造孔剂对陶瓷cBN磨具结构与性能的影响

吕升东，刘宏伟* ，郑师光，姜滨*

(1.沈阳中科超硬磨具磨削研究所，辽宁沈阳 110179;2.沈阳海默数控机床有限公司，辽宁 沈阳 110179)

磨具通常包括普通磨具和超硬材料磨具两大类， 超硬材料磨具是以金刚石、立方氮化硼(cBN)等超硬材料为磨料制成的磨具［1］。金刚石的硬度高于cBN，但cBN的热稳定性(1200℃)和化学稳定性比金刚石的热稳定性(900℃)和化学稳定性好，cBN不易与铁元素发生作用，并且陶瓷cBN磨具具有磨削锋利、磨削力小、生产效率高、使用寿命长、保形性好等优点［2-4］，是理想的高速、高效和高精度的磨削工具［5］，因此非常适合用来加工各种金属和合金材料。陶瓷磨具的三要素是磨料、结合剂、气孔。气孔在磨削时对陶瓷cBN磨具起容屑和排屑作用，并可容纳冷却液，有助于磨削热量的散逸。为满足某些特殊加工要求，气孔内还可以浸渍某些填充剂，如硫磺和石蜡等，以改善磨具的使用性能［6］，因此气孔对磨具结构与性能具有非常重要的影响。

陶瓷cBN磨具一般是模压成型，在成型和烧结过程中可以形成小的天然气孔，但这些气孔是随机的，数量、形状、大小与分布都是不可控的，因此需要在配料混料过程中加入适量的造孔剂，实现气孔的人为调控。典型的造孔剂为软木粉、核桃壳粉、焦炭粒和聚合物材料等，这些物质可以在低温下通过受热挥发、升华或在较高温燃烧的生胚中除去，形成气孔。陶瓷cBN磨具常用的造孔剂是萘，其可通过在约80℃的低温下升华而被去除。但萘是致癌物质，而且具有强烈的刺激性气味，这意味着生产场所的员工及附近的居民都会受到影响，身体健康会受到侵害。尽管采取了相应复杂且昂贵的保护设施，但仍然不能完全去除萘造成的污染及危害。国内外曾多次寻找萘的替代产品，然而这种尝试经常以失败而告终，因为这些替代材料常常出现各种问题，不具有造孔剂需要的特性，成型后低回弹。为了得到混料时易均匀分散，与液体润湿体系相匹配的低膨胀倾向，在配方体系中稳定，以及在焚烧时发出的热量少，焚烧后无残留［7］的聚合物作为造孔剂，本实验选取了四种聚合物，标记为A、B、C、D作为造孔剂，其中A是一种新型生物降解材料，具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中的微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水;B是一种无毒环保的材料，有质轻、价廉、易于成型等优点;C常用于制作农用、食品及工业包装用薄膜、电线电缆包覆及涂层、合成纸张等;D是一种安全无毒、用途广、效果好、用量少的理想食品添加剂。这几种聚合物在完全燃烧时只生成二氧化碳和水，无刺激性气味，不产生有害气体，在烧结后的陶瓷cBN磨具中无残留。A、B、C、D的焚烧分解温度各不相同:D＜B＜A＜C，相互之间相差至少 20℃，C 的分解温度低于750℃，A、B、C、D混合使用会增加聚合物焚烧分解的温度区间，实现聚合物在较大时间的间隔焚烧分解，缓和聚合物分解时产生气体对生胚造成损坏。因此，本实验使用聚合物A、B、C、D及以上聚合物的混合物记为ABCD作为造孔剂，研究造孔剂种类和含量对陶瓷cBN磨具结构与性能的影响规律。

