金剛石磨粒與藍寶石接觸形式對其磨損性能的影響

吳海勇， 黃輝， 徐西鵬

(1. 華僑大學 制造工程研究院， 福建 廈門 361021；2. 漳州職業技術學院 機械與自動化工程系， 福建 漳州363000)

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金剛石磨粒與藍寶石接觸形式對其磨損性能的影響

吳海勇1，2， 黃輝1， 徐西鵬1

(1. 華僑大學 制造工程研究院， 福建 廈門 361021；2. 漳州職業技術學院 機械與自動化工程系， 福建 漳州363000)

摘要：利用單顆金剛石磨粒劃擦藍寶石工件，跟蹤檢測磨粒以點、線、面等三種接觸形式劃擦藍寶石過程中的磨損體積、表面形貌、劃擦力與力比等的磨損變化特征.研究結果表明：接觸方式對金剛石磨粒的耐磨性具有顯著的影響，三種情況下都可在金剛石后部觀察到片狀解理形貌；磨損的加劇使金剛石磨粒劃擦力與力比出現一定程度的減小.

關鍵詞：單顆金剛石； 劃擦； 接觸類型； 磨損； 磨粒； 藍寶石

金剛石工具在使用過程中，磨粒與工件之間不斷產生摩擦、耕犁和劃擦作用，產生不同程度的磨損，磨粒的磨損改變了金剛石磨粒切削加工的幾何形態，從而改變了工件的加工表面質量，以及工具的使用壽命.研究者在對金剛石工具形貌的觀察中發現加工過程中，金剛石磨粒的形貌主要有完整、微觀破碎、宏觀破碎、脫落、磨平等類型[1-4].為了進一步理解金剛石磨粒的磨損過程，學者提出了單顆磨粒劃擦的研究方法，主要是利用圓錐形單顆金剛石磨粒工具(洛氏金剛石壓頭)劃擦工件，研究不同試驗參數對磨粒磨損的影響[5-7].然而，實際使用的金剛石磨粒工具中磨粒的形狀并非為圓錐形，固結在磨具中磨粒形態各異，使得磨粒與工件的接觸形式也各不相同，大致可分為點接觸、線接觸和面接觸等三種類型[8].因此，本文通過單顆金剛石磨粒劃擦藍寶石試驗，跟蹤金剛石磨粒劃擦過程中的磨損體積、磨損形貌及劃擦力，比較分析接觸形式對金剛石磨粒磨損性能的影響規律.

1試驗條件

1.1劃擦試驗

單顆金剛石磨粒劃擦藍寶石的機械磨損試驗在自主搭建的精密劃擦試驗機上開展，如圖1所示.藍寶石工件通過石蠟粘貼固定在機床主軸的載物鋁盤上；釬焊著金剛石磨粒的不銹鋼螺帽通過螺紋連接安裝在夾具中；測力儀固定在直線電機上，而直線電機通過龍門架帶動測力儀和金剛石磨粒作橫向進給運動；金剛石磨粒通過固定在夾具中的套管型微分頭控制.

試驗使用元素六金剛石有限公司生產的磨料級單晶金剛石制備單顆金剛石磨粒工具，金剛石為SDB1125品級，尺寸為20/30目，粒徑大小為0.60～0.85 mm，選用晶形完好的金剛石，其晶體形態為立方八面體，利用釬焊的方式固定在基體上，如圖2所示.從圖2可以看出：釬料較好地固結把持住金剛石磨粒，金剛石磨粒具有較好出露高度.從圖2的俯視圖中還可以看出，金剛石磨粒的{111}晶面完整裸露在磨粒頂部，試驗時金剛石磨粒頂部正對朝向劃擦切削加工弧區.

