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(jī)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(jī)械研究所,上海 201600)

采用Cu-Sn-Ti合金釬料對(duì)金剛石磨粒進(jìn)行真空預(yù)釬焊處理,使用預(yù)釬焊金剛石磨粒并采用新型生產(chǎn)工藝制作了新型金剛石磨邊輪,并進(jìn)行常規(guī)金剛石磨邊輪和新型金剛石磨邊輪的對(duì)比加工性能試驗(yàn)。通過(guò)掃描電鏡分析了預(yù)釬焊磨粒的界面微觀組織結(jié)構(gòu),通過(guò)三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試分析了節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度。結(jié)果表明:預(yù)釬焊金剛石磨粒表面生成了碳化物,預(yù)釬焊金剛石形成了金剛石→碳化物→釬料金屬的組織結(jié)構(gòu);當(dāng)金剛石濃度為10%～50%時(shí),預(yù)釬焊金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度均高于常規(guī)金剛石節(jié)塊;新型金剛石磨邊輪的加工性能明顯優(yōu)于常規(guī)金剛石磨邊輪。

預(yù)釬焊金剛石;界面微觀組織結(jié)構(gòu);抗彎強(qiáng)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(yīng)用于室內(nèi)外裝飾設(shè)計(jì)、幕墻裝飾和公共設(shè)施建設(shè)。隨著人們對(duì)建筑裝飾水平的要求越來(lái)越高,異形工藝石材的市場(chǎng)需求增長(zhǎng)強(qiáng)勁。異形工藝石材種類繁多,其磨邊產(chǎn)品就占了相當(dāng)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)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(zhǎng)、加工性能不穩(wěn)定,其原因是:(1)由于金剛石和金屬結(jié)合劑之間界面能較高,金剛石只是機(jī)械地鑲嵌在金屬胎體中,胎體對(duì)金剛石磨粒的把持強(qiáng)度低,金剛石磨粒易過(guò)早脫落;(2)生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)塊內(nèi)部胎體粉末的氧化導(dǎo)致節(jié)塊胎體各個(gè)部分的機(jī)械力學(xué)性能相差較大,同時(shí)粉末氧化也會(huì)降低胎體結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒的把持力[1-3]?；诖?我公司采用新型工藝開發(fā)了一種性能優(yōu)異的金剛石磨邊輪。以半圓形金剛石磨邊輪為例并進(jìn)行了相關(guān)的性能研究。

1 試驗(yàn)材料及工藝

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)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(fēng)股份有限公司)。

試驗(yàn)設(shè)備:真空釬焊爐、混料機(jī)、制粒機(jī)、還原爐、真空熱壓燒結(jié)機(jī)、刀頭焊接設(shè)備、開刃設(shè)備等。

測(cè)試分析設(shè)備:DLY-92型金剛石單顆粒晶體抗壓強(qiáng)度測(cè)量?jī)x、用于節(jié)塊三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試的SANS型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、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(yù)釬焊金剛石磨粒的制作

金剛石磨粒預(yù)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(guò)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(jìn)行高溫釬焊處理,冷卻出爐后對(duì)預(yù)釬焊金剛石磨粒進(jìn)行篩分、清洗。圖1所示為采用Cu-Sn -Ti合金釬料進(jìn)行預(yù)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(yù)釬焊金剛石磨粒Fig.1 Pre-brazed diamond abrasive particles using Cu-Sn-Ti alloy as brazing filler metal

現(xiàn)有金剛石磨邊輪的生產(chǎn)工藝流程一般為:配料→混料→熱壓燒結(jié)→焊接→后序處理。由于常規(guī)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(jié)合劑形成化學(xué)結(jié)合界面,磨粒只是機(jī)械地鑲嵌在金屬胎體中,胎體對(duì)金剛石磨粒的把持力低;熱壓燒結(jié)所使用的設(shè)備為熱壓燒結(jié)機(jī),在燒結(jié)時(shí)并不使用還原氣氛和保護(hù)氣氛,在燒結(jié)過(guò)程中當(dāng)溫度為400℃左右時(shí)胎體粉末會(huì)發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng),這阻礙了節(jié)塊內(nèi)部金屬粉末之間的合金化,降低了粉末顆粒間界面結(jié)合強(qiáng)度[4],也進(jìn)一步降低了胎體對(duì)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(xiàn)有解決胎體粉末氧化問(wèn)題的方法有以下兩種: (1)混料之前對(duì)鐵粉、銅粉等單質(zhì)粉末進(jìn)行還原;(2)往胎體金屬粉末中添加部分預(yù)合金粉。按照通常的工序流程和生產(chǎn)安排,從混料、冷壓成型到燒結(jié)成半成品,至少需要1～2天時(shí)間,在此過(guò)程中單質(zhì)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(wèn)題的方法并不一定能取得金剛石磨邊輪加工性能十分穩(wěn)定的效果。

為了能有效解決磨邊輪節(jié)塊內(nèi)部金屬粉末的氧化和金屬胎體對(duì)金剛石磨粒把持力低的問(wèn)題,我公司開發(fā)了新型的金剛石磨邊輪生產(chǎn)工藝,其工藝流程如圖2所示。

圖2 新型金剛石磨邊輪生產(chǎn)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(chǎn)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(guò)程中隨著溫度的升高會(huì)依次發(fā)生潤(rùn)滑劑或粘結(jié)劑的去除、金屬粉末的還原和多種粉末間的預(yù)合金化等三個(gè)反應(yīng)變化過(guò)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(wú)氧真空熱壓燒結(jié)工藝提供了氧含量不高于0.005%、真空度不低于0.04MPa的燒結(jié)氣氛,在節(jié)塊熱壓燒結(jié)時(shí)不僅能有效防止胎體金屬的氧化,還能減少胎體內(nèi)低熔點(diǎn)金屬的揮發(fā),這樣不僅能大大地提高胎體的力學(xué)性能和組織性能,還能提高胎體金屬與預(yù)釬焊磨粒間界面結(jié)合強(qiáng)度。無(wú)氧真空熱壓燒結(jié)工藝成為燒結(jié)金剛石工具升級(jí)換代的新型工藝。

