燒結磨輪用銅基釬料真空預釬焊金剛石的性能研究①

夏斯偉，馬若飛，段端志，李文杰

（1.南京航空航天大學機電學院，南京 210016；2.蘇州南航騰龍科技有限公司，蘇州 215163）

0 前言

在燒結金屬結合劑金剛石工具中，磨粒主要依靠胎體的機械包鑲力把持，由于機械把持強度低，實際加工中大量磨料未充分使用即脫落，造成了磨粒的浪費。當前提高結合劑對磨料把持力的方法主要有兩種，即在胎體中添加或在金剛石表面鍍覆Ti、Cr等活性元素。但由于熱壓燒結工藝條件的限制，實際活性元素與金剛石之間反應并不充分，導致磨粒與胎體間結合界面與理想的化學冶金結合效果仍存在較大差距［1］。

借鑒釬焊金剛石工具制造工藝，宋立明等［2］采用Ni－Cr合金釬料對金剛石預釬焊處理，在金剛石表面生成了預釬焊金屬層。燒結條件下釬焊層Ni元素在胎體中發生擴散遷移，實現了界面間高強把持效果。但由于鎳基釬料釬焊溫度在1000℃以上，對金剛石仍會產生一定的熱損傷，且由于鎳基釬料較耐磨，一定程度上影響了工具的鋒利度。

Cu－Sn－Ti合金釬料熔點較低，且對金剛石磨粒有良好的潤濕釬焊效果［3］，釬焊處理時金剛石受熱損傷程度小，同時釬料強度適宜。本文使用Cu－Sn－Ti合金釬料對金剛石預釬焊進行處理，采用燒結工藝制作預釬焊磨輪，并與常規磨輪進行加工對比試驗，驗證了銅基預釬焊處理的優越性。

1 試驗材料及工藝方案

1.1 試驗材料及設備

試驗材料：選用Cu－Sn－Ti合金（－80目）及某些金屬粉末，如表1所示。磨粒選用50／60～70／80目金剛石（黃河旋風HWD60／HWD40系列）。

表1 試驗用金屬粉末主要性能Table 1 Main properties of the metal powders used in the experiment

試驗設備：氬氣保護高頻感應設備、真空釬焊爐、熱壓燒結機、磨耗比測定儀等。

1.2 試驗方案

（1）利用高頻感應設備對金剛石磨粒進行預釬焊處理，根據金剛石磨粒預釬焊效果及力學性能測試選擇合適的隔離劑，并通過真空爐中釬焊驗證釬焊形貌效果。

（2）采用常規、銅基預釬焊和A－鎳基預釬焊磨粒［2］制作節塊，并進行磨耗比測定試驗。對預釬焊磨粒與結合劑界面理化分析，分析預釬焊處理對胎體把持能力的影響。

（3）制作常規及預釬焊金剛石磨輪，由磨削G635對比試驗，分析預釬焊磨輪性能。

2 試驗結果及分析

2.1 銅基合金真空預釬焊金剛石

（1）隔離劑的選擇

陶瓷氧化物熔點高，性能穩定，應用在鎳基釬料真空預釬焊金剛石時，可使磨粒間有效地相互隔離，但應用于銅基釬料預釬焊金剛石時隔離效果很差，由于銅基釬料在高溫下充分鋪展潤濕，隔離劑被焊料包裹在金剛石表面，形成絮狀物質，無法清除。此外，銅基釬料中活性Ti元素會與氧化物陶瓷發生反應形成釬焊連接［4］，故陶瓷氧化物不適合用作銅基釬料預釬焊金剛石的隔離劑。

在金剛石表面包裹銅基釬料后，再在外層分別包裹B、C、D等金屬粉末，利用氬氣保護高頻感應設備進行預釬焊處理，結果顯示磨粒間均不成團，隔離效果良好。

分別采用上述三種金屬粉末做隔離劑，在加熱溫度930℃的條件下進行真空爐中預釬焊處理，制成銅基預釬焊磨粒。其中采用B粉、C粉做隔離劑的磨粒均有一些相互粘連。而采用D粉做隔離劑的磨粒無粘連，表明D粉應用于銅基釬料預釬焊金剛石時有良好的隔離效果，如圖1所示。

圖1 銅基預釬焊金剛石形貌（D粉作隔離劑）Fig.1 Morphology of the pre－brazed diamond abrasive using D powder as isolation agent

（2）預釬焊磨粒力學性能分析

對以上銅基預釬焊磨粒力學性能測試如圖2所示。相對于原始金剛石，銅基預釬焊金剛石整體上力學性能損失比較小。這是由于銅基預釬焊金剛石的加熱溫度降低，并且選用了合適的隔離劑，減弱了高溫下磨粒的熱損傷所致。選用D粉做隔離劑的銅基預釬焊金剛石比原始抗壓強度下降僅5.0%，沖擊強度比原始下降7.3%。

圖2 金剛石磨粒力學性能Fig.2 Mechanical properties of the diamond abrasive grains

該磨粒具有良好的預釬焊表面形貌，同時保持了較好的綜合強度，不會因力學性能下降對后續磨削加工產生實質影響。綜上，選擇D粉做隔離劑的銅基預釬焊磨粒制作節塊及預釬焊磨輪，并進行對比分析。

2.2 節塊磨耗比測試分析

為分析預釬焊磨粒與胎體間結合強度，使用常規及預釬焊磨粒，采用燒結工藝制成節塊（40.0×8.0×3.2）。金剛石濃度均為45%，通過控制包裹膠的黏度分別得到釬焊層較薄、較厚的銅基預釬焊磨粒。磨耗比測試參照JB／T 3235－1999標準，機器為恒定時間控制方式。比較節塊磨耗比隨金剛石種類變化，如圖3所示。

