热压成型砂轮基体结构设计优化

时云鹏 牛俊凯 张 毅 闫道恒 陈晓强

（郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 郑州 450001）

0 引言

金属结合剂金刚石砂轮具有高硬度、高耐磨、耐高温、对磨料的把持力强等优点，被广泛用于磨削硬质合金、光学玻璃、陶瓷、宝石等高硬度脆性材料。传统的金属结合剂金刚石砂轮普遍采用高温烧结成型，由于金刚石的石墨化温度较低，在900℃左右即有较大的热损伤，导致磨削性能急剧下降，所以日常生产多采用热压成型烧结工艺来进行制备。热压成型烧结是一种十分有效的成型方法，其烧结温度比常压成型烧结低100～150℃。温度的降低不仅可以防止金刚石石墨化，还可以缩短烧结时间，抑制晶粒的过分长大，获得良好的力学性能。

常规热压烧结工艺多采用先烧制磨料层，后续与基体组装配合的制备流程，但该制备工艺存在着如下缺点：（1）烧结完毕的磨料层必须在400～500℃高温下及时卸模，若卸模不及时磨料层会因随着冷却收缩将会卡在模具型芯上，导致无法卸模，造成报废。（2）高温状态下砂轮环组织内部存在有不规则的内应力，卸模后内应力的释放会导致砂轮环沿径向产生一定程度的不规则变形，导致在后期与基体组装配合时会存在有较大的缝隙，影响砂轮环与基体的结合强度，变形严重者在后期使用过程中存在有砂轮环脱落的风险。所以如何实现磨料层与基体的良好配合，保证结合强度，是热压烧结工艺的难点。带基体热压工艺作为热压烧结的一种，其特点在于将含有磨料的砂轮工作层与基体同时放于模具中进行烧结，既具备热压工艺的优点，又解决了磨料层与基体的配合问题。

目前关于金属结合剂金刚石砂轮带基体热压烧结工艺方面的研究多数聚焦于配方、烧结曲线等方面的研究，缺少对磨料层与基体结合强度，磨料层厚度控制等工艺方面的相关研究。本文通过对模具设计、基体结构设计进行研究来控制磨料层的厚度，提升批量产品组织性能的稳定性；通过对基体与磨料层结合面的结构设计、基体表面处理进行研究，提高基体与磨料层间结合强度，提升砂轮的安全性能，满足了高速磨削的使用要求。

1 模具设计及基体结构设计

1.1 模具设计

模具的尺寸直接决定着烧结后磨料层的尺寸，直接影响砂轮环内部组织的致密性，对砂轮的磨削性能起着关键作用，所以合理的模具材料及模具结构是金属结合剂金刚石砂轮带基体热压成型工艺研究的基础。

石墨的熔点为38℃50℃±50℃，膨胀系数也很小，石墨强度随温度提高而加强，在高温下仍可以保持原有的尺寸精度。除此之外，石墨高温下析出一氧化碳，对金刚石与结合剂均有防氧化的作用，故选取其作为模具材料。然后在热压烧结常用的模具基础上进行改进优化得到带基体热压烧结的专用组合模具。

该组合模具由模套、上下压环、上下型芯、芯棒组组成。通过芯棒与基体的配合定位来保证基体的同心度，防止烧结后磨料层偏心；通过保证型芯与压环厚度的一致性，来保证烧结后磨料层的厚度达到设计要求。

1.2 基体结构设计

实际烧结过程中，模具内中心区域温度高达600～800℃，石墨本身不易膨胀，但钢基体受热膨胀后产生的轴向压力会阻碍上下压头向磨料层方向移动，影响磨料层厚度的有效控制。如何通过基体结构优化来减少在烧结过程中产生的阻力，是控制磨料层厚度的关键。

本研究将基体与型芯的接触面进行部分减薄处理（见图1）来减少烧结过程中基体膨胀产生的轴向阻力，到达控制厚度的目的。具体试验方案如下。

图1 基体改进前结构

图2 基体改进后结构

（1）对从国内某厂商采购的电解铜粉、锡粉金属粉料进行过筛处理，放入三维混料机进行均匀混合，加入湿润剂制粒，干燥后放入电子除湿柜中保存。

（2）对从国内某厂商采购的45钢按照改造前后进行车削，规格型号为14E1 100×8×20×4。

（3）组装好相应的模具，放在加热设备上按照对应的烧结曲线进行烧结，压强为200～500 kg/cm。

（4）烧结完毕后及时卸掉型芯，然后放在空气中自然冷却。待温度降至室温后，取出烧结半成品，打磨掉磨料层上的毛刺，使用千分尺测量磨料层上的厚度尺寸，尺寸精确到0.001 mm。

