新型金剛石磨邊輪的性能研究

段端志,馬若飛,趙海洋,王桃章,鄧竹君

(1.蘇州南航騰龍科技有限公司,江蘇蘇州 215163;2.上海航天精密機械研究所,上海 201600)

新型金剛石磨邊輪的性能研究

段端志1,馬若飛1,趙海洋2,王桃章2,鄧竹君2

(1.蘇州南航騰龍科技有限公司,江蘇蘇州 215163;2.上海航天精密機械研究所,上海 201600)

采用Cu-Sn-Ti合金釬料對金剛石磨粒進行真空預釬焊處理,使用預釬焊金剛石磨粒并采用新型生產工藝制作了新型金剛石磨邊輪,并進行常規金剛石磨邊輪和新型金剛石磨邊輪的對比加工性能試驗。通過掃描電鏡分析了預釬焊磨粒的界面微觀組織結構,通過三點抗彎強度測試分析了節塊的抗彎強度。結果表明:預釬焊金剛石磨粒表面生成了碳化物,預釬焊金剛石形成了金剛石→碳化物→釬料金屬的組織結構;當金剛石濃度為10%～50%時,預釬焊金剛石節塊的抗彎強度均高于常規金剛石節塊;新型金剛石磨邊輪的加工性能明顯優于常規金剛石磨邊輪。

預釬焊金剛石;界面微觀組織結構;抗彎強度;金剛石磨邊輪

0 前言

石材作為一種高檔建筑裝飾材料廣泛應用于室內外裝飾設計、幕墻裝飾和公共設施建設。隨著人們對建筑裝飾水平的要求越來越高,異形工藝石材的市場需求增長強勁。異形工藝石材種類繁多,其磨邊產品就占了相當大的比重。磨邊種類也比較多,其中半圓邊是比較常見的一種。

目前,國內生產的石材半圓邊加工用金剛石磨邊輪鋒利度不高、使用壽命也不長、加工性能不穩定,其原因是:(1)由于金剛石和金屬結合劑之間界面能較高,金剛石只是機械地鑲嵌在金屬胎體中,胎體對金剛石磨粒的把持強度低,金剛石磨粒易過早脫落;(2)生產過程中節塊內部胎體粉末的氧化導致節塊胎體各個部分的機械力學性能相差較大,同時粉末氧化也會降低胎體結合劑對金剛石磨粒的把持力[1-3]?；诖?我公司采用新型工藝開發了一種性能優異的金剛石磨邊輪。以半圓形金剛石磨邊輪為例并進行了相關的性能研究。

1 試驗材料及工藝

1.1 試驗材料及設備

試驗材料:Cu-Sn-Ti合金釬料(-200目)以及Cu(-200目)、Fe(-200目)、Ni(-300目)、Sn (-300目)等金屬粉末,金剛石磨粒選用50/60～70/ 80目金剛石(河南黃河旋風股份有限公司)。

試驗設備:真空釬焊爐、混料機、制粒機、還原爐、真空熱壓燒結機、刀頭焊接設備、開刃設備等。

測試分析設備:DLY-92型金剛石單顆粒晶體抗壓強度測量儀、用于節塊三點抗彎強度測試的SANS型萬能材料試驗機、S-3400型掃描電鏡、XD -3 A型X型射線衍射儀。

1.2 制作工藝

(1)預釬焊金剛石磨粒的制作

金剛石磨粒預釬焊工藝:首先使用丙酮溶液清洗金剛石磨粒表面的油污,然后通過膠粘劑使金剛石磨粒表面包裹一層釬料和隔離劑,接著將其放置于真空釬焊爐中進行高溫釬焊處理,冷卻出爐后對預釬焊金剛石磨粒進行篩分、清洗。圖1所示為采用Cu-Sn -Ti合金釬料進行預釬焊處理的金剛石磨粒。

(2)新型金剛石磨邊輪的制作

圖1 銅基釬料預釬焊金剛石磨粒Fig.1 Pre-brazed diamond abrasive particles using Cu-Sn-Ti alloy as brazing filler metal

