金屬結合劑燒結磨具孔隙度與磨具性能之間關系的探討①

左宏森,趙志偉,張林

(河南工業大學材料科學與工程學院,河南鄭州450007)

金屬結合劑燒結磨具孔隙度與磨具性能之間關系的探討①

左宏森,趙志偉,張林

(河南工業大學材料科學與工程學院,河南鄭州450007)

金屬結合劑超硬材料磨具以其長的使用壽命和更適合于加工硬脆非金屬材料而著稱,但其較低的自銳性和不易修整的特點使其在應用上受到了一定的限制。在分析了燒結型超硬磨具磨削中出現問題的原因之后,通過實驗對磨具性能與熱壓溫度的關系、不同孔隙度對磨具力學性能的影響以及磨料種類的不同在磨具中的作用進行了實驗研究。結果表明,孔隙度增加會降低磨具的硬度與強度,表面鍍覆超硬cBN可以大大改善高孔隙度磨具的結合強度。

磨具;cBN;孔隙度;金屬結合劑

2 金屬結合劑磨具磨削加工過程

普通磨具中,陶瓷結合劑與樹脂結合劑磨具具有較高的磨削自銳性,這與磨具本身的內在結構有直接的關系。普通磨具制造過程中存在所謂的三要素即結合劑、磨料、氣孔,通過三者的合理搭配來生產不同類型不同用途的專用磨具。磨粒在使用過程中經過磨損、破碎、脫落等幾個明顯的過程。磨粒的及時脫落可以保證磨具具有其特有的自銳性。磨粒的脫落是通過結合劑橋的斷裂而實現的,所以氣孔率在此起了重要的作用。磨具中氣孔的存在同樣也有磨削時利于溶屑與排屑,修整時易于修整的優點。

金屬結合劑超硬材料制品具有許多優異的性能,應用領域非常廣泛。作為磨削用的金屬結合劑磨具,為了提高結合劑對金剛石的把持力,氣孔率則相當低,從而避免了價格遠高于普通磨料的超硬磨料過早脫落,這就對結合劑提出更高的要求即既要有較好粘結金剛石或cBN的能力還要能耐適當的磨損。磨具在磨削過程中磨粒之間由于孔隙較少,磨粒不可避免地存在高效磨削過程中磨料不能合理脫落,磨具磨削易堵塞(特別是對脆性差的材料)、磨具自銳性差和修整困難等問題。超硬磨粒的磨損是由磨粒表面磨損—磨粒形成平臺—磨粒表面脆裂—磨粒微刃出現這樣的過程循環進行的,當磨粒平臺較大時,在磨削力的作用下就難以使高強度的磨粒出現新的裂紋,從而導致磨削力大大提高或磨削難以繼續進行,此時超硬磨具就必須進行修銳。而普通結合劑磨具由于磨粒之間有較大的孔洞,結合劑橋結合磨粒的能力相對較弱,所以,當磨粒上承受的力較大時,參與磨削的已變成較大平面的磨粒就很容易脫落下來,使新的磨粒暴露出來繼續參與磨削加工,從而表現出較好的自銳性。超硬磨具要實現好的自銳性必須靠結合劑的適當磨損來實現,這大大地提高了磨具制造的難度,也是到目前為止影響金屬結合劑磨具應用的其中一個主要方面。

3 實驗過程

3.1 實驗原材料及儀器設備

金屬粉末:Cu、Co、Sn、Zn、Pb、A g粒度-400,純度不小于99.8%。

磨料:cBN 100/120。

主要實驗設備:RYJ-2000K型燒結機;CM T 4504型微機控制電子萬能試驗機。

3.2 實驗方案

試驗試樣尺寸:40×5×5

熱壓參數:T燒=620℃～700℃;熱壓保溫時間5min;每模熱壓6個試樣,熱壓壓力9M Pa。

試驗過程:原材料—配混料—真空熱壓成型—測試樣塊孔隙度和力學性能—試樣加cBN熱壓—重新檢測樣塊孔隙度與力學性能—顯微鏡觀察表面磨料結合程度。

4 結果與討論

4.1 相同孔隙度時不同熱壓溫度對試樣性能的影響

在孔隙度增大的情況下,燒結制品最明顯的問題是產品強度的下降。圖1為在孔隙度10%時熱壓溫度不同對試樣抗折強度的作用。

圖1 熱壓溫度與試樣抗折強度的關系Fig.1 Relationship between the hot-pressing temperature and bending strength of the sample

圖1明顯表明溫度高與低對孔隙率一定的燒結體的作用影響符合常規燒結規律,溫度過低,燒結合金化作用低,燒結不完善,孔隙形狀不規則,在受力過程中抵抗外力的能力差,容易出現應力集中裂紋擴展的問題,所以強度會比較低。溫度過高時,在相同的熱壓工藝條件下,液相量增加,液相流動性提高,高溫受力時液相容易流失,燒結合金晶體開始長大,從而不利于強度的提高。