(a) 劃擦試驗裝置圖　　 (b) 試驗裝置框架示意圖圖1　試驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of experimental setup

(a) 金剛石磨粒　　　　　　　　　　　(b) 側視圖　　　　　　　　　　　(c) 俯視圖圖2　試驗采用的金剛石磨粒及釬焊后金剛石磨粒工具Fig.2　Diamond grit and the brazed single diamond grit tool used in the test

試驗采用厚度為0.7 mm、直徑為100 mm的藍寶石晶圓(成分為單晶氧化鋁)，其密度為3.7 g·mm-3，熔點為2 045 ℃，沸點為3 000 ℃，拉伸強度為0.2 GPa，莫氏硬度為9，剪切模量為90.16 GPa.選用藍寶石的C面，即(0001)晶面作為金剛石磨粒劃擦切削面，劃擦表面經化學機械拋光后，表面粗糙度為10 nm.

主要研究金剛石磨粒不同接觸形式下的磨損，根據設備的實際工況和前期試驗探索，選擇劃擦速度為4 m·s-1，劃擦深度為0.02 mm.試驗時，藍寶石處于靜止狀態，通過直線電機控制磨粒劃擦藍寶石的運動形式，劃擦20 mm的工件長度后，金剛石磨粒退出到藍寶石晶圓外，重復劃擦試驗.每間隔一定的劃擦長度后，卸下金剛石磨粒，將金剛石磨粒放置在無水乙醇中利用超聲清洗20 min，再進行顯微形貌的觀察和磨損體積的檢測.之后重復劃擦試驗工作，直至金剛石磨粒完全磨損，劃擦過程中無冷卻液.

金剛石磨粒以不同接觸方式劃擦藍寶石的運動形式，如圖3所示.雖然試驗中金剛石磨粒的接觸方式不同，但均保證金剛石的{100}晶面向前首先接觸工件.經過多次重復劃擦試驗，并選取典型金剛石磨粒進行分析.

(a) 點接觸　　　　　　　　　(b) 線接觸　　　　　　　　(c) 面接觸　　圖3　不同接觸方式劃擦藍寶石的運動形式Fig.3　Movement form of diamond grit scratching on sapphire with different contact type

1.2測試方法

1.2.1顯微形貌金剛石磨粒的磨損顯微形貌利用臺式掃描電鏡FEI Phenomprox進行觀察.為了便于分析金剛石磨粒的磨損形貌及其特征，觀察金剛石磨粒的磨損形貌時，位置均統一將金剛石切入方向置于觀察視野的右邊.

1.2.2磨損體積利用激光共聚焦顯微鏡Carl Zeiss LSM 700系統測量金剛石磨粒體積，金剛石磨粒安裝在專用夾具上以保證每次測量金剛石磨粒的同一視場，每次測量采用同一放大倍數(×20)和同一疊加景深(0.005 mm)進行檢測，測量3次取其平均值作為金剛石磨粒體積.同時，利用激光共聚焦顯微鏡測量工件材料的去除體積.

1.2.3劃擦力與劃擦力比采用Kistler 9119AA2型測力儀，采樣頻率為50 kHz，所采集力信號通過多通道電荷放大器Kistler 5080進行放大，并利用Kistler DAQ for DynoWare Type 5697型數據采集系統采集力信號.最后，通過計算機處理所采集的力信號.劃擦切向力與法向力之比即為劃擦力比.

2試驗結果

2.1磨損體積與磨損率

測試不同接觸形式下的工件材料去除總體積(Qw).結果表明：在點、線、面三種接觸形式下，金剛石磨粒的工件材料去除總體積分別達到0.360，0.465，2.132 mm3.在工件材料去除總體積方面，面接觸金剛石磨粒最多，線接觸金剛石磨粒次之，而點接觸金剛石磨粒最少.可見，相比于點、線接觸形式，面接觸時金剛石磨粒的耐磨性明顯高出許多.