現有金剛石磨邊輪的生產工藝流程一般為:配料→混料→熱壓燒結→焊接→后序處理。由于常規金剛石磨粒與一般金屬或合金之間具有很高的界面能,一般難以與金屬結合劑形成化學結合界面,磨粒只是機械地鑲嵌在金屬胎體中,胎體對金剛石磨粒的把持力低;熱壓燒結所使用的設備為熱壓燒結機,在燒結時并不使用還原氣氛和保護氣氛,在燒結過程中當溫度為400℃左右時胎體粉末會發生劇烈的氧化反應,這阻礙了節塊內部金屬粉末之間的合金化,降低了粉末顆粒間界面結合強度[4],也進一步降低了胎體對金剛石磨粒的把持力,從而影響了金剛石磨邊輪的加工性能。

現有解決胎體粉末氧化問題的方法有以下兩種: (1)混料之前對鐵粉、銅粉等單質粉末進行還原;(2)往胎體金屬粉末中添加部分預合金粉。按照通常的工序流程和生產安排,從混料、冷壓成型到燒結成半成品,至少需要1～2天時間,在此過程中單質金屬粉末更易氧化,因此采用上述兩種解決胎體粉末氧化問題的方法并不一定能取得金剛石磨邊輪加工性能十分穩定的效果。

為了能有效解決磨邊輪節塊內部金屬粉末的氧化和金屬胎體對金剛石磨粒把持力低的問題,我公司開發了新型的金剛石磨邊輪生產工藝,其工藝流程如圖2所示。

圖2 新型金剛石磨邊輪生產工藝流程Fig.2 Technical process of new type of diamond grinding wheels

圖3為我公司研制生產的還原爐。還原爐采用氫氣作為還原氣氛,還原溫度在600℃左右,在還原過程中隨著溫度的升高會依次發生潤滑劑或粘結劑的去除、金屬粉末的還原和多種粉末間的預合金化等三個反應變化過程。采用這種還原工藝能大大減少胎體粉末的氧化。圖4所示為還原后的胎體金屬粉末。

圖3 還原爐Fig.3 reduction furnace

圖4 還原后的金屬粉末Fig.4 metal powder after reduction

無氧真空熱壓燒結工藝提供了氧含量不高于0.005%、真空度不低于0.04MPa的燒結氣氛,在節塊熱壓燒結時不僅能有效防止胎體金屬的氧化,還能減少胎體內低熔點金屬的揮發,這樣不僅能大大地提高胎體的力學性能和組織性能,還能提高胎體金屬與預釬焊磨粒間界面結合強度。無氧真空熱壓燒結工藝成為燒結金剛石工具升級換代的新型工藝。

圖5所示為采用預釬焊磨粒和新型生產工藝制備的金剛石磨邊輪,磨邊輪節塊寬度為2cm。

圖5 新型金剛石磨邊輪Fig.5 new type of diamond grinding wheels

2 試驗結果及分析

2.1 預釬焊金剛石界面微結構

從圖1可以看出,金剛石磨粒棱角清晰,仍然保持著原始形狀,磨粒表面大部分都附著一層較薄較均勻的釬料金屬,釬料金屬多呈“刺狀”或“突起狀”。文獻[5-7]表明,高溫預釬焊過程中銅基釬料對金剛石磨粒所造成的熱損傷較小。

為了證實金剛石磨粒表面形成了碳化物,對預釬焊金剛石磨粒選擇性腐蝕后進行X射線衍射結構分析,其XRD譜如圖6所示。從圖6可以看出,其主相是金剛石和TiC,由此可以充分肯定金剛石磨粒與Cu-Sn-Ti合金釬料之間發生了化學反應形成了化學結合界面。

圖6 X射線衍射譜Fig.6 X-ray diffraction spectra

對選擇性腐蝕后的預釬焊金剛石磨粒進行靜抗壓強度測試,接著使用丙酮清洗斷裂的預釬焊磨粒,預釬焊磨粒斷口生成物形貌如圖7所示。從斷裂金剛石的棱邊看出金剛石表面生成了一層碳化物,碳化物的厚度大約為200nm。碳化物厚度由釬焊溫度、保溫時間和釬料決定。

圖7 金剛石磨粒表面碳化物形貌Fig.7 Carbide morphology of the surface of the diamond abrasive particle

由此可見,預釬焊金剛石磨粒形成了金剛石→碳化物→釬料金屬的組織結構,這種結構將大大降低金剛石與胎體之間的界面能。

2.2 節塊抗彎強度測試分析

采用常規金剛石和生產工藝、預釬焊金剛石和新型生產工藝分別制備了兩種長方形節塊,節塊的胎體配方相同,節塊規格為40mm(長度)×8mm(寬度) ×3.2mm(高度)。對節塊進行三點抗彎強度測試,支點跨距為25mm,試驗機加載速度0.5mm/min。試驗結果如圖8所示。