圖5所示為采用預(yù)釬焊磨粒和新型生產(chǎn)工藝制備的金剛石磨邊輪,磨邊輪節(jié)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(yàn)結(jié)果及分析

2.1 預(yù)釬焊金剛石界面微結(jié)構(gòu)

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(xiàn)[5-7]表明,高溫預(yù)釬焊過(guò)程中銅基釬料對(duì)金剛石磨粒所造成的熱損傷較小。

為了證實(shí)金剛石磨粒表面形成了碳化物,對(duì)預(yù)釬焊金剛石磨粒選擇性腐蝕后進(jìn)行X射線衍射結(jié)構(gòu)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(fā)生了化學(xué)反應(yīng)形成了化學(xué)結(jié)合界面。

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

對(duì)選擇性腐蝕后的預(yù)釬焊金剛石磨粒進(jìn)行靜抗壓強(qiáng)度測(cè)試,接著使用丙酮清洗斷裂的預(yù)釬焊磨粒,預(yù)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(shí)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(yù)釬焊金剛石磨粒形成了金剛石→碳化物→釬料金屬的組織結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)將大大降低金剛石與胎體之間的界面能。

2.2 節(jié)塊抗彎強(qiáng)度測(cè)試分析

采用常規(guī)金剛石和生產(chǎn)工藝、預(yù)釬焊金剛石和新型生產(chǎn)工藝分別制備了兩種長(zhǎng)方形節(jié)塊,節(jié)塊的胎體配方相同,節(jié)塊規(guī)格為40mm(長(zhǎng)度)×8mm(寬度) ×3.2mm(高度)。對(duì)節(jié)塊進(jìn)行三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試,支點(diǎn)跨距為25mm,試驗(yàn)機(jī)加載速度0.5mm/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 金剛石濃度對(duì)節(jié)塊抗彎強(qiáng)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(dāng)預(yù)釬焊金剛石濃度為10%時(shí),節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度最大,為628 MPa;當(dāng)預(yù)釬焊金剛石濃度增加到50%時(shí),節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度下降到508MPa?？傮w而言,當(dāng)預(yù)釬焊金剛石濃度為10%～50%時(shí),預(yù)釬焊金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度均高于常規(guī)金剛石節(jié)塊,表明節(jié)塊界面結(jié)合強(qiáng)度要高于常規(guī)金剛石節(jié)塊。金剛石與胎體之間形成化學(xué)冶金結(jié)合界面以及粉末顆粒間高的界面結(jié)合強(qiáng)度,是預(yù)釬焊金剛石節(jié)塊抗彎強(qiáng)度高的主要原因。

3 加工性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

采用常規(guī)金剛石和生產(chǎn)工藝、預(yù)釬焊金剛石和新型生產(chǎn)工藝分別制備了兩種燒結(jié)金剛石磨邊輪,磨粒濃度均為40%。加工對(duì)象為G635花崗石板材。

試驗(yàn)平臺(tái)為SYM-10多功能石材磨拋機(jī)(如圖9所示),加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速為2880r/min,橫向進(jìn)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(jìn)給量依次設(shè)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(jī)Fig.9 SYM-10 multifunctional stone polishing machine

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)通過(guò)金剛石磨邊輪的鋒利度和使用壽命來(lái)評(píng)價(jià)金剛石磨邊輪的加工性能。鋒利度可通過(guò)行走電機(jī)的電流表示,電流值越小,表明鋒利度越高。使用壽命可通過(guò)尺寸磨損率表示,尺寸磨損率定義為磨削單位長(zhǎng)度花崗石板材后磨邊輪節(jié)塊的尺寸磨損量,尺寸磨損率越小,表明使用壽命越長(zhǎng)。

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(guī)金剛石磨邊輪提高32%,新型金剛石磨邊輪的使用壽命要長(zhǎng)于常規(guī)金剛石磨邊輪。由于新型金剛石磨邊輪采用了銅基預(yù)釬焊金剛石磨粒,金剛石與胎體之間界面結(jié)合強(qiáng)度高,金剛石出露高,而銅基釬料層強(qiáng)度適中,磨削時(shí)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(guò)早脫落,且胎體的合金化程度高,故使用壽命延長(zhǎng)。

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(chǎn)工藝制作的金剛石磨邊輪其加工性能明顯優(yōu)于采用常規(guī)生產(chǎn)工藝制作的金剛石磨邊輪。新型生產(chǎn)工藝是提高燒結(jié)金剛石工具質(zhì)量的有效途徑,對(duì)提高燒結(jié)金剛石工具產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)水平具有重大意義。

4 結(jié)論

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

(2)當(dāng)金剛石濃度為10%～50%時(shí),預(yù)釬焊金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度均高于常規(guī)金剛石節(jié)塊,表明預(yù)釬焊金剛石節(jié)塊界面結(jié)合強(qiáng)度要高于常規(guī)金剛石節(jié)塊。

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

(4)此工藝方案,實(shí)踐證明可行,值得推廣應(yīng)用。

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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(jiǎn)介:段端志(1988-),男,江西吉安人,南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士生,主要從事新型超硬磨料工具制造及其設(shè)備開發(fā)的研究,已發(fā)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.