备出多孔铜镍合金多孔材料。这种方法过程繁琐,并且熔(溶)盐不容易完全脱去。

2.3 超临界萃取成孔剂造孔

Timothy D.Davis等[14]用超临界CO2萃取成孔剂联二苯制备多孔陶瓷砂轮。使用此方法不会损伤磨具的微观结构,避免了传统成孔剂在烧结过程中易造成磨具膨胀、开裂等缺陷。萃取温度295～338 K,压力8.8～27.6 MPa,CO2流量3.4×10-5KgS-1和7.5×10-5KgS-1。实验结果表明:萃取效果受温度和CO2流量影响较大,基本不受压力和成孔剂颗粒大小的影响。萃取制备的多孔砂轮与传统砂轮性能相似,但在高金属切除率环境下,萃取多孔砂轮表现出更好的性能,并且孔径大的砂轮比孔径小的砂轮性能好。这种方法的缺点是过程复杂,成本较高。

2.4 陶瓷空心球造孔

W.F.Ding等[15]用Al2O3空心球作成孔剂,石墨作添加剂,在真空度小于1×10-2、压力440 MPa、烧结温度880℃条件下保温30 min制备了以Cu-Sn -Ti合金为结合剂的多孔cBN砂轮。使用高温分解的物质作成孔剂制得的多孔金属结合剂砂轮,孔的大小、形状、分布不易控制,而用Al2O3空心球作成孔剂便可有效克服以上问题。在磨削过程中,Al2O3空心球破碎,形成孔隙,使砂轮具有更大的容屑空间。当节块的孔隙率从8%增加到45%时,节块的抗弯强度从103 MPa减小到51 MPa。考虑到孔隙率对容屑能力和抗弯强度的影响,孔隙率的最佳范围为8～28%,Al2O3空心球的质量分数在5%～20%之间。选取难磨材料镍高温合金做磨削试验,结果发现在相同条件下,多孔金属结合剂cBN砂轮比陶瓷结合剂cBN砂轮具有更高的抗弯强度、低的磨削力和磨削能。刘明耀等[16]采用铜粉、锡粉、钴粉、镀钛金刚石为原料,以陶瓷空心球做成孔剂制备多孔金属结合剂金刚石砂轮,可避免以水溶性盐类物质做造孔剂时易吸水影响砂轮质量,以低熔点物质做造孔剂压制压力小使强度低等缺点。添加适量的陶瓷空心球的多孔砂轮在磨削YG8硬质合金时表现出很好的锋利性和自锐性。添加3.75%质量分数的陶瓷空心球砂轮的磨削效率最高,比致密砂轮提高了43%。

3 提高多孔金属结合剂金刚石砂轮强度的措施

通过以上方法可以成功制备出孔隙率高达50%以上的多孔金属结合剂金刚石砂轮,但随着孔隙率的增加,金属结合剂桥的体积会大大减少,导致金属结合剂对金刚石磨料的把持强度减弱,砂轮的强度也会大大降低。同时,金刚石与结合剂的磨损过程不同步,金刚石过早脱落,造成金刚石磨料的浪费,也使砂轮寿命大大缩短。为了提高多孔金属结合剂金刚石砂轮的强度,南京航空航天大学研究团队在将孔隙结构引入到金属结合剂砂轮的同时,借鉴高温钎焊金刚石工具技术原理,企图实现金属结合剂与金刚石之间的化学冶金结合,从而提高砂轮强度。

钎焊金刚石工具具有金刚石出露度高,容屑排屑空间大等优点,Y.Q.Yu等[17]比较了钎焊金刚石工具与热压烧结金刚石工具的区别:钎焊金刚石工具结合剂对金刚石的结合强度比热压烧结的高;钎焊金刚石工具金刚石不易脱落且具有更高的出露高度;钎焊金刚石工具的磨损主要是金刚石的磨耗磨损,提高了金刚石的利用率和磨削效率。

