王　波　肖　冰　邵明嘉

1.南京航空航天大學,南京,210016　2.江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室,南京,210016

干式磨拋用釬焊金剛石磨拋盤制備與試驗

王波1,2肖冰1,2邵明嘉1,2

1.南京航空航天大學,南京,2100162.江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室,南京,210016

為解決傳統(tǒng)樹脂砂輪片干式磨拋高強度鋼存在的磨拋效率低、火花大、粉塵多、安全性低等問題，分析了利用釬焊金剛石技術的優(yōu)勢制備新型磨拋盤的可行性，并提出了解決對策。結合新型金剛石磨料排布工藝，利用Ni-Cr合金焊料,真空釬焊制備了釬焊金剛石磨拋盤。對AH36船用高強度鋼進行了干式磨拋對比試驗。試驗表明:與傳統(tǒng)樹脂砂輪片相比，釬焊金剛石磨拋盤磨削效率提高40%左右,磨削壽命是前者的12倍以上;磨屑平均體型較大且種類多,無熔融狀磨屑存在,磨粒表面基本無磨屑粘附,證明了新型磨拋盤干式磨削時可有效控制磨削溫度。

高強度鋼;磨盤;釬焊;金剛石

0　引言

高強度鋼一般是指具有很高的強度和硬度,同時又具有很好的韌性和塑性的合金結構鋼。高強度鋼具有較低的屈強比，較好的應變分布能力，較高的應變硬化特性,同時還有更加均勻的力學性能[1]。隨著工業(yè)科技的發(fā)展，在汽車制造、建筑橋梁、航空航天、船舶制造、化工設備等領域,高強度鋼得到了越來越廣泛的應用[2-3]。隨著高強度鋼的大量應用，鋼材的焊接量增加且焊接區(qū)域強度較高[4]，鋼材焊接表面處理如焊接面磨光、焊縫磨平、焊疤與飛濺去除、焊接缺陷清理等以及鋼表面磨拋成為一個加工難點。

目前市場上常用的金屬材料打磨片多為樹脂砂輪片或拋光墊[5],其磨粒固結強度低，砂輪片結構強度低，對普通鋼材尚可正常打磨，而對高強度鋼材以及焊接區(qū)域材料去除率較低，影響生產(chǎn)效率。此外,傳統(tǒng)樹脂砂輪片存在火花大、壽命短、粉塵多、安全性低[6-7]等諸多缺點,長期使用可能使職員患職業(yè)病[8]。為提高加工效率,改善工作環(huán)境，金剛石磨盤被用來進行高強度鋼表面磨拋。市場上目前多數(shù)為電鍍金剛石磨盤，磨粒出露高度低，磨粒被機械把持，結合強度較低，磨粒易脫落，打磨過程中打磨區(qū)溫度過高易造成鍍層與基體分離而使磨盤失效。

近年來，市場上出現(xiàn)了應用釬焊超硬磨料技術[9]制備的金剛石磨盤，而此類型磨盤多應用于石材的磨拋，目前尚未真正應用于高強度鋼材料的打磨。究其原因主要有兩點：一是鋼鐵類材料為親碳型材料，在實際加工中高溫磨屑及加工表面會對金剛石有粘附現(xiàn)象，隨著磨削溫度的升高,會造成磨粒化學磨損與粘附磨損[10],磨刃鈍化最終導致磨盤磨削失效;二是磨拋區(qū)域磨削點溫度高，在無保護氣氛情況下，對金剛石有較大的熱損傷[11]，而且在釬焊工具制備過程中所受到的內應力損傷[12]會更加嚴重，導致單層磨料的釬焊工具壽命受到極大影響。因此，雖有某些類型的釬焊金剛石磨盤試用于高強度鋼的磨拋加工，但其效果并未達到預期的理想效果。

解決釬焊金剛石磨拋盤磨拋高強度鋼的關鍵在于控制好金剛石在磨削過程中的散熱問題，使得金剛石磨料在使用過程中石墨化程度盡量最低，減少磨損，從而獲得較長的使用壽命。采用新型釬焊超硬磨料原理并結合合適的焊接基體外形及與之匹配的超硬磨料焊接工藝與磨料排布工藝，制備新型磨拋工具,對解決高強度鋼高效磨拋問題有著重要的理論價值與應用價值。

