新型金刚石磨边轮的性能研究

段端志,马若飞,赵海洋,王桃章,邓竹君

(1.苏州南航腾龙科技有限公司,江苏苏州 215163;2.上海航天精密机械研究所,上海 201600)

新型金刚石磨边轮的性能研究

段端志1,马若飞1,赵海洋2,王桃章2,邓竹君2

(1.苏州南航腾龙科技有限公司,江苏苏州 215163;2.上海航天精密机械研究所,上海 201600)

采用Cu-Sn-Ti合金钎料对金刚石磨粒进行真空预钎焊处理,使用预钎焊金刚石磨粒并采用新型生产工艺制作了新型金刚石磨边轮,并进行常规金刚石磨边轮和新型金刚石磨边轮的对比加工性能试验。通过扫描电镜分析了预钎焊磨粒的界面微观组织结构,通过三点抗弯强度测试分析了节块的抗弯强度。结果表明:预钎焊金刚石磨粒表面生成了碳化物,预钎焊金刚石形成了金刚石→碳化物→钎料金属的组织结构;当金刚石浓度为10%～50%时,预钎焊金刚石节块的抗弯强度均高于常规金刚石节块;新型金刚石磨边轮的加工性能明显优于常规金刚石磨边轮。

预钎焊金刚石;界面微观组织结构;抗弯强度;金刚石磨边轮

0 前言

石材作为一种高档建筑装饰材料广泛应用于室内外装饰设计、幕墙装饰和公共设施建设。随着人们对建筑装饰水平的要求越来越高,异形工艺石材的市场需求增长强劲。异形工艺石材种类繁多,其磨边产品就占了相当大的比重。磨边种类也比较多,其中半圆边是比较常见的一种。

目前,国内生产的石材半圆边加工用金刚石磨边轮锋利度不高、使用寿命也不长、加工性能不稳定,其原因是:(1)由于金刚石和金属结合剂之间界面能较高,金刚石只是机械地镶嵌在金属胎体中,胎体对金刚石磨粒的把持强度低,金刚石磨粒易过早脱落;(2)生产过程中节块内部胎体粉末的氧化导致节块胎体各个部分的机械力学性能相差较大,同时粉末氧化也会降低胎体结合剂对金刚石磨粒的把持力[1-3]。基于此,我公司采用新型工艺开发了一种性能优异的金刚石磨边轮。以半圆形金刚石磨边轮为例并进行了相关的性能研究。

1 试验材料及工艺

1.1 试验材料及设备

试验材料:Cu-Sn-Ti合金钎料(-200目)以及Cu(-200目)、Fe(-200目)、Ni(-300目)、Sn (-300目)等金属粉末,金刚石磨粒选用50/60～70/ 80目金刚石(河南黄河旋风股份有限公司)。

试验设备:真空钎焊炉、混料机、制粒机、还原炉、真空热压烧结机、刀头焊接设备、开刃设备等。

测试分析设备:DLY-92型金刚石单颗粒晶体抗压强度测量仪、用于节块三点抗弯强度测试的SANS型万能材料试验机、S-3400型扫描电镜、XD -3 A型X型射线衍射仪。

1.2 制作工艺

(1)预钎焊金刚石磨粒的制作

金刚石磨粒预钎焊工艺:首先使用丙酮溶液清洗金刚石磨粒表面的油污,然后通过胶粘剂使金刚石磨粒表面包裹一层钎料和隔离剂,接着将其放置于真空钎焊炉中进行高温钎焊处理,冷却出炉后对预钎焊金刚石磨粒进行筛分、清洗。图1所示为采用Cu-Sn -Ti合金钎料进行预钎焊处理的金刚石磨粒。

(2)新型金刚石磨边轮的制作

图1 铜基钎料预钎焊金刚石磨粒Fig.1 Pre-brazed diamond abrasive particles using Cu-Sn-Ti alloy as brazing filler metal

现有金刚石磨边轮的生产工艺流程一般为:配料→混料→热压烧结→焊接→后序处理。由于常规金刚石磨粒与一般金属或合金之间具有很高的界面能,一般难以与金属结合剂形成化学结合界面,磨粒只是机械地镶嵌在金属胎体中,胎体对金刚石磨粒的把持力低;热压烧结所使用的设备为热压烧结机,在烧结时并不使用还原气氛和保护气氛,在烧结过程中当温度为400℃左右时胎体粉末会发生剧烈的氧化反应,这阻碍了节块内部金属粉末之间的合金化,降低了粉末颗粒间界面结合强度[4],也进一步降低了胎体对金刚石磨粒的把持力,从而影响了金刚石磨边轮的加工性能。