按照上述过程，分别对改进结构前后的基体进行两轮试烧，每轮分别烧制三次，取其厚度平均值，最后对基体结构改进前后的厚度值进行对比。

改进前未进行减薄处理的基体平均烧结厚度高于设计值0.10 mm，不满足设计要求；改进后进行部分减薄处理的基体则整体接近设计值，确实达到了减少烧结阻力的效果，满足设计要求。

2 基体与磨料层结合面结构设计及表面处理

2.1 基体与磨料层结合面结构设计

在实际烧结过程中，基体与磨料层的结合方式以机械啮合为主、化学结合为辅，合理的基体结构对磨料层与基体的高强度结合起着至关重要的作用。所以如何通过基体结构的合理设计来提高磨料层与基体的结合强度，是本研究的重点。

本研究通过对基体与磨料层结合面的槽型结构进行改进，来达到提高基体与磨料层结合强度的目的，保证高速磨削下砂轮使用的安全性，满足市场需求，具体方案如下：

（1）在CS6150 普通车床上分别采用相同的转速及进刀量车削加工三种槽型的基体，每种一片，结合面厚度为4 mm，基体规格号为14E1 100 mm×8 mm×20 mm×4 mm。

（2）按1.2 试验过程进行试烧，烧成后用线切割对烧成半成品砂轮进行六等分。

（3）每种槽型结构取三个试块进行径向拉伸强度测试。

按照上述过程，分别对三种槽型结构的基体样块进行径向拉伸强度测试，取其抗拉强度平均值进行对比，数据如表1 所示。

从表1 数据中可知，U 型槽结构下，磨料层与基体的机械啮合程度最强，结合强度最高，满足设计要求（常规热压烧结工艺中基体与磨料层基体结合强度在50 N/mm，故以此为设计值）。

表1 不同槽型拉伸强度测试结果

2.2 基体与磨料层结合面表面处理

薄基体（厚度2 mm 及以下）与磨料层接触面积过小，机械啮合的把持力不足，槽型结构的改进对其结合强度的提高作用有限。所以如何提高该类砂轮基体与磨料层的结合强度是研究的难点。

本研究通过对加工后的基体进行表面改性处理，增加基体与磨料层的冶金结合强度。实现薄基体、窄接触面前提下，磨料层与基体结合强度的提高，保证砂轮安全性能，满足高速磨削的使用要求。具体方案如下。

（1）加工两片U 型槽基体，结合面厚度为2 mm，基体规格型号为14E1 100 mm×8 mm×20 mm×2 mm。

（2）使用喷砂机对其中一片基体结合面进行钝化处理，另一片不做表面处理直接烧结。

（3）将钝化后的基体放置超声波清洗剂中除油后，放在电镀槽中对结合面进行镀铜处理。

（4）按照1.2 试验过程进行烧结半成品的试做，烧成后使用线切割对两片烧成半成品砂轮进行六等分。

（5）每种取三个试块进行径向拉伸强度测试。

按照上述过程，将经表面处理的基体与未经处理的基体数据进行对比，数据如表2 所示。

从表2 数据可知，经表面改性处理的基体烧结后与磨料层的结合强度较未经处理的基体高43%，效果明显，且均值大于50 N/mm，满足设计要求（常规热压烧结工艺中基体与磨料层基体结合强度在50 N/mm，故以此为设计值）。

表2 基体表面处理前后结合强度数据

3 结语

（1）基体与型芯的接触面部分的减薄处理可以减少烧结过程中基体膨胀产生的轴向阻力，实现磨料层的厚度控制，保证磨料层内部的组织性能满足设计要求。

（2）基体与砂轮结合面的槽型结构对磨料层与基体的结合强度有重要作用，其中U 型槽结构明显优于V 型槽、梯形槽。

（3）基体与砂轮结合面的钝化、镀铜处理工艺可以明显提高薄基体（2mm 以内）的磨料层与基体的结合强度。