1　制備可行性分析及解決對策

1.1金剛石磨盤磨拋高強度鋼的可行性

釬焊金剛石工具具有磨料鋒利、散熱快、去除效率高等優(yōu)勢，自開始工業(yè)化應用以來，以釬焊金剛石鉆頭、釬焊金剛石磨輪、串珠繩鋸等為代表的工具在石材鉆孔、石材磨拋、石材開采領域的廣泛應用[13]證明了釬焊金剛石技術的可行性與巨大潛力。

鋼鐵材料等黑色金屬在加工過程中對金剛石造成的粘附以及高溫下金剛石的損傷[14]是釬焊金剛石工具在鋼鐵材料加工領域中的應用受到一定制約的關鍵因素。干式磨拋情況下，約束了磨削液的使用，磨削區(qū)的熱量散出成為難題，只有優(yōu)化磨拋區(qū)空間結構，提高散熱效率，減少工件熱量吸收，釬焊金剛石工具干式磨拋高強度鋼才具有一定的可行性，其滿足高強度鋼磨拋加工需要的必要前提包括：

(1)金剛石被牢固釬焊,每顆金剛石磨粒被焊料牢固把持，獲得鋒利地貌，從而能夠勝任重負荷磨削加工。

(2)金剛石磨粒優(yōu)化釬焊。優(yōu)化釬焊的含義有兩層:①金剛石高出露，獲得高散熱空間,并且其周身空間利于排屑，保證磨削區(qū)的熱量能夠迅速散出，有效控制磨削區(qū)溫度；②焊后金剛石磨粒表面潔凈，刃口鋒利，無焊料埋覆表面，保證磨削時磨削力平穩(wěn)，有利于控制磨削溫度。

(3)金剛石磨粒加工空間散熱性良好，同時參與磨削的金剛石磨粒在磨削后能夠有較大的空間冷卻，并能夠將熱量部分帶出。

1.2原理分析與解決對策

對于第(1)點，釬焊金剛石被牢固把持，目前已有研究人員進行了許多相關測試與研究，并探討了釬焊金剛石過程中各種因素(如焊料元素成分、焊接氣氛、焊接加熱方式等)的影響程度與機理?？偨Y其研究內容可以得出：在一定的保護氣氛下，金剛石均能被特定的焊料合金良好地把持[15]，只考慮焊料對釬焊把持力的影響情況下，一般來說，焊料熔化溫度越高，其焊接強度越大。綜合釬焊工藝、釬焊性能、釬焊氣氛、釬焊設備等因素的影響，認為在控制好釬焊氣氛與釬焊加熱工藝的情況下，帶有Cr元素成分[16]的鎳基合金焊料釬焊金剛石具有較優(yōu)的釬焊性能。

對于第(2)點,常用的金剛石釬焊工藝為:使用調制成膏狀的焊料涂覆基體表面或者將粉末狀合金焊料直接排布于基體表面，然后再布灑金剛石磨料[17]。上述工藝能夠將金剛石合理包埋，并具有較好的出露效果，多適用于小型、平面工件，過大的布料表面容易造成焊料熔化后分布不均勻。部分研究人員先將布于基體表面的焊料加熱熔化，然后對熔化后的表面進行適量加工，達到要求后再排布金剛石，亦取得了一定的效果[18]，但工藝上稍顯復雜，使用范圍受到一定的限制。為解決焊料熔化后分布不均、對曲面適應性低的問題，采用顆粒狀合金焊料與金剛石間隔排布技術，粒度與金剛石匹配的焊料均勻鋪展于金剛石周圍，焊料的用量及分布得到了良好的控制。焊料熔化后，金剛石獲得良好的出露空間與潔凈的磨粒表面，利于磨削加工的排屑與散熱，如圖1所示。