(a) 初始三維形貌 (b) 磨損后三維形貌圖4　金剛石劃擦藍寶石磨損的三維顯微形貌Fig.4　3D wear topography of diamond scratches on sapphire

以線接觸金剛石磨粒為例，通過激光共聚焦顯微鏡測得金剛石磨粒的三維顯微形貌，如圖4所示.圖4(a)為金剛石磨粒劃擦工件前的初始三維顯微形貌，圖4(b)為劃擦0.465 mm3工件材料體積后的三維顯微形貌.利用激光共聚焦系統自帶軟件可計算得到兩種不同狀態下磨粒的體積,分別為Qd0和Qdn.由于選擇相同檢測基準面，因此金剛石磨損體積Qd的計算式為

不同接觸形式下金剛石磨粒劃擦藍寶石的磨損體積變化特征,如圖5所示.從圖5可知:不同接觸形式下,金剛石磨粒的磨損體積變化趨勢是各異的.點、線接觸金剛石磨粒的磨損體積與工件材料去除體積基本呈線性增加的趨勢.面接觸金剛石磨粒的磨損體積變化可分為三個階段：在劃擦前期，金剛石磨粒的磨損體積快速增加，此為初期磨損；其后磨粒的磨損體積變化極為緩慢，大部分材料在此階段被去除，此為穩定磨損階段；最后，磨粒的磨損量迅速增加，直至金剛石磨粒完全失效，這個階段為劇烈磨損階段.

(a) 點接觸　　　　　　　　　　　(b) 線接觸　　　　　　　　　　　(c) 面接觸圖5　不同接觸形式金剛石磨損體積變化Fig.5　Wear volume change of diamond with different contact types

2.2磨損形貌

點接觸金剛石磨粒的磨損形貌變化，如圖6所示.圖6(a)為金剛石磨粒的初始形貌.從圖6(b)可知:磨粒的磨損首先出現在磨粒的后部，表現為片狀的解理，同時磨粒頂部點接觸部分產生破碎和沿〈110〉晶向延伸的裂紋.從圖6(c)可知:隨著工件材料去除體積的增加，磨粒的前端發生破碎.從圖6(d)可知:最終磨粒失效的表面可以觀察到片狀解理的形貌.

(a) Qw=0 mm3 (b) Qw=0.18 mm3 (c) Qw=0.27 mm3 (d) Qw=0.36 mm3圖6　點接觸金剛石磨粒的磨損形貌Fig.6　Wear morphology of diamond grit with point contact type

線接觸金剛石磨粒磨損形貌變化,如圖7所示.圖7(a)為金剛石磨粒的初始形貌.從圖7(b)可知:金剛石磨粒的磨損同樣是先出現在磨粒的后端，并且依舊可以觀察到沿〈110〉晶向的裂紋.從圖7(c)可知:隨著工件材料去除體積的增加，磨粒的磨損加劇，特別是磨粒后端呈現明顯的破碎形貌，其中在磨損初期產生的裂紋依舊能清楚地觀察到.

(a) Qw=0 mm3　 (b) Qw=0.186 mm3 (c) Qw=0.465 mm3圖7　線接觸金剛石磨粒的磨損形貌Fig.7　Wear morphology of diamond grit with line contact type

面接觸金剛石磨粒的磨損形貌變化,如圖8所示.圖8(a)為金剛石磨粒的初始形貌.從圖8(b)可知:金剛石磨粒在劃擦過程中首先在切刃處產生少量的破碎，其破碎程度隨著加工過程的進行而逐漸增加(圖8(c))，金剛石的整體形貌并無明顯變化.對照圖5可以看出，此時金剛石磨粒處于穩定磨損階段.從圖8(d)可知:到了劇烈磨損階段，金剛石發生了大面積的斷裂.值得注意的是，金剛石磨粒的前部多為破碎，而后部可以觀察到片狀解理面.

(a)Qw=0 mm3 (b) Qw=0.492 mm3 (c) Qw=1.64 mm3 (d) Qw=2.132 mm3圖8　面接觸金剛石磨粒的磨損形貌Fig.8　Wear morphology of diamond grit with plane contact type

綜上分析可見，點、線、面接觸金剛石磨粒劃擦藍寶石時，金剛石磨粒的失效多為破碎和片狀解理，并且都是首先在其后部產生大面積片狀解理.此外，點、線接觸形式都產生了沿〈110〉晶向的裂紋.

