孔隙率对多孔金属结合剂金刚石节块性能的影响

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)

孔隙率对多孔金属结合剂金刚石节块性能的影响

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)

以碳酸氢铵为造孔剂,采用真空热压烧结法制备了多孔铜基结合剂金刚石节块。随着碳酸氢铵含量的增加,金刚石节块的孔隙率逐渐升高,抗弯强度逐渐降低,自锐性提高。用不同孔隙率的金刚石节块磨削硬质合金,观察了磨削后金刚石节块的表面状况,研究了孔隙率与磨削比的关系。结果表明:当孔隙率为20%左右时,金刚石节块的磨削比最高。

碳酸氢铵;多孔金刚石节块;孔隙率;自锐性;磨削比

1 引言

金属结合剂金刚石砂轮以其强度高、耐磨性好、形状稳定性好等优点广泛应用在硬质合金工具、工程陶瓷、玻璃、石材等硬脆难加工材料的磨削加工中[1]。为了提高金属结合剂对金刚石的把持能力,常将砂轮的致密度作为衡量砂轮性能的重要指标。由于金刚石层具有高的致密度,致使金刚石层出现气孔率低、容屑空间不足、自锐性差等问题,难以满足难加工材料高效磨削的要求[2]。另外,金属结合剂金刚石砂轮的修整修锐问题也是限制其磨削性能进一步提高的关键问题[3]。陶瓷结合剂砂轮属于多孔砂轮,但结合剂脆性大,抗冲击强度差。因此,我们的实验目的是:在金属结合剂金刚石砂轮中引入孔隙结构,制备多孔金属结合剂金刚石砂轮,以期解决其自锐性差、整形修锐困难的问题。

目前,采用高温分解或挥发物[4]、可溶性盐类物质[5]、陶瓷或玻璃空心球[6]、超临界萃取有机物造孔剂[7]等方法可以制备出具有一定孔隙率和强度的多孔金属结合剂金刚石砂轮。日本学者采用热等静压法、真空烧结法和通电烧结法等[8,9]制备铸铁基多孔砂轮,工艺复杂,成本较高,生产效率较低;国内南京航空航天大学、华侨大学等高校学者采用Ni-Cr钎料[10]、Cu-Sn-Ti钎料[11]等制备高温钎焊多孔金刚石砂轮,但钎焊温度高,对金刚石的热损伤严重。而本实验拟采用高温分解物碳酸氢铵做造孔剂,利用低成本、高效率的真空热压烧结法制备铜基多孔金刚石砂轮节块,并研究了不同孔隙率下,金刚石节块性能的变化。

2 实验内容

2.1 实验主要原材料

Cu粉、Ni粉、Fe粉、Ti粉、Sn粉和Zn粉等,粒度300目;造孔剂为碳酸氢铵,粒度80目;金刚石粒度50/60,浓度50%。

2.2 多孔金属结合剂金刚石节块的制备

实验采用RYJ2000Z型真空热压烧结机烧结制备32 mm×4.5 mm×3 mm金刚石节块,烧结温度780℃,压力3 MPa,保温时间3 min。

图1 多孔金属结合剂金刚石节块的制备工艺流程图Fig.1 The preparation process of porous metal-bonded diamond blocks

图2 烧结工艺曲线Fig.2 The curve of sintering process

2.3 性能检测

(2)在CMT4504电子多功能试验机上采用三点弯曲法测量样条抗弯强度,跨距20 mm,加载速度1 mm/min;

(3)使用HR150洛氏硬度计进行硬度测试;

(4)使用日本日立S-4800场发射扫描电镜观察节块断口形貌及孔隙微观形貌;

(5)使用MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机进行磨削实验。

3 结果与讨论

3.1 造孔剂含量对金刚石节块孔隙率和抗弯强度的影响

随着造孔剂含量(体积分数)的增加,金刚石节块的孔隙率逐渐增大,抗弯强度逐渐降低。造孔剂含量从0增加到40%,金刚石节块的孔隙率从5.6%增加到39.99%;金刚石节块的抗弯强度从401.99 MPa降低到58.7 MPa(图3)。

3.2 孔隙率对金属结合剂胎体和金刚石节块抗弯强度的影响

图3 不同造孔剂含量下金刚石节块的孔隙率和抗弯强度Fig.3 The porosity and the flexural strength of diamond blocks under different content of pore-forming agent

图4 不同孔隙率下金属结合剂胎体和金刚石节块的抗弯强度Fig.4 The flexural strength of metal bond matrix and diamond blocks under different porosity