(a)傳統(tǒng)釬焊工藝

(b)新型釬焊工藝圖1　金剛石釬焊工藝

對于第三點，磨粒加工空間散熱性良好。所設計的磨拋工具必須能夠保證在磨拋過程中，同時參與磨削的金剛石磨粒數(shù)量穩(wěn)定，且具有較大的散熱空間。因此磨拋盤的幾何結構設計必須符合所述磨拋的要求。

結合樹脂砂輪片的磨拋過程(圖2)可以看出，樹脂砂輪片與水平面保持一個傾角θ,參與磨拋過程的始終是砂輪片邊緣。圖3所示為樹脂砂輪片磨拋磨損截面形狀，砂輪片初期接觸區(qū)域較小，近似于點接觸，當磨拋一段時間后，邊緣磨拋出一定弧度(圖3b)，且當磨拋到一定過程后，砂輪片外形固定(圖3c)，并持續(xù)保持，這說明圖3c所示的外形是磨拋過程中的優(yōu)化選擇。根據(jù)此原理，可以將單層磨料的釬焊金剛石磨拋基體幾何外形設置成上述類似結構,如圖4所示,金剛石磨粒布于圓盤形基體表面，并在最邊緣處排布磨料，加工出的基體外形，其基體的外緣排布金剛石，可有效提高磨拋過程中的“切割”作用，提高材料去除率。

圖2　磨拋盤磨拋運動示意圖

圖3　樹脂砂輪片磨損后的基體形狀

圖4　釬焊金剛石磨拋盤基體設計

當磨料得到較好的焊接后,強大的把持力保證磨盤邊緣的金剛石牢固固定，雖然同時參與材料去除的金剛石數(shù)量不多，但由于近似于點磨削的磨拋結構，使得大量磨削熱隨著磨盤表面以及磨削磨粒周圍的空間散出(圖5)，能夠有效控制磨拋溫度，這一點對磨削黑色金屬來說具有較大的優(yōu)勢。

圖5　磨拋盤與材料接觸區(qū)域

2　釬焊金剛石磨拋盤制備試驗

2.1試驗條件

釬焊設備選用真空釬焊爐。極限真空為6.67 MPa。釬焊加熱工藝中,溫升控制在8 ℃/min以內,最高溫度1020 ℃,保溫15 min。

檢測分析方法：利用Hitachi S3400掃描電子顯微鏡(SEM)與江南永新光學體視顯微鏡JSZ5B對所制備的釬焊試樣及切屑進行顯微形貌及界面形貌觀察，利用Bruker XFlash Detector 5010型X射線能譜儀 (EDS)對新工藝制備的試樣的結合面元素含量進行線掃描。

2.2制備工藝

釬焊金剛石磨盤的制備選用黃河旋風股份有限公司牌號為HWD80品級金剛石，粒度區(qū)間為35～50目。焊料為大粒度Ni-Cr基合金焊料，粒度為50～100目。磨盤基體外徑125 mm,基體外形如圖4所示，表面布料根據(jù)區(qū)域進行優(yōu)化排布,平面的簇狀磨粒不起主要磨削作用，多用于排屑、輔助磨削。

制備工藝如下：①磨盤基體表面清理，首先進行除油處理，再噴砂去除鐵銹等雜質，最后用無水乙醇超聲清洗晾干；②在布料區(qū)域刷涂黏接劑，用于固定金剛石磨料與Ni-Cr合金焊料；③利用孔模板法進行磨料排布；④布灑匹配量的Ni-Cr合金焊料，合金釬焊焊料粒度區(qū)間為50～100目；⑤真空釬焊。

2.3結果與分析

圖6a所示為焊后釬焊金剛石表面形貌，金剛石排列整齊無移動，焊料熔化均勻，對金剛石磨粒包埋深度合理，焊接爬升高度理想，金剛石表面無焊料覆蓋，出刃鋒利。圖6b顯示了釬焊金剛石磨拋盤單顆磨料釬焊形貌，焊料爬升較好，且與金剛石界面結合緊密。