2.3劃擦力與劃擦力比

金剛石磨粒橫向直接劃擦藍寶石，垂直于劃擦方向的力為法向力，符號表示為Fn；平行于劃擦方向的力為切向力，符號表示為Ft.劃擦力比ε可具體表達為

金剛石磨粒劃擦藍寶石所測試得到的力信號，如圖9所示.從圖9可見：切向力和法向力均出現了一定范圍內的振蕩(圖9(a))，通過移動平均法對力信號進行平滑處理，移動平均窗口值為100，經平滑處理后的切向力和法向力較為平穩(圖9(b)).因此，取經相同平滑處理后的力信號的穩定值作分析.

(a) 原始力信號 (b) 平滑處理后的力信號圖9　金剛石磨粒劃擦藍寶石的劃擦力特征Fig.9　Force signals characteristics of diamond grit scratching on sapphire

在不同接觸形式下，金剛石磨粒劃擦藍寶石的切向力和法向力變化趨勢圖，分別如圖10,11所示.由圖10,11可見：點、線接觸方式下的劃擦力幅值略小于面接觸情況下的劃擦力.點、線接觸時金剛石磨粒的切向力和法向力均隨著磨損的加劇呈逐漸減小趨勢，這與圖5金剛石磨粒的磨損體積變化較為符合.面接觸金剛石磨粒在劃擦初期和穩定磨損階段，劃擦切向力和法向力基本在一定范圍內波動變化；在劇烈磨損階段，劃擦力出現一定幅值的下降.

(a) 點接觸　　　　　　　　　　　(b) 線接觸　　　　　　　　　　　(c) 面接觸圖10　金剛石劃擦藍寶石的切向力變化趨勢圖Fig.10　Tangential force change trend chart of the diamond scratching on sapphire

(a) 點接觸　　　　　　　　　　　(b) 線接觸　　　　　　　　　　　(c) 面接觸圖11　金剛石劃擦藍寶石的法向力變化趨勢圖Fig.11　Normal force change trend chart of the diamond scratching on sapphire

金剛石磨粒劃擦藍寶石的力比分析，如圖12所示.從圖12可知：點、線、面接觸金剛石磨粒的劃擦力比基本在0.3～0.6范圍內波動變化.點、線接觸金剛石磨粒的劃擦力比基本呈快速減小趨勢.面接觸金剛石磨粒劃擦力比在劃擦初期和穩定磨損階段在一定范圍內變化，在劇烈磨損階段快速減小.

結合圖5和圖8可以看出：對于面接觸形式，當金剛石磨粒發生大面積破碎時，其力比與點、線接觸形式一樣，都呈現下降的趨勢.

(a) 點接觸　　　　　　　　　　　(b) 線接觸　　　　　　　　　　　(c) 面接觸圖12　金剛石劃擦藍寶石的力比Fig.12　Force ratio of diamond scratching on sapphire

3分析與討論

(a) 點接觸

(b) 線接觸　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(c)面接觸圖13　不同接觸類型金剛石磨粒劃擦理論模型Fig.13　Theoretical model for diamond scratching with different contact types

金剛石磨粒的磨損與劃擦過程中受力變化密切相關.單顆金剛石磨粒在劃擦過程中可簡化為一懸臂梁結構[4，9]，如圖13所示.磨粒受到釬料的把持力Fbond以及劃擦過程中的切向力和法向力等的共同作用，切向力和法向力的合力F合力與Fbond相互平衡.劃擦合力F合力作用在磨粒上形成彎曲扭矩Mb，其大小由磨粒出露高度h和F合力共同決定.結合圖10,11可知：點、線接觸時的切向力和法向力小于面接觸形式的劃擦切向力和法向力，這是由于點、線接觸形式時，金剛石磨粒與工件的接觸面積小于面接觸時的接觸面積，在相同切深時，接觸面積越大，則磨粒去除工件材料的體積就會越大，從而增大了磨粒的劃擦力.因此，面接觸形式時，金剛石磨粒的劃擦切向力和法向力均大于點、線接觸時的劃擦切向力和法向力.