由图4可知,在低孔隙率区,金属结合剂胎体和金刚石节块的抗弯强度随着孔隙率的增加急剧降低,当孔隙率超过40%以后,抗弯强度随孔隙率的升高变化相对平缓。通过两条曲线的对比,金属结合剂胎体的抗弯强度高于金刚石节块的抗弯强度,而随着孔隙率的升高,两者之间的差值越来越小。这是因为金属结合剂与金刚石之间主要靠机械镶嵌结合,因此结合剂对金刚石的把持力较弱,当金刚石加入之后,会降低节块的抗弯强度,即在低孔隙率区,金刚石是影响金刚石节块抗弯强度的主要因素;但当孔隙率达到一定数值之后,孔隙结构对节块抗弯强度的影响远高于对金刚石的影响,孔隙结构逐渐变为影响金刚石节块抗弯强度的主要因素。

3.3 不同孔隙率金刚石节块的断口形貌

从图5可以看出,当孔隙率为9.87%时,在金属结合剂桥的断裂面上,存在塑性断裂明显的韧窝(如图5(b)标示1处)。结合剂与金刚石之间存在明显的缝隙,说明结合剂对金刚石的把持主要靠机械镶嵌力,金刚石节块的断裂主要发生在结合剂与金刚石的接触界面;当孔隙率为26.89%时,从图5(d)可以明显看出,在金刚石节块断口上,胎体组织较疏松,结合剂胎体中存在很多孔隙,这使得结合剂对金刚石的实际结合面积减少,大大降低了结合剂对金刚石的把持力,使金刚石节块的强度急剧降低,只有131 MPa。金属结合剂胎体断面表现出了明显的脆性断裂特征,由此也可以说明孔隙率较高时,孔隙成为金刚石节块断裂的主要因素。

图5 多孔金刚石节块断口SEM图Fig.5

3.4 磨削试验

磨削试验采用不同孔隙率的金刚石节块在MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机上磨削硬质合金材料。磨削实验设定的参数如表1所示:

表1 磨削实验参数Table.1 The parameters of grinding experiments

3.4.1 孔隙率与金刚石节块损耗量、硬质合金磨除量和磨削比的关系

由图6可知,经过500 s磨削实验之后,金刚石节块损失的质量随着孔隙率的升高而逐渐增加。这是因为随着孔隙率的增加,金属结合剂桥的体积逐渐减少,对金刚石的把持力逐渐减弱,金刚石更容易脱落,当金刚石脱落之后,组织疏松的结合剂胎体耐磨性也会降低,因此孔隙率越高,金刚石节块的耐磨性越低,损耗的质量也会越多。

由图7可知,经过500 s磨削实验之后,金刚石节块磨除的硬质合金的质量随着孔隙率的升高表现出先增加后减少的趋势。在孔隙率为27%左右时,硬质合金磨除量达到最大。这是因为孔隙率较低时,金刚石磨钝之后不能及时脱落,金刚石节块的自锐性差,磨削过程容易堵塞,导致磨除的硬质合金质量较低,磨削效率也较低;随着孔隙率的升高,金刚石的出露率升高,金刚石节块的自锐性变好,磨削过程更加锋利,因此磨除掉的硬质合金质量增加,磨削效率随之增加;但当孔隙率过高时,结合剂与金刚石的结合强度大大降低,又会导致金刚石过早脱落,硬质合金的磨除量因此又会降低,磨削效率也降低。

图6 不同孔隙率金刚石节块耗损质量Fig.6 The wear mass of diamond blocks under different porosity

图7 不同孔隙率金刚石节块磨掉的硬质合金质量Fig.7 The wear mass of cemented carbide under different porosity of diamond blocks

图8 不同孔隙率金刚石节块的磨削比Fig.8 The grinding ratio of diamond blocks under different porosity

由8可知,随着孔隙率的升高,金刚石节块的磨削比表现出先增大后减小的趋势。当孔隙率在20%左右时,磨削比达到最大。这是金刚石节块磨削效率和耐磨性共同作用的结果。

3.4.2 磨削试验后不同孔隙率金刚石节块表面形貌

图9为金刚石节块磨削硬质合金后表面的形貌图。由图可以看出,没有添加造孔剂的,孔隙率为5.6%时,未出露的金刚石较多;随着孔隙率的升高,金刚石出露的越来越多,在孔隙率高于20.88%后,在金刚石节块的表面能看到较多的气孔和金刚石脱落坑,说明金刚石节块的自锐性逐渐变好,磨削更加锋利。

图9 磨削试验后金刚石节块表面形貌图(100×)Fig.9 The surface morphology of diamond blocks after grinding experiments(100×)

4 结论

孔隙结构的存在影响金刚石节块的力学性能和磨削性能,主要归纳如下:

(1)随着造孔剂含量的增加,金刚石节块的孔隙率逐渐增加,而抗弯强度逐渐降低;

(2)在低孔隙率区,金刚石是影响金刚石节块强度的主要因素,在高孔隙率区,孔隙成为影响金刚石节块强度的主要因素;

(3)随着孔隙率的增加,金刚石节块的自锐性提高,在孔隙率为20%左右时,磨削比达到最大。

[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] 张文学.超高速磨削技术在机械制造领域的应用研究[J].企业技术开发,2014,33(8):40-45.