圖7a顯示了金剛石與鎳基合金焊料界面結合處形貌，合金焊料在金剛石表面形成了爬升，并在界面處有柱狀物生成。圖7b所示是沿圖6a所示金剛石與Ni-Cr焊料界面線掃描元素含量分布,兩虛線范圍為金剛石與焊料反應結合處，焊料層中Cr元素含量(質量分數(shù))升高,靠近金剛石界面的Cr元素有比較高的濃度(質量分數(shù))分布，相比于焊料中的主要元素Ni有明顯的偏析；另一方面，金剛石表面的C元素在界面處的濃度呈緩慢的過渡趨勢，說明鉻與碳在界面處發(fā)生了化學結合反應。

(a)微觀形貌

(b)局部放大圖6　釬焊金剛石磨拋盤表面微觀形貌

(a)釬料與金剛石反應界面

(b)界面線掃描結果圖7　顆粒鎳基合金焊料釬焊金剛石界面

圖8所示為制備的磨拋盤磨粒分布形貌。磨盤邊緣磨粒均勻分布，粒度為35目。平面部分磨粒簇狀聚集，宏觀上表現(xiàn)為螺旋狀分布，磨粒簇內金剛石刃口鋒利，方向各異，主要起輔助磨拋、排屑作用，其磨粒粒度采用混合粒度(35～50目)，以保證較大的排屑與散熱空間。

圖8　釬焊金剛石磨拋盤表面地貌

3　磨拋性能試驗

磨拋設備為博世角磨機(GWS 7-125 ET Professional),功率為1.1 kW，最高轉速為11 000 r/min。磨削對象為船體甲板用AH36高強度鋼,規(guī)格為100 mm×100 mm×30 mm(長×寬×高)。在自制磨拋平臺(圖2)上利用角磨機分別安裝自制的125 mm釬焊金剛石磨拋盤(試樣A)、125 mm樹脂砂輪片(南京宏泰專用砂輪片，試樣B)對AH36鋼進行干式磨拋(無冷卻液)。通過測定去除率檢測磨盤加工效率，去除率通過下式計算：

δ=(W1-W2)/t

(1)

式中,W1為磨拋前工件質量;W2為磨拋后工件質量;t為磨拋時間。

通過觀察磨拋盤表面磨粒形貌及磨屑形貌分析磨拋盤的磨拋性能。

3.1磨拋盤效率與壽命

磨拋效率是磨拋類工具最關鍵的性能指標之一,其值的高低反映了磨粒磨削材料的鋒利程度、工具設計的合理性以及散熱排屑條件的優(yōu)劣；磨拋壽命反映了磨拋工具的穩(wěn)定性與可持續(xù)性，其值的高低決定了磨拋工具的經(jīng)濟性。

樹脂砂輪片對AH36鋼的去除是利用磨粒與材料瞬間接觸產(chǎn)生的高溫使材料表面強度下降，從而去除表層材料。磨拋初期，試樣B的材料去除率穩(wěn)定，約為0.113g/s，低于試樣A的0.19 g/s(圖9a)。從磨拋效率上看,試樣B持續(xù)性與穩(wěn)定性較好,但受砂輪片本身磨粒硬度、樹脂結合強度等因素影響，其材料去除率受到一定限制。試樣B磨損較快，2h之內壽命結束，失去磨拋性能(圖9b),其1h后的磨拋效率下降是由于磨盤磨損后，外徑變小導致邊緣線速度降低使得材料去除率下降。

(a)磨拋效率

(b)磨拋壽命圖9　試樣A與試樣B的磨拋效率與壽命對比

試樣A的磨拋效率較高，且在1 h之內具有較好的穩(wěn)定性(圖9a)，試樣A表面的金剛石釬焊后整齊地出露，刃口鋒利，能夠對AH36鋼進行持續(xù)高效磨削，磨拋盤邊緣金剛石磨粒線速度可達60 m/s，屬于高速磨削，金剛石與AH36鋼的磨削接觸時間極短，約5 μs左右，有利于提高磨拋效率,降低磨粒磨損。磨拋一段時間后，金剛石刃口磨損產(chǎn)生一定的鈍化，磨拋效率下降，并且隨著自銳的進行,磨拋效率下降速率維持在一定的范圍內(圖9b)。試樣A的磨拋壽命約是試樣B的12倍以上，平均磨拋效率約是試樣B的1.4倍左右。