圖8 金剛石濃度對節塊抗彎強度的影響Fig.8 Influence of diamond content on the bending resistance of diamond segments

從圖8可以看出,當預釬焊金剛石濃度為10%時,節塊的抗彎強度最大,為628 MPa;當預釬焊金剛石濃度增加到50%時,節塊的抗彎強度下降到508MPa?？傮w而言,當預釬焊金剛石濃度為10%～50%時,預釬焊金剛石節塊的抗彎強度均高于常規金剛石節塊,表明節塊界面結合強度要高于常規金剛石節塊。金剛石與胎體之間形成化學冶金結合界面以及粉末顆粒間高的界面結合強度,是預釬焊金剛石節塊抗彎強度高的主要原因。

3 加工性能試驗

3.1 試驗平臺

采用常規金剛石和生產工藝、預釬焊金剛石和新型生產工藝分別制備了兩種燒結金剛石磨邊輪,磨粒濃度均為40%。加工對象為G635花崗石板材。

試驗平臺為SYM-10多功能石材磨拋機(如圖9所示),加工時主軸轉速為2880r/min,橫向進給速度2m/min。分三次走刀完成一條成型半圓邊加工,磨輪縱向進給量依次設定為6mm、4mm、4mm,采用切入式冷卻水濕磨。

圖9 SYM-10多功能石材磨拋機Fig.9 SYM-10 multifunctional stone polishing machine

3.2 試驗結果及分析

本試驗通過金剛石磨邊輪的鋒利度和使用壽命來評價金剛石磨邊輪的加工性能。鋒利度可通過行走電機的電流表示,電流值越小,表明鋒利度越高。使用壽命可通過尺寸磨損率表示,尺寸磨損率定義為磨削單位長度花崗石板材后磨邊輪節塊的尺寸磨損量,尺寸磨損率越小,表明使用壽命越長。

圖10和圖11分別為兩種不同金剛石磨邊輪的鋒利度與使用壽命。從圖10和圖11可以看出,新型金剛石磨邊輪的鋒利度比常規金剛石磨邊輪提高32%,新型金剛石磨邊輪的使用壽命要長于常規金剛石磨邊輪。由于新型金剛石磨邊輪采用了銅基預釬焊金剛石磨粒,金剛石與胎體之間界面結合強度高,金剛石出露高,而銅基釬料層強度適中,磨削時金剛石容易出刃,且胎體的磨損性能更好,故鋒利度高;金剛石不易過早脫落,且胎體的合金化程度高,故使用壽命延長。

圖10 不同金剛石磨邊輪的鋒利度Fig.10 Sharpness of different diamond grinding wheels

圖11 不同金剛石磨邊輪的使用壽命Fig.11 Service life of different diamond grinding wheels

可見,我公司采用新型生產工藝制作的金剛石磨邊輪其加工性能明顯優于采用常規生產工藝制作的金剛石磨邊輪。新型生產工藝是提高燒結金剛石工具質量的有效途徑,對提高燒結金剛石工具產業的整體技術水平具有重大意義。

4 結論

(1)預釬焊金剛石磨粒表面生成了碳化物。預釬焊金剛石形成了金剛石→碳化物→釬料金屬的組織結構。

(2)當金剛石濃度為10%～50%時,預釬焊金剛石節塊的抗彎強度均高于常規金剛石節塊,表明預釬焊金剛石節塊界面結合強度要高于常規金剛石節塊。

(3)采用新型生產工藝制作的金剛石磨邊輪其加工性能明顯優于采用常規生產工藝制作的金剛石磨邊輪。

(4)此工藝方案,實踐證明可行,值得推廣應用。

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[2] 孫毓超,宋月清.金剛石工具制造理論與實踐[M].鄭州:鄭州大學出版社,2005.

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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

作者簡介:段端志(1988-),男,江西吉安人,南京航空航天大學機電學院博士生,主要從事新型超硬磨料工具制造及其設備開發的研究,已發表論文10余篇。E-mail:duanduanzhi1988@163.com

段端志,馬若飛,趙海洋,等.新型金剛石磨邊輪的性能研究[J].超硬材料工程,2015,27(1):12-16.