[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] 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.

[5] 候永改,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 (199):48-51.

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

[7] 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.

[8] H.ONISHI.Fabrication of New Porous Metal-Bonded Grinding Wheels by HIP Method and Machining Electronic Ceramics [J].Journal of Porous Materials,1997,(4):187-198.

[9] 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(1999):385-391.

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

[11] 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.

EWAG金刚石刀具的“一站式”激光精密加工

LASER LINE PRECISION是EWAG推出的一款全新激光加工机床,它是现代化刀具制造激光技术方面的最佳入门级机床。

所使用的最新短脉冲激光处于532纳米的绿色波长范围,能高效加工常规金刚石切削材料,如:cBN、PCD和CVD-D。使用LASER LINE PRECISION能毫不费力地加工直径不超过200毫米且长度不超过250毫米的旋转对称刀具以及内接圆直径大于3毫米且外接圆直径不超过50毫米的可转位刀片。

独一无二的Laser Touch Machining®加工工艺受专利保护,借助它能使表面质量达到最佳,即使是具有复杂几何形状的刀具也不在话下。仅需一次装夹就能完成任意切削刃轮廓、后角以及导屑几何形状的3维加工。在LASER LINE PRECISION中,所形成的烟气和被气化的材料将通过集成在机床中的抽吸装置直接抽出并输送至相关抽吸/过滤系统。

LASER LINE PRECISION仅需近5平方米的占地面积,相比世界闻名的LASER LINE ULTRA,已成为最紧凑的超硬刀具高端激光生产中心。6轴机器人选配项将为无人值守的多班运行提供最大程度的灵活性。 (金属加工在线)

澳研究:钻石或在检测早期癌症中扮演重要角色

据澳大利亚“新快网”10月11日报道,最新研究显示,钻石可能在检测最初期阶段的癌症方面扮演至关重要的角色。

据报道,悉尼大学的物理学家已设想出一种方式,在磁共振成像(MRI)机器中点燃纳米级人造钻石,作为癌症的指路明灯。

钻石无法在MRI扫描中自燃,但经过某些操作,它们可以被检测到。论文首席作者雷哲(Ewa Rej)说:“我们在纳米金刚石里磁化了原子,令它们能在MRI扫描中燃烧。”

经处理的钻石随后会被依附到用来针对癌症的特定化学物质上,并注射到体内,在病人身体中穿行时受到追踪。如果患癌,化学物质会被吸引到相应的区域,钻石则在MRI扫描时发挥灯塔作用。

研究者希望用这个发现来揪出初期难以被检测到的癌症,例如脑癌和胰腺癌。澳大利亚癌症协会(Cancer Australia)的CEO佐巴斯(Helen Zorbas)对此表示欢迎。她说:“脑癌和胰腺癌属于最致命的癌症。”

据报道,未来几周研究者将在老鼠身上进行试验。不过,人体试验还得等上几年。用钻石可能被认为代价昂贵,但研究者声称合成粒子相对便宜。 (环球网综合报道)

Influence of Porosity on the Performances of Porous Metal-bonded Diamond Blocks

ZHAO Ya-qing,HE Fang
(College of Material Science and Engineering,Henan University of Technology)

Ammonium bicarbonate was used as the pore forming agent and the porous Cumatrix bond diamond blocks were prepared by the method of vacuum hot pressing sintering.With the increasing content of ammonium bicarbonate,the porosity of diamond blocks increased,but flexural strength decreased and self sharpness improved.The blocks with different porosity were used to grinding cemented carbide,The surface condition of diamond blocks were observed after grinding and the relationship between the porosity and grinding ratio was studied.The results showed that when the porosity was about 20 %,the grinding ratio attained the maximum.

Ammonium bicarbonate;Porous diamond block;Porosity;Self sharpness; Grinding ratio

TQ164

A

1673-1433(2015)05-0018-06

2015-07-19

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

郑州市科技攻关项目,单层金刚石钎焊研究(074SSG24110-1)

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.孔隙率对多孔金属结合剂金刚石节块性能的影响 [J].超硬材料工程,2015,27(5):18-23.