3.2磨粒磨損分析

圖10所示為試樣A磨削25 h后表面金剛石磨損狀態(tài)，磨拋盤邊緣為主要磨損區(qū)域，金剛石磨損嚴重，多為磨平(圖10a)、磨碎(圖10b)狀態(tài)，個別磨粒表面有部分磨屑粘附(圖10c),這與磨拋盤的工作方式有關，接觸區(qū)域為主要磨損區(qū)域。磨粒的磨平與磨碎說明磨粒在去除AH36鋼材料過程中磨粒的消耗是漸進的，表面的磨屑的粘附說明磨粒表面刃口鈍化后AH36鋼迅速粘附于金剛石表面，說明了此鋼種的難加工性，可適當采用自銳性較好的金剛石，減少金剛石的刃口鈍化。磨拋盤非主要磨拋區(qū)域的金剛石磨粒磨損較少，僅頂部刃口磨損(圖10d)，部分金剛石顆粒甚至基本未磨損(圖10e),金剛石簇中磨粒多為外端磨損(圖10f)，說明非磨削區(qū)域多起到輔助磨削作用，可采用品級較低的金剛石磨料。由磨盤外端至盤面內緣，金剛石磨料的品級可依次降低，在保證磨削壽命的情況下有利于降低成本。

圖10　試樣A金剛石磨損狀態(tài)

圖11所示為試樣B表面，通過棕剛玉磨粒的不斷破碎形成對AH36鋼的持續(xù)磨削，由于其出露低，多數(shù)熱量由破碎的磨粒及樹脂揮發(fā)帶走，因此磨盤損耗快，氣味大，且表面容易由大片的磨屑粘附。

圖11　試樣B表面形貌

3.3磨屑分析

AH36鋼屬于船用高強度鋼,多用作船甲板或者結構件，其屈服點不低于335 MPa,抗拉強度490～620 MPa,與普通鋼材相比屬于難加工材料，磨拋盤磨削后產(chǎn)生的磨屑與常規(guī)加工方式有所不同。

圖12所示為試樣B磨拋加工后的磨屑形貌，磨屑部分液態(tài)金屬化，形成許多大小不一的金屬球(圖12a)，這是由于磨粒在表面進行材料去除時工件表面局部溫度快速升高，使材料軟化,超硬磨料容易將其去除，因此樹脂砂輪片磨削時火花大，磨削溫度高，工件溫升快。根據(jù)尖端熱效應，細長磨屑尖端更易在高溫下熔融成金屬小球，圖12b所示為即將熔化為小球的細長磨屑。試樣B中磨屑小球的大小不一，最小直徑僅幾個微米，最大直徑約113 μm左右，較大的熔融小球說明磨屑產(chǎn)生的瞬間溫度達到1500 ℃以上。試樣B產(chǎn)生的磨屑整體較釬焊金剛石磨盤產(chǎn)生的磨屑小，且細長類切屑更多(圖12c)，由于樹脂砂輪片磨粒容易破碎，故形成的鋸齒狀擠裂磨屑體積較小(圖12d)。

圖12　試樣B磨屑形貌

試樣A的磨屑平均體型較試樣B磨屑大，形狀類型多樣(圖13a)，這是由于磨粒為金剛石，刃口清晰鋒利，加工材料時類似于“切削”的效果，在接觸過程中材料去除量大。部分切屑為擠裂切屑，以微觀切削角度來看，存在微刨削、微刃擠壓等情況。當切削刃與進給方向垂直時，類似于微刨削過程，由于切削刃負前角較小，容易得到擠裂切屑，如圖13b所示。當切削刃與進給方向存在一定夾角時，為刃口擠壓切削，此時切屑多為細小片的帶狀、弧狀切屑，且瞬時溫度高，造成切屑顏色較深，如圖13c所示。當磨粒切削刃口與進給方向平行時， 磨粒多進行滑擦、犁耕過程， 由于磨粒磨削干涉亦會造成部分切屑斷裂脫落，如圖13d所示。