4.2 孔隙度變化時對試樣力學性能的作用程度

圖2是在熱壓溫度670℃時不同孔隙含量對試樣抗折強度與硬度的影響。從圖2明顯可以看到孔隙度的多少對試樣強度和硬度影響較大。對硬度的影響可以簡單解釋為孔隙含量增加后硬度實際測量時試樣有效承載面積減少造成的。強度的變化同硬度變化規律是一致的,孔隙度越高,強度下降越明顯。

圖2 孔隙度對抗折強度與硬度的影響Fig.2 The influence of porosity on bending strength and hardness

4.3 cBN品種對多孔試樣力學性能的影響

在孔隙度增大的情況下,強度下降是不利于磨具使用的,通過調整配方和工藝可以進行適當的改善。表1為使用表面鍍覆鎳的cBN使用前后試樣的強度改善情況。

(1)隨著磨具內孔隙度的增加,由于結合劑有效結合面積減少的原因將導致磨具強度與硬度明顯降低;

(2)為防止因孔隙度增加磨料過早脫落利用率下降的問題,可以使用表面鍍覆金屬的磨料,可明顯強化磨料與結合劑的結合面,提高磨具的抗拉強度。

表1 采用表面鍍覆鎳的cBN前后試樣抗折強度對比Table1 Bending strength of the samples before and after cBN coated with Ni

圖3、圖4為試樣的表面結構放大圖。使用表面鍍金屬的磨料后,磨料與結合之間沒有明顯的分界面,結合牢固程度提高,可適當彌補孔隙度增大對磨具強度的不利影響。

從表1中可以看出,使用表面鍍覆鎳的cBN對提高高孔隙度磨具試樣的強度還是很明顯的,鍍覆鎳cBN的采用一是能提高燒結時液相成分對磨料的潤濕性,另一方面通過表面鍍覆的金屬加強了磨料與結合劑的結合面積,其過程如圖5示意。

圖3 未鍍覆鎳cBN的試樣表面形貌(50×)Fig.3 The surface topography of the sample without coated cBN

圖4 表面鍍覆鎳cBN的試樣表面形貌(50×)Fig.4 The surface topography of the sample with coated cBN

圖5 采用鍍覆磨料前后磨具結構狀態比較Fig.5 The structure of grinding tool before and after using coated abrasive

5 結論

[1] 黃培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工業出版社,2004.

[2] 修世超,蔡光起,李長河.砂輪特性參數對磨削性能的影響規律及其研究進展[J].工具技術,2004(7).

[3] 奚正平,湯慧萍,等.金屬多孔材料力學性能的研究[J].稀有金屬材料與工程,2007.36(3):554-557.

[4] 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,2002.20(3):465-468.

[5] R.Snoeys,M.Maris,J.Pcters.Therm ally induced dam age in grinding[J].Annals of the CIRP,1978,27(2).

[6] 廖翠姣,戴秋蓮,駱燦彬.金屬結合劑金剛石多孔砂輪的試驗研究(Ⅰ)[J].金剛石與磨料磨具工程,2006(8):21-25.

Relation ship between the properties and porosity of metal bond sintering grinding too ls

ZUO Hong-sen,ZHAO Zhi-wei,ZHANG Lin
(College of Materials Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

The metal bond ultra hard grinding tool is famous for long service life and sui Table form achining hard and brittle materials.Bu t its application has been limited for weakly self-sharpening and difficulty dressing.By experiment,the relationship between the properties of grinding tools and hot-pressing temperatures,the influence of porosity on mechanical properties of grinding tools and the effect of virous abrasive on the tools are studied in the paper.The results show that hardness and strength of grinding tools can bedecresed with increasing porosity,the coated cBN abrasive could also be used to improve bonding strength of grinding tools with high porosity.

grinding tools;CBN;porosity;metal bond

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0013-03

1 前言

作為磨削加工用的磨具按常規有普通磨具和超硬磨具之分。普通磨具由于使用剛玉與碳化硅作為磨料,磨料強度相對較低,磨料的耐用度較超硬磨料差,磨具制造過程中均保持有較高的孔隙率。以金剛石和cBN為磨料的超硬磨具正好相反,所用磨料強度與耐磨性高,為了適合超硬磨料的高耐磨性,磨具中的孔隙率自然要比普通磨具低得多,特別是使用強度較高磨料的金屬結合劑磨具。對于兩種類型的磨具,由于原材料不同,設計思路存在明顯的差別。金屬結合劑磨具在制造過程中為了保證超硬磨料的充分使用,磨具內部的孔隙率較少,從而也形成了金屬結合劑磨具在磨削加工中壽命長但鋒利度不夠和修整困難的問題。本文從磨具內部結構分析金屬結合劑磨具中氣孔率存在的利與弊,并通過實驗對其進行了實驗比較。

2010-08-05

左宏森(1963-),男,河南工業大學超硬材料與磨料磨具系主任,副教授,主要從事超硬材料及制品的教學與研究。email:hongsen-zuo@haut.edu.cn