现有解决胎体粉末氧化问题的方法有以下两种: (1)混料之前对铁粉、铜粉等单质粉末进行还原;(2)往胎体金属粉末中添加部分预合金粉。按照通常的工序流程和生产安排,从混料、冷压成型到烧结成半成品,至少需要1～2天时间,在此过程中单质金属粉末更易氧化,因此采用上述两种解决胎体粉末氧化问题的方法并不一定能取得金刚石磨边轮加工性能十分稳定的效果。

为了能有效解决磨边轮节块内部金属粉末的氧化和金属胎体对金刚石磨粒把持力低的问题,我公司开发了新型的金刚石磨边轮生产工艺,其工艺流程如图2所示。

图2 新型金刚石磨边轮生产工艺流程Fig.2 Technical process of new type of diamond grinding wheels

图3为我公司研制生产的还原炉。还原炉采用氢气作为还原气氛,还原温度在600℃左右,在还原过程中随着温度的升高会依次发生润滑剂或粘结剂的去除、金属粉末的还原和多种粉末间的预合金化等三个反应变化过程。采用这种还原工艺能大大减少胎体粉末的氧化。图4所示为还原后的胎体金属粉末。

图3 还原炉Fig.3 reduction furnace

图4 还原后的金属粉末Fig.4 metal powder after reduction

无氧真空热压烧结工艺提供了氧含量不高于0.005%、真空度不低于0.04MPa的烧结气氛,在节块热压烧结时不仅能有效防止胎体金属的氧化,还能减少胎体内低熔点金属的挥发,这样不仅能大大地提高胎体的力学性能和组织性能,还能提高胎体金属与预钎焊磨粒间界面结合强度。无氧真空热压烧结工艺成为烧结金刚石工具升级换代的新型工艺。

图5所示为采用预钎焊磨粒和新型生产工艺制备的金刚石磨边轮,磨边轮节块宽度为2cm。

图5 新型金刚石磨边轮Fig.5 new type of diamond grinding wheels

2 试验结果及分析

2.1 预钎焊金刚石界面微结构

从图1可以看出,金刚石磨粒棱角清晰,仍然保持着原始形状,磨粒表面大部分都附着一层较薄较均匀的钎料金属,钎料金属多呈“刺状”或“突起状”。文献[5-7]表明,高温预钎焊过程中铜基钎料对金刚石磨粒所造成的热损伤较小。

为了证实金刚石磨粒表面形成了碳化物,对预钎焊金刚石磨粒选择性腐蚀后进行X射线衍射结构分析,其XRD谱如图6所示。从图6可以看出,其主相是金刚石和TiC,由此可以充分肯定金刚石磨粒与Cu-Sn-Ti合金钎料之间发生了化学反应形成了化学结合界面。

图6 X射线衍射谱Fig.6 X-ray diffraction spectra

对选择性腐蚀后的预钎焊金刚石磨粒进行静抗压强度测试,接着使用丙酮清洗断裂的预钎焊磨粒,预钎焊磨粒断口生成物形貌如图7所示。从断裂金刚石的棱边看出金刚石表面生成了一层碳化物,碳化物的厚度大约为200nm。碳化物厚度由钎焊温度、保温时间和钎料决定。

图7 金刚石磨粒表面碳化物形貌Fig.7 Carbide morphology of the surface of the diamond abrasive particle

由此可见,预钎焊金刚石磨粒形成了金刚石→碳化物→钎料金属的组织结构,这种结构将大大降低金刚石与胎体之间的界面能。

2.2 节块抗弯强度测试分析

采用常规金刚石和生产工艺、预钎焊金刚石和新型生产工艺分别制备了两种长方形节块,节块的胎体配方相同,节块规格为40mm(长度)×8mm(宽度) ×3.2mm(高度)。对节块进行三点抗弯强度测试,支点跨距为25mm,试验机加载速度0.5mm/min。试验结果如图8所示。

图8 金刚石浓度对节块抗弯强度的影响Fig.8 Influence of diamond content on the bending resistance of diamond segments

从图8可以看出,当预钎焊金刚石浓度为10%时,节块的抗弯强度最大,为628 MPa;当预钎焊金刚石浓度增加到50%时,节块的抗弯强度下降到508MPa。总体而言,当预钎焊金刚石浓度为10%～50%时,预钎焊金刚石节块的抗弯强度均高于常规金刚石节块,表明节块界面结合强度要高于常规金刚石节块。金刚石与胎体之间形成化学冶金结合界面以及粉末颗粒间高的界面结合强度,是预钎焊金刚石节块抗弯强度高的主要原因。