圖3 不同磨粒節塊磨耗比Fig.3 The G－ratio of the diamond segments

相同胎體配方及金剛石濃度下，預釬焊磨粒節塊耐磨性顯著高于常規磨粒節塊。鎳基預釬焊節塊比銅基預釬焊節塊耐磨，同時包裹較厚的銅基預釬焊磨粒節塊比包裹較薄的節塊耐磨。由于常規磨粒與胎體間主要依靠機械包鑲結合，結合強度低。而預釬焊磨粒節塊結合強度提高，推測界面間形成了化學冶金結合，后續將通過理化分析驗證。

2.3 預釬焊磨粒與胎體界面分析

將銅基預釬焊磨粒與胎體粉末均勻混合，經燒結制成磨輪節塊。制作節塊斷面，使用S3400型掃描電鏡對磨粒與胎體結合界面進行形貌及線掃描分析。

由圖4可見，銅基預釬焊金剛石與胎體界面層存在明顯的元素擴散結合層，碳化物元素鈦在界面層出現明顯的波峰，相關研究［5］已表明鈦在結合界面處依靠原子擴散發生化學反應，生成TiC。鐵與鈦有著相同的變化趨勢，鐵元素向界面層偏聚。銅元素與鐵元素出現了互補的趨勢，向胎體層中擴散。表明銅基釬料在金剛石表面潤濕后，通過熱壓燒結實現了胎體成分與釬料間的擴散冶金結合。

圖4 銅基預釬焊磨輪節塊斷口及線掃描Fig.4 Interfacial microstructure and element distribution of the pre－brazed diamond wheel block with Cu－Sn－Ti alloy

2.4 預釬焊處理對磨粒的熱損傷影響

由于銅基釬料與磨粒界面生成物TiC能溶于強酸中［6］，使用王水在煮沸的條件下對銅基預釬焊磨粒進行腐蝕，去除磨粒表面生成物，去除生成物后的金剛石如圖5所示。由圖可見，磨粒晶型完整，刃口棱角清晰。

圖5 王水腐蝕后銅基預釬焊金剛石形貌Fig.5 Morphology of the pre－brazed diamond grains etched by the aqua regia

從表2所知，銅基預釬焊磨粒腐蝕后抗壓強度比原始金剛石僅下降4.3%。表明銅基預釬焊處理對磨粒所造成的熱損傷小，有利于在保證磨粒磨削性能前提下，實現胎體金屬對磨粒的高強度把持，具有多層釬焊效果。

表2 腐蝕銅基預釬焊磨粒前后強度對比Table 2 Compressive strength of the pre－brazed diamond grains before and after corrosion

3 常規及預釬焊磨輪對比試驗

3.1 試驗平臺

采用常規、A－鎳基［2］及銅基預釬焊磨粒制作法國邊燒結磨輪，金剛石濃度為45%，粒度組成50／60∶60／70∶70／80＝40%∶40%∶20%。

加工材料為G635板材（2300mm×20mm）。

試驗平臺為SYM－10I石材磨拋機，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法國邊加工，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。

3.2 磨削試驗結果分析

試驗通過加工鋒利度及壽命指標考察不同磨輪的加工性能。鋒利度對應行走電機電流，加工壽命定義為磨削一定長度板材后，磨輪節塊大端尺寸損耗量。

三種燒結磨輪加工性能如圖6所示，由圖可知預釬焊磨輪加工性能明顯優于常規磨輪，加工效率及加工壽命均比現有常規磨粒磨輪提高。其中鎳基預釬焊磨輪磨損率最低，表明鎳基預釬焊磨輪最耐磨，這是由于鎳基釬料耐磨，且鎳基釬料與金剛石間結合強度高，胎體對磨粒把持強度提高后，磨粒脫落率降低所致。

銅基預釬焊磨輪加工電流最小，即鋒利度最好。這是由于銅基預釬焊處理對磨粒力學性能損傷小，同時銅基釬料強度適中。銅基預釬焊對磨粒刃口包埋程度比鎳基預釬焊磨粒小，使磨粒在切削刻劃巖石過程中逐步磨損并不斷發生微破碎，磨粒易出刃，所以鋒利度提高。綜上分析，銅基預釬焊處理在有效增強胎體對磨粒把持強度的基礎上，同時提高了磨輪加工效率，表明銅基預釬焊磨粒相對鎳基預釬焊具有更好的應用效果。

圖6 常規與預釬焊磨輪加工性能對比Fig.6 Comparison of the grinding performance between the pre－brazed diamond wheels and conventional diamond wheels

4 結論

（1）選用D粉做隔離劑的銅基預釬焊處理在保證對金剛石磨粒良好釬焊效果的基礎上，對磨粒所造成的熱損傷小，力學性能損失小。

（2）預釬焊磨粒與胎體之間結合強度高于常規金剛石磨粒。銅基預釬焊金剛石與胎體界面結合致密，通過釬料及胎體中的元素擴散形成了牢固的化學冶金結合。

（3）預釬焊磨輪加工效率及加工壽命均明顯優于常規磨粒磨輪，且銅基預釬焊磨輪加工效率更高，綜合加工性能更好。

［1］蘇宏華，徐鴻鈞，傅玉燦，肖冰.多層燒結超硬磨料工具現狀綜述與未來發展構想［J］.機械工程學報，2005，41（3）：12－16.

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［6］陳燕.高溫釬焊金剛石磨料熱損傷分析及其控制對策的基礎研究［D］.南京：南京航空航天大學，2008.