冯晓杰[18]以Ni-Cr合金和WC粉末为结合剂原料,以碳酸氢铵为造孔剂,先真空烧结制备多孔金刚石节块,再用高频感应以银焊片为焊剂将节块焊接到基体镶块上制备出多孔金属结合剂金刚石砂轮。通过金刚石节块断口处的微观分析可以明显看出金刚石未被结合剂完全包覆,周围存在孔隙,有利于砂轮的修整修锐,提高容屑空间。在金刚石与结合剂的结合界面处有Cr7C3生成,表明Ni-Cr合金在金刚石与结合剂界面之间形成了化学冶金结合,有效改善了在孔隙存在情况下结合剂对金刚石的把持强度。张伟峰[19]采用松装烧结法制备多孔金属结合剂金刚石节块。将金刚石磨料、Ni-Cr合金钎料、Fe粉和造孔剂(高温挥发物)混合均匀,经成型、烘干、真空烧结等工艺制得节块。采用高频感应焊接法将节块基体镶块焊接,制备多孔金属结合剂砂轮。借助SEM观察了金刚石与结合剂的结合界面的微观结构,结果表明在Ni-Cr合金钎料与金刚石界面上有多层条状碳化物生成,大大提高了金刚石与Ni-Cr合金结合面的结合强度。

除了Ni-Cr合金钎料外,还常用Cu-Sn-Ti[20]、Ag-Cu-Ti[21]等合金钎料制备多孔钎焊金刚石工具。过渡族元素Cr、Ti、V、Zr等属于强碳化物活性元素,在高温下与金刚石反应的吉布斯自由能小于零[22],因此能与金刚石发生反应,并在金刚石表面生成一层碳化物;生成的碳化物形成金刚石与金属结合剂之间的过渡层,是介于共价键金刚石和金属键结合剂之间的过渡相,能有效降低金刚石与金属结合剂之间由于热膨胀系数不一样而产生的界面应力[23];一般低熔点金属对金刚石的表面润湿性都不好,润湿角都在100°以上,在生成碳化物之后,熔融金属对金刚石的润湿,转化为对金刚石表面碳化物的润湿,使润湿性大大改善。总之,强碳化物元素的加入,相当于生成金刚石/碳化物/金属胎体复合材料,使得金属胎体与金刚石的结合强度大大提高。除了添加强碳化物形成元素之外,还可采用镀膜金刚石、添加稀土元素、采用预合金粉末、加入低熔点元素等[24]方法来提高结合剂对金刚石的把持力,添加非金属元素提高结合剂强度,如在铜基胎体中添加磷粉[25],由于磷元素扩散快,并且在714℃时,P与Cu能发生共晶反应生成Cu3P,从而大大降低烧结温度,胎体抗弯强度也在磷含量为6%时达到最大。

4 多孔金属结合剂金刚石砂轮的研究方向展望

高温钎焊金刚石砂轮与电镀金刚石砂轮相比,表现出了无可比拟的优异磨削性能。钎焊代替电镀,希望能借鉴高温钎焊使钎料在金刚石与结合剂界面上发生溶解、扩散、化合等相互作用,从而从根本上改善金刚石、结合剂与基体三者之间的结合强度。目前,高温钎焊金刚石工具多为单层的,实质上是表镶形式,这使得工具使用寿命受到极大限制。前人研究发现孔隙的大小、形状、分布的均匀性均会影响砂轮的强度,金刚石磨料的有序排布会大大提高金刚石的利用率和磨削效率。因此如何将三者联系起来,制备出孔隙大小、形状一致、分布均匀,金刚石有序排布的多层或孕镶多孔钎焊金刚石砂轮应当成为多孔金属结合剂金刚石砂轮研究的一个重要趋势。

[1] 刘树.金属结合剂金刚石砂轮的研究[J].科技视界,2012, (35):72-73.

[2] 苏宏华,徐鸿钧,傅玉灿.多孔金属结合剂金刚石砂轮研究综述[J].机械科学与技术,2003,22:11-13.

[3] H.Deng,G.Y.Chen,C.Zhou,et al.Processing parameter optimization for the laser dressing of bronze-bonded diamond wheels[J].Applied Surface Science,2014,290:475-481.

[4] 廖翠娇.金属结合剂金刚石多孔砂轮的试验研究——造孔剂添加量的优化设计[J].金刚石与磨料磨具工程,2006,(154): 21-25.

[5] Yong-gai Hou,Gui-ying Qiao,Yong Shang,et al.Effect of porosity on the grinding performance of vitrified bond diamond wheels for grinding PCD blades[J].Ceramics International, 2012,38(8):6215-6220.

[6] T.Tanaka.New development of metal bonded diamond wheel with pore by the growth of bonding bridge[J].Japan Soc.Precision Engingeering,1992,26(1):27-32.