圖13　試樣A磨屑形貌

與試樣B磨屑相比,一個最為明顯的特點是試樣A磨屑中基本不存在熔融狀小球，這說明磨粒對AH36鋼去除的過程中，熱量通過磨屑以及周圍的空間結構有效散出，剩余的熱量未達到磨屑的熔點，說明本文所設計的釬焊金剛石磨盤表面形貌結構對磨削區(qū)域的溫度抑制具有一定的作用。

由試樣A與試樣B的磨屑形貌可知,釬焊金剛石磨盤的切削刃隨機分布,在整個磨削過程中產(chǎn)生了不同類型的切屑,由于磨盤表面磨粒的分布緊密，互相進行切屑干涉，所以切屑整體體積大但較短，容易斷屑,從而帶走了大量磨削熱，從而使得工件表面以及工具表面的溫度維持在一個較低的水平，達到了冷態(tài)干磨削的狀態(tài),在同等條件下可對工件進行更大去除率的去除，因此磨削效率高，磨拋工具基本不損耗，產(chǎn)生的火花小，沒有毒粉塵與氣味產(chǎn)生，屬于一種新型的綠色干式磨拋加工。

4　結論

(1)設計制備了新一代干式高效磨拋高強度鋼用釬焊金剛石磨盤，相比于傳統(tǒng)樹脂砂輪片，釬焊金剛石磨拋盤磨拋效率約為前者的1.4倍，平均磨拋壽命為前者的12倍以上。

(2)Ni-Cr釬焊合金與新型布料工藝可以有效地實現(xiàn)磨粒理想的出露形貌，磨粒表面刃口鋒利、無焊料包覆,并且金剛石排列規(guī)則，被牢固把持。

(3)金剛石磨粒磨損具有持續(xù)性，存在磨鈍、磨碎、磨平等典型周期，且表面基本不粘附切屑；對于磨拋AH36高強度鋼宜選擇自銳性較好的金剛石磨粒。相比于樹脂砂輪片產(chǎn)生的磨屑，金剛石磨盤產(chǎn)生的切屑具有平均體型大、無熔融小球、切屑類型多等特點，磨削時火花小,屬于一種新型綠色干式磨拋加工方式。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Fabrication and Experiments of Brazed Diamond Grinding Disc for Dry Grinding

Wang Bo1,2Xiao Bing1,2Shao Mingjia1,2

1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016 2.Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-manufacturing Technology,Nanjing,210016

In order to solve the problems of low grinding efficiency,big sparks,dusty and low security issues of traditional resin grinding wheel in dry grinding for high-strength steel,the feasibility of taking advantage of brazed diamond technique for preparing grinding disc was studied and the countermeasures were proposed.A new diamond arrangement process was adopted,and the vacuum brazed grinding disc was prepared by using of Ni-Cr alloy.Tests of dry grinding for high-strength steel AH36 were proceeded.The results show that,compares with conventional resin grinding wheel,the efficiency ratio of brazed diamond grinding disc increases 40% and the grinding life enhances more than 12 times.The debris of brazed diamond grinding disc after grinding have a larger average size and variety. Without the presence of molten debris and almost no wear debris adhered to diamond surfaces,the effective temperature control of novel disc is proven during the dry grinding.

high-strength steel;grinding disc;brazing;diamond

2014-10-24

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(CXLX13-140);江蘇省產(chǎn)學研前瞻性聯(lián)合研究項目( BY2011102,BY2012010,BY2012013,BY2012015,BY2013003-04，BY2013003-14,BY2013003-15)

TG749< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.006

王波,男,1986年生。南京航空航天大學機電學院博士研究生。主要研究方向為釬焊工藝、超硬磨料工具制備。發(fā)表論文4篇。肖冰(通信作者),男,1968年生。南京航空航天大學機電學院教授。邵明嘉，男，1992年生。南京航空航天大學機電學院碩士研究生。