陶瓷結合劑對金剛石顆粒把持力檢測的研究①

栗正新,楊雪峰,鄧相榮,肖長江

(河南工業大學材料學院,河南鄭州450007)

0 前言

陶瓷結合劑金剛石工具中的金剛石是共價鍵結構,一般難于與陶瓷結合劑形成化學結合力而獲得較高的結合強度,導致金剛石工具在磨削過程中磨粒容易脫落;通過提高結合劑的密度而提高對金剛石的機械把持力,如過高又會導致磨鈍的磨粒難以脫落。因此陶瓷結合劑對磨料把持能力的強弱成為影響工具性能的主要因素,把持力的檢測是高性能陶瓷結合劑金剛石工具研究的關鍵[1]。

1 把持力的特征分析

結合劑阻止磨料從磨具中脫落所需要的作用力稱為把持力。其界面結合力主要有物理吸附力、機械鑲嵌力和化學結合力。把持力包括結合劑對金剛石的物理附著力、鑲嵌機械力與化學作用力。

(1)物理附著力:主要包括范德華力和氫鍵力。這種結合力雖普遍存在,但由于其結合太弱故不能牢固粘結金剛石;

(2)機械鑲嵌力:即胎體通過對金剛石的包鑲和磨擦而對金剛石起支持作用,這種結合力雖可使小顆粒金剛石得以應用,但由于結合太弱,往往造成金剛石來不及充分發揮作用而過早脫落,使得金剛石工具成本過高;

(3)化學結合力:即界面上存在金屬胎體與金剛石在一定溫度與壓力下發生化學反應而生成的化學鍵,包括離子鍵、共價鍵、金屬鍵等。此種結合力通常可達到幾百兆帕,可以有效地粘結金剛石,提高金剛石的使用效率。

在這三種力中,物理吸附力很小,機械鑲嵌力的大小取決于結合劑的孔隙率及結合劑的強度和硬度,化學結合力較強。由于磨料與結合劑之間有很高的界面能,一般結合劑與磨料之間較難形成化學結合,而是以機構鑲嵌作用為主,其結果是結合劑對磨料沒有足夠的把持力,使用過程中磨粒容易脫落、流失,這不但縮短了工具的使用壽命,而且影響加工效率[2,3]。

結合劑的強度通常用抗拉強度表示,材料的抗拉強度由結合劑的組分、結構和密度決定。為了保證磨具的安全使用,選擇足夠強度的結合相是十分必要的。由于磨具在高速旋轉狀態下工作,要產生極大的離心拉應力,因此結合相的強度必須大于這種拉應力,磨具使用才會安全。同時結合劑的強度越高對磨粒的機械鑲嵌力也越高。在制備過程中可以調整結合劑的用量,即磨具的密度,來調整結合劑對磨粒的機械鑲嵌力[4]。

2 把持力力學模型

為了計算化學結合力對實際情況進行的理想化處理,假設在抗拉實驗過程中金剛石強度足夠大,拉伸過程中不斷裂;胎體是均質的;金剛石顆粒視為球體。

圖1 外力作用下磨粒受力模型Fig.1 Force model of abrasives tool sample

圖1所示是不考慮表面附著力的磨粒受力模型。在外力的作用下單個磨粒受力脫離結合劑有兩種形式,一種是外力克服了結合劑對磨粒的表面作用力,即化學結合力和物理附著力,然后脫離結合劑,如圖2所示。另一種是在外力作用下,克服了表面作用力和機械鑲嵌力后脫落,如圖3所示。這兩種情形出現的數量可以通過顯微鏡觀察試驗樣品的斷面來確定。

第一種脫落情況磨粒受力情況如圖2所示。單個顆粒受拉力f1和表面結合力σ1作用。受力平衡方程式如公式(1)所示。

式中:f1—單顆磨粒受力;d—磨粒直徑;σ1—表面結合力。

第二種脫落情況磨粒受力情況如圖3所示。單個顆粒受拉力f2和表面結合力σ1和結合劑的作用力σ2作用。受力平衡方程式如公式2所示。

式中:f2—單顆磨粒受力;d—磨粒直徑;σ1—表面結合力;σ2—結合劑抗拉強度。

圖2 在外力的作用下單個磨粒脫落方式之一Fig.2 The first falling out model of diamond grain

圖3 在外力的作用下單個磨粒脫落方式之二Fig.3 The second falling outmodel of diamond grain

3 把持力的計算

抗拉試驗試樣斷裂時,斷面上的受力平衡方程式如公式(3)所示。推導后得出結合劑對磨粒的化學結合力σ1如公式(4)所示。

式中:n1,n2—磨料顆數;f1,f2—單顆磨粒受力;試樣斷面面積;A0-氣孔面積;σ2—結合劑抗拉強度。

式中結合劑的抗拉強度σ2可以通過結合劑抗拉試驗確定,n1、n2可以通過試驗樣品的斷面顯微鏡圖像分析軟件統計確定。磨粒直徑可以采用粒度試驗計算出的d50值。

4 把持力軟件計算流程

因為本文探討的把持力計算方法為間接法測量,因此計算量很大,為了提高計算的準確性和效率,通過計算機軟件可以輔助實現快捷的數值計算。軟件計算流程如圖4所示。

圖4 把持力計算機計算流程Fig.4 Data flowdiagram of the soft ware

5 結論

本文探討了金剛石工具把持力的測試方法,試圖解決因金剛石工具的把持力無法直接測量帶來的困境。通過對結合劑試樣和磨具試樣的抗拉強度試驗、斷面顯微圖片分析試驗、激光力度試驗,根據建立的陶瓷結合劑對金剛石把持力測試方法的數學模型,可以通過軟件計算出把持力。但是建立在理想化假設基礎上的計算值與實際有偏差,還要通過進一步試驗通過修正系數對理論公式進行修正。

[1] 戴秋蓮,徐西鵬,王永初.金屬結合劑對金剛石把持力的增強措施及增強機制評述[J].材料科學與工程,2002(03).

[2] 郭鐵峰.金剛石表面金屬化方法[J].吉林地質,1995,(04).

[3] 郭然,沈劍云,徐西鵬.金剛石表面鍍覆技術的發展及應用[J].珠寶科技,2003(01).

[4] 高濤,彭偉,姚春燕.金剛石表面處理的應用和發展[J].金剛石與磨料磨具工程,2004(03).

[5] 王明智,王艷輝,關長斌,臧建兵.金剛石表面的T i、M o、W鍍層及界面反應對抗氧化性能的影響[J].復合材料學報,1996(02).

[8] 陳艸凡,呂海波,王四清.石材切割鋸片結合劑中鐵含量對金剛石把持力的影響[J].金剛石與磨料磨具工程,1997(02).