[7] S.H.Truong,Y.Isono,T.Tanaka.Scanning electron microscopic study and mechanical property examination of a bond bridge:development of a porous metal bonded diamond wheel [J].Journal of Materials Processing Technology,1999,89-90: 385-391.

[8] 廖翠娇.多孔金属结合剂金刚石砂轮的开发研究[D].华侨大学,2006.

[9] J.B.Mao,F.L.Zhang,G.C.Liao,et al.Effect of granulated sugar as pore former on the microstructure and mechanical properties of the vitrified bond cubic boron nitride grinding wheels[J].Materials&Design,2014,60:328-333.

[10] Xingfen Lv,Zhihong Li,Yumei Zhu,et al.Effect of PMMA pore former on microstructure and mechanical properties of vitrified bond CBN grinding wheels[J].Ceramics International,2013,39(2):1893-1899.

[11] 李养帅,戴秋莲,汤银树.新型多孔金属结合剂胎体的研制[J].金刚石与磨料磨具工程,2011,31(5):79-83.

[12] 侯永改,路继红,张明岩,等.成孔剂对陶瓷结合剂cBN磨具结构与性能影响的研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2014,34 (1):48-51.

[13] 贾宝强.熔、溶脱盐造孔法制备金属通孔多孔材料研究[D].西安理工大学,2005.

[14] Timothy D.Davis,Julia DiCorleto,David Sheldon,et al.A route to highly porous grinding wheels by selective extraction of pore inducers with dense carbon dioxide[J].The Journal of Supercritical Fluids,2004,30(3):349-358.

[15] W.F.Ding,J.H.Xu,Z.Z.Chen,et al.Fabrication and performance of porous metal-bonded CBN grinding wheels using alumina bubble particles as pore-forming agents[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012,67(5-8):1309-1315.

[16] 刘明耀,熊华军,夏举学.陶瓷空心球对金属结合剂金刚石砂轮性能的影响[J].金刚石与磨料磨具工程,2012,32(188):34-38.

[17] Y.Q.Yu,X.R.Tie,G.Q.Zhang,et al.Comparison of brazed and sintered diamond tools for grinding of stone[J]. Materials Research Innovations,2014,18(S2):S2-869-S2-873.

[18] 冯晓杰.真空烧结法制备多孔金属结合剂砂轮[D].南京航空航天大学,2008.

[19] 张伟峰.多孔金属结合剂金刚石砂轮的制备及应用研究[D].南京航空航天大学,2007.

[20] 郭兆翠,陈燕,苏宏华,等.铜锡钛合金真空钎焊金刚石的界面微观结构[J].机械工程材料,2012,36(6):20-22.

[21] 卢金斌,徐九华.Ag_Cu_Ti钎料钎焊金刚石的界面微观组织分析[J].焊接学报,2007,28(8):29～32.

[22] 吴玉会.稀土元素在金刚石工具中的应用及作用机理[D].河北工业大学,2004.

[23] C.Artini,M.L.Muolo,A.Passerone.Diamond–metal interfaces in cutting tools:a review[J].JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE,2011,47(7):3252-3264.

[24] 王双喜,刘雪敬,耿彪,等.金属结合剂金刚石磨具的研究进展[J].金刚石与磨料磨具工程,2006,154(4):71-75.

[25] 邹文俊,陈倩,彭进,等.磷对铜基金刚石工具胎体性能的影响[J].金刚石与磨料磨具工程,2014,34(1):39-42.

Research on Porous Metal-bonded Diamond Grinding Wheel

ZHAO Ya-qing1,HE Fang1
(College of Material Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou,Henan 450001,China)

The pore formation mechanisms and preparation method of porous metal-bonded diamond gringding wheel and the way to improve the strength of it when the pores are present have been focused on in this article.In addition,the research orientation of the porous metal-bonded diamond gringding wheel has been predicted.

Metal bond;diamond grinding wheel;pore;strength

TQ164

A

1673-1433(2015)02-0015-04

2015-01-15

赵亚庆(1990-),男,汉族,河南省邓州市人,河南工业大学硕士研究生,研究方向:超硬材料制品。

何方(1968-),男,教授,从事纳米孔轻质材料、粉末冶金的研究。E-mail:hefangmail@aliyun.com。

赵亚庆,何方.多孔金属结合剂金刚石砂轮的研究[J].超硬材料工程,2015,27(2):15-18.