1 实验

1.1 原料

实验所用原料有四类:cBN磨料、陶瓷结合剂、辅助材料和造孔剂。

(1)磨料:cBN。

(2)陶瓷结合剂:分析纯的氧化硅、氧化铝、硼酸、碳酸钙、氢氧化锂、碳酸钠、碳酸钾。

(3)辅助材料:糊精液，环氧树脂胶。(4)造孔剂:聚合物 A、B、C、D。

1.2 样品制备

将分析纯的氧化硅、氧化铝、硼酸、碳酸钙、氢氧化锂、碳酸钠、碳酸钾按照一定比例混合均匀，在1400℃高温下预熔，然后经水淬、干燥、破碎、球磨后过筛，制成具有一定粒度的低温陶瓷结合剂玻璃粉料。将该玻璃料与cBN磨料、造孔剂、糊精液混合均匀。弯曲试样压制成35mm×6mm×6mm长方体试验样条(c)，干燥后，按照设定的温度曲线进行烧成。拉伸试样压制成断裂宽度9mm的8字形样条(a)，干燥后，按照设定的温度曲线进行烧成。陶瓷cBN磨具(b)压制成 Φ305mm×Φ205mm×5mm圆环，干燥后，按照设定的温度曲线进行烧成，用环氧树脂将该圆环粘接在基体上，放入干燥箱中烘干后修整备用。

1.3 结构与性能检测

用阿基米德排水法测定试样的显气孔率。采用CMT4304型电子多功能试验机测定试验样条的三点弯曲强度。采用日立S-4800扫描电镜观察试验样条断面形貌。以机器人零件为试件，采用沈阳海默数控机床有限公司生产的双端面磨床进行磨削实验，测定磨具磨削性能，采用泰勒接触式Surtronic25型粗糙度仪观测磨削后机器人零件的表面形貌。

图1 试样及磨具简图Fig.1 Sample and abrasive tools

2 结果与讨论

2.1 造孔剂对试验样条气孔率的影响

图2为不同种类聚合物造孔剂加入不同质量分数时的气孔率。

图2 不同种类聚合物造孔剂加入不同质量分数时试样的气孔率Fig.2 Porosity of the sample when different kinds of polymer pore formers were added with different mass fractions

由图2可以看出:随着加入聚合物造孔剂质量分数的增加，试样的气孔率逐渐增大。不同种类聚合物

2.2 造孔剂对试验样条力学性能的影响

图3为不同种类聚合物造孔剂加入不同质量分数时试样的拉伸强度。

图3 不同种类聚合物造孔剂加入不同质量分数时试样的拉伸强度Fig.3 Tensile strength of the sample when different kinds of polymer pore formers were added with different mass fractions

由图3可以看出:随着加入聚合物造孔剂质量分数的增加，试样的拉伸强度逐渐减小。不同种类聚合物造孔剂在加入相同质量分数时，试验样条拉伸强度不同，在加入相同质量聚合物造孔剂时试验样条拉伸强度C＞ABCD＞A＞D＞B。C对试样拉伸强度的降低最小，当C的质量分数从0%增加到8%时，试样拉伸强度由 22.5MPa 下降到 20.5MPa，下降 2MPa。ABCD对试样的拉伸强度降低幅度略大于聚合物C，当ABCD的质量分数从0%增加到8%时，试样的拉伸强度由 22.5MPa 下降到 20MPa，下降 2.5MPa。聚合物 A对试样的拉伸强度影响较为明显，当A的质量分数从0%增加到8%时，试样的拉伸强度由22.5MPa下降到19MPa，下降3.5MPa。聚合物D对试样拉伸强度降低明显，当D的质量分数从0%增加到8%时，试样的拉伸强度由22.5MPa下降到 16.25MPa，下降 6.25MPa。聚合物B对试样拉伸强度的降低最为明显，当B的质量分数从0%增加到8%时，试样的拉伸强度由 22.5MPa 下降到 15.5MPa，下降 7MPa。总体来看试样在加入相同质量造孔剂时，C对试样伸强度降低最小，ABCD混合物对试样拉伸强度降低与C相差不大，A、B、D对试样拉伸强度降低较为明显。

2.3 试验样条断面形貌分析

图4为不同种类聚合物在加入质量分数为6%时试样的断面形貌，图4中颜色较暗的黑色部分为气孔。

图4 不同聚合物在加入6%质量分数时试验样条的断面形貌Fig.4 Sectional morphology of test strips when different polymers were added at 6%by mass