3 加工性能试验

3.1 试验平台

采用常规金刚石和生产工艺、预钎焊金刚石和新型生产工艺分别制备了两种烧结金刚石磨边轮,磨粒浓度均为40%。加工对象为G635花岗石板材。

试验平台为SYM-10多功能石材磨抛机(如图9所示),加工时主轴转速为2880r/min,横向进给速度2m/min。分三次走刀完成一条成型半圆边加工,磨轮纵向进给量依次设定为6mm、4mm、4mm,采用切入式冷却水湿磨。

图9 SYM-10多功能石材磨抛机Fig.9 SYM-10 multifunctional stone polishing machine

3.2 试验结果及分析

本试验通过金刚石磨边轮的锋利度和使用寿命来评价金刚石磨边轮的加工性能。锋利度可通过行走电机的电流表示,电流值越小,表明锋利度越高。使用寿命可通过尺寸磨损率表示,尺寸磨损率定义为磨削单位长度花岗石板材后磨边轮节块的尺寸磨损量,尺寸磨损率越小,表明使用寿命越长。

图10和图11分别为两种不同金刚石磨边轮的锋利度与使用寿命。从图10和图11可以看出,新型金刚石磨边轮的锋利度比常规金刚石磨边轮提高32%,新型金刚石磨边轮的使用寿命要长于常规金刚石磨边轮。由于新型金刚石磨边轮采用了铜基预钎焊金刚石磨粒,金刚石与胎体之间界面结合强度高,金刚石出露高,而铜基钎料层强度适中,磨削时金刚石容易出刃,且胎体的磨损性能更好,故锋利度高;金刚石不易过早脱落,且胎体的合金化程度高,故使用寿命延长。

图10 不同金刚石磨边轮的锋利度Fig.10 Sharpness of different diamond grinding wheels

图11 不同金刚石磨边轮的使用寿命Fig.11 Service life of different diamond grinding wheels

可见,我公司采用新型生产工艺制作的金刚石磨边轮其加工性能明显优于采用常规生产工艺制作的金刚石磨边轮。新型生产工艺是提高烧结金刚石工具质量的有效途径,对提高烧结金刚石工具产业的整体技术水平具有重大意义。

4 结论

(1)预钎焊金刚石磨粒表面生成了碳化物。预钎焊金刚石形成了金刚石→碳化物→钎料金属的组织结构。

(2)当金刚石浓度为10%～50%时,预钎焊金刚石节块的抗弯强度均高于常规金刚石节块,表明预钎焊金刚石节块界面结合强度要高于常规金刚石节块。

(3)采用新型生产工艺制作的金刚石磨边轮其加工性能明显优于采用常规生产工艺制作的金刚石磨边轮。

(4)此工艺方案,实践证明可行,值得推广应用。

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[2] 孙毓超,宋月清.金刚石工具制造理论与实践[M].郑州:郑州大学出版社,2005.

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[5] 段端志,肖冰,夏斯伟,等.金刚石磨粒/Cu-Sn-Ti合金/金属胎体复合节块界面微结构.人工晶体学报,2014,43(8):1933-1937.

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Study of the Performance of New Type of Diamond Grinding Wheel

DUAN Duan-zhi1,MA Ruo-fei1,ZHAO Hai-yang2,WANG Tao-zhang2,DENG Zhu-jun2
(1.Suzhou Nanhang Tenglong Science&Technology Co.,Ltd.,Suzhou,Jiangshu,China 215163; 2.Shanghai Aerospace Precision Machinery Research institute,Shanghai,china 201600)

In this study,the diamond abrasive particles were pre-brazed in vacuum resistance furnace using Cu-Sn-Ti alloy as brazing filler metal.Then a new type of diamond grinding wheel has been fabricated through a new type of manufacturing technique using the pre-brazed diamond abrasive particles.And a contrast test of the processing performance of the conventional and the new type of diamond grinding wheel has been conducted. The interface microstructure of the pre-brazed diamond abrasive particles has been analysed by scanning electron microscope and the bending resistance has been measured through three point flexural test.The result shows that carbide has been formed on the surface of the pre-brazed diamond abrasive particles and the pre-brazed diamond forms a diamond→carbide→brazing alloy structure;when the diamond concentration is at 10%～50%,the bending resistance of pre-brazed diamond segments is better than that of the conventional diamond segments;the processing performance of the new type of diamond grinding wheel is much better than that of the conventional ones.

pre-brazed diamond;interface microstructure;bending resistance;diamond grinding wheels

TG74;TQ164

A

1673-1433(2015)01-0012-05

2015-01-29

作者简介:段端志(1988-),男,江西吉安人,南京航空航天大学机电学院博士生,主要从事新型超硬磨料工具制造及其设备开发的研究,已发表论文10余篇。E-mail:duanduanzhi1988@163.com

段端志,马若飞,赵海洋,等.新型金刚石磨边轮的性能研究[J].超硬材料工程,2015,27(1):12-16.