由模型可見，磨粒所受的切向力與懸臂梁相垂直，對懸臂梁產生剪切力矩，從而形成對磨粒的剪切作用；法向力與懸臂梁相平行，雖然對懸臂梁不產生力矩作用，但產生了軸向壓縮作用.金剛石磨粒在劃擦過程中，劃擦方向前部由于磨粒與工件反復的摩擦和切削作用，受到較多與劃擦方向相平行的切向力，形成對磨粒的剪切作用.劃擦方向后部則主要受到已切削工件表面和切屑對磨粒擠壓的法向力，形成對磨粒的擠壓作用.文獻[9]也論述了金剛石磨粒內部前端的內應力以剪切應力為主，而后端的內應力以壓縮(或拉伸)應力為主.由于藍寶石工件以脆性方式被去除，磨粒前部表現為沖擊剪切作用，而磨粒后部則受到持續的壓縮作用下，持續的壓縮應力一旦超過相應晶面的抗壓強度，磨粒在后部隨即產生較大面積的斷裂和破碎.

點、線接觸的劃擦力略小于面接觸的劃擦力，而磨粒與工件的接觸面積卻遠小于面接觸形式的接觸面積.由于磨粒內部的應力取決于磨粒所受到的劃擦力及其受力面積，因此，點、線接觸和面接觸在劃擦法向力和接觸面積上的差異，導致了點、線接觸金剛石磨粒內部應力大于面接觸金剛石磨粒的內部應力.從而導致點、線接觸金剛石磨粒在劃擦接觸區域更快形成裂紋和破碎，裂紋的形成和擴展破壞磨粒的整體性和強度，使磨粒快速磨損，而裂紋大多沿〈110〉晶向延伸，文獻[10-11]也描述了沿〈110〉晶向受到壓縮(或拉伸)變形而更易產生斷裂.因此，面接觸金剛石磨粒比點、線接觸金剛石磨粒更耐磨.

4結論

1) 金剛石磨粒與工件的接觸形式對金剛石的磨損有著顯著的影響，面接觸時金剛石磨粒的耐磨性會明顯好于點、線接觸時的耐磨性.

2) 雖然接觸形式不同，但是金剛石磨粒首次發生大面積斷裂的位置都是在磨粒的后部；在點、線接觸情況下在金剛石磨損面上可以看到明顯的裂紋.

3) 金剛石磨粒以點、線劃擦藍寶石工件時，其劃擦力小于面接觸時的劃擦力.劃擦力的變化與金剛石的磨損有著密切的關系，不同接觸形式下，金剛石的劃擦力都隨著加工過程的進行而減小.

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(責任編輯： 黃仲一英文審校： 楊建紅)

Influence of Contact Type on Diamond Wear During Scratching on Sapphire

WU Haiyong1，2， HUANG Hui1， XU Xipeng1

(1. Institure of Manufacturing Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；2. Department of Mechanical Engineering and Automation， Zhangzhou Institute of Technology， Zhangzhou 363000， China)

Abstract：Single diamond abrasive grits are employed to scratch on the workpiece of sapphire. Wear variation characteristics such as wear volume， surface morphology， scratching forces and force ratios are tested during diamond grits scratching on sapphire with three contact types of point, line and plane. The results show that the contact type has obvious impact on the wear resistance of diamond grit. Lamellar cleavage morphology is detected at the back of diamond grit with the three contact types. The scratching forces and force ratio appear to decrease with the increasing wear of the diamond.

Keywords：single diamond； scratching； contact type； wear; abrasive grit; sapphire

中圖分類號：TH 117

文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375179， 51235004)

通信作者：黃輝(1974-)，男，教授，博士，主要從事高效精密加工和脆性材料加工技術的研究.E-mail:huangh@hqu.edu.cn.

收稿日期：2016-03-30

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.03.0261

文章編號：1000-5013(2016)03-0261-07