从图4中可以看出，聚合物D的造孔效果最为显著，但气孔孔径分布分散，有个别较大气孔存在，聚合物ABCD造孔效果较为显著，气孔孔径分布均匀，气孔位置分布均匀，聚合物C的造孔效果最差，有个别较小气孔存在，聚合物B造孔效果较差，但气孔位置分布比较均匀，聚合物A造孔效果也较差，气孔分布不均匀且有个别小气孔存在，聚合物C造孔效果也较差，气孔孔径分布不均，有较多小气孔存在。因此，聚合物ABCD的造孔效果最佳。

2.4 磨削实验结果分析

试验所用机床为沈阳海默数控机床有限公司生产的双端面磨床;以机器人零件为加工对象，磨削方式采用顺磨。冷却液采用5%水基乳化液，磨削工艺参数选取磨具转速为1200r/min，工件进给速度为3mm/min，切深采用 0.2mm。

图5 机器人零件及海默数控机床双端面磨床Fig.5 Robot parts and the Haimo CNC machine tool double end grinding machine

表1是不同聚合物在加入6%质量分数时磨具加工检测参数，由表1可知，磨具A的平行度较差，为0.004μm，平面度较差，为0.003μm，磨削节拍较慢，为每件15秒，修整周期较长，为1250件，工件表面粗糙度较大，Ra为0.1760μm。磨具B的平行度较差，为0.005μm，平面度较差，为0.004μm，磨削节拍较慢，为每件14秒，修整周期较短，为800件，工件表面粗糙度Ra较大，为0.1846μm。磨具C的平行度较好，为0.003μm，平面度较差，为0.002μm，磨削节拍较慢，为每件17秒，修整周期较长，为1400件，工件表面粗糙度Ra较小，为0.1611μm。磨具D的平行度较差，为0.004μm，平面度较差，为 0.003μm，磨削节拍最快为每件11秒，修整周期较短，为980件，工件表面粗糙度Ra较大，为0.1774μm。磨具 ABCD的平行度较好，为 0.002μm，平面度较好，为0.001μm，磨削节拍较块，为每件12秒，修整周期较长，为1500件，工件表面粗糙度Ra较小，为0.1584μm。

表1 不同聚合物在加入6%质量分数时磨具加工检测参数Table 1 Abrasive tool processing parameters of different polymers when adding 6%mass fraction

图6为不同聚合物在加入6%质量分数时磨具磨削机器人零件表面效果。

图6 不同聚合物在加入6%质量分数时磨具磨削机器人零件表面效果(×50)Fig.6 Surface effect of grinding grinding robot parts with adding 6%mass fraction for different polymers(×50)

由图6可以看出磨具A磨削后的机器人零件粗糙度较大，表面没有刀花，磨具B磨削后的机器人零件粗糙度较大，表面刀花较多，磨削纹路杂乱，磨具C磨削后的机器人零件粗糙度较小，表面刀花较少，磨具D磨削后的机器人零件粗糙度较大，表面有轻微刀花，磨具ABCD磨削后的机器人零件粗糙度较小，表面刀花较少。

3 结论

(1)聚合物D的造孔效果最为显著，但试样拉伸强度降低较明显;聚合物C对试样的拉伸强度降低最小，但造孔效果不明显;聚合物B对试样拉伸强度度降低最大，造孔效果不明显;聚合物A对试样拉伸强度降低较小，造孔效果不明显;聚合物ABCD的混合物对试样拉伸强度降低较小，造孔效果显著，是理想的造孔剂。

(2)聚合物D试样气孔较大，气孔孔径及分布不均;聚合物A、C试样气孔较小，气孔位置不均，存在个别小气孔;聚合物B试样气孔较小，孔径分布均匀;聚合物ABCD试样气孔较大，气孔孔径均匀，气孔分布均匀。

(3)磨具A磨削后的工件平行度较差，平面度较差，磨削节拍较慢，修整周期较长，工件表面粗糙度较大。磨具B磨削后的工件平行度较差，平面度较差，磨削节拍较慢，修整周期较短，工件表面粗糙度较大。磨具C磨削后的工件平行度较好，平面度较差，磨削节拍较慢，修整周期较长，工件表面粗糙度较小。磨具D磨削后的工件平行度较差，平面度也较差，磨削节拍最快，修整周期较短，工件表面粗糙度较大。磨具ABCD的平行度较好，平面度也较好，磨削节拍较快，修整周期较长，工件表面粗糙度较小。