新型銅基結合劑金剛石磨邊輪磨削性能的研究

吳　穎

(四川文理學院物理與機電工程學院， 四川　達州　635000)

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新型銅基結合劑金剛石磨邊輪磨削性能的研究

吳穎

(四川文理學院物理與機電工程學院， 四川達州635000)

在新型銅基結合劑CSF中添加Fe、Cr、Mo等粉末，采用真空熱壓法和高頻焊接法制成金剛石磨邊輪，通過掃描電鏡觀察其顯微組織，將該磨邊輪應用于磨削陶瓷磚、花崗巖和大理石等不同材料，研究其磨削性能.結果表明，由CSF結合劑燒結的金剛石磨邊輪組織致密，可完成對陶瓷磚、花崗巖、大理石等材料的磨削.通過對比可知，該磨邊輪更適合應用于陶瓷磚的加工，在磨削陶瓷磚時磨邊輪刀頭的磨損與材料的磨損保持較好匹配，磨邊輪的耐磨度更大、鋒利度更高，表現出優異的磨削性能，使用壽命長于普通Cu-Sn-Co基體金剛石磨邊輪.

銅基結合劑；金剛石磨邊輪；磨削性能；顯微組織

金剛石工具被廣泛應用于脆硬材料的磨削、切割及拋光等場合[1，2].金屬結合劑對金剛石的固著把持直接影響金剛石工具的性能和使用壽命.當前較普遍的金剛石工具有金屬基結合劑，如銅基、鈷基結合劑[3，4].金屬結合劑中Fe、Mo、Cr等高熔點金屬易與金剛石形成化學冶金結合，可強化結合劑對金剛石的把持力[5，6].有學者的前期實驗表明，由新型銅基結合劑CSF燒結而成的金剛石工具具有較好的使用性能，特別是在其中添加Mo、Cr等元素后，更能顯著提升結合劑對金剛石的把持力[7-9].本文在此基礎上利用混合有合金粉末的CSF燒結成金剛石磨邊輪，通過磨削實驗研究其組織和磨削性能.

1　實驗材料及方法

1.1原料及制造工藝

實驗所用的金剛石磨粒濃度為25﹪，JR3品級，按50﹪(70/80) +50﹪(80/100) 配比組成.新型銅基結合劑CSF成分為：Cu53、Sn21、Fe20、Ni6，將92﹪(CSF 85﹪+Fe 15﹪)+3﹪Cr+5﹪Mo的混合粉末攪拌均勻放置于石墨磨具中，在80 kN的壓力下進行熱壓燒結，燒結工藝為720 ℃/3 min，制成磨邊輪節塊.磨邊輪由廣東新勁鋼公司生產，采用高頻感應釬焊法焊接，如圖1所示.

圖1　磨邊輪的實物圖和示意圖

1.2實驗條件與參數

將3個相同的磨邊輪分別在多功能磨邊倒角實驗機床上對陶瓷磚、大理石、花崗巖進行磨削實驗，以水為冷卻液.實驗中分別以磨削相同體積的陶瓷磚、大理石、花崗巖為標準，對比工作所需時間及材料表面粗糙度等參數，磨削一定體積后隨機選定磨邊輪的10個節塊，測量磨損量，取其平均值.磨損試驗后，利用掃描電鏡對節塊表面進行觀察分析，研究表面的磨損過程.

2　實驗結果及分析討論

2.1節塊的組織和性能

根據上述原料和工藝，燒結出混合有鉻粉、鉬粉的新型銅基結合劑CSF純胎體以及相應的刀頭，測試胎體的斷口形貌，如圖2所示.

a. 純胎體

b.刀頭

由圖2(a)可知，該成分燒結而成的胎體組織致密、均勻且孔隙少，進一步驗證了鉻、鉬等粉末有利于CSF結合劑組織的致密性.結合圖2(b)可知，刀頭中金剛石顆粒與結合劑界面無明顯縫隙，結合狀態較優，說明該結合劑對金剛石的固著把持力很強.同時，通過力學性能測試，該磨邊輪的顯微硬度得到提升，達到38.9 HRC，純胎體節塊的抗彎強度為912.4 MPa，刀頭節塊的抗彎強度為821.9 MPa.由公式計算出黏結系數為9.92﹪，相比于未添加鉻粉、鉬粉的CSF結合劑對金剛石磨粒固著把持能力提升了約50﹪[8].由于在燒結過程中Cr、Mo等強碳化物形成元素，促進與金剛石磨粒形成化學冶金結合，增強了把持力.

2.2磨邊輪的磨削性能

實驗中磨邊輪的節塊磨損與陶瓷磚、大理石、花崗巖的去除量關系如圖3所示.在圖3(a)中，磨邊輪節塊的磨損量與材料的磨削量基本呈線性關系，且花崗巖對磨邊輪刀頭有較大損耗，線性規律最不規則，是因為花崗巖相比于大理石和陶瓷磚質地更不均勻，脆硬顆粒較多.這一點也可從磨削過程中不時出現火花得到證明.

(a)

(b)

在圖3(b)中，磨削初始階段3種磨邊輪的磨削狀態不是很穩定，急劇增加出現峰值后慢慢減小.這可能源于高頻焊接后磨邊輪節塊的高度不一致；同時，從圖3(b)中3種磨邊輪的磨削率可以看出，用于加工花崗巖的刀頭磨削率最大，說明CSF燒結的磨邊輪并不適合用于長期磨削花崗巖等超硬、超強的材料，而更適合于加工陶瓷磚和大理石.隨著磨削試驗的進行，磨削率逐漸趨于平穩，但越到磨削試驗后期，磨削率不降反升，推測原因可能是因為磨邊輪刀頭的鋒利度下降，其中起主要作用的金剛石顆粒損耗減少，導致刀頭與花崗巖加工面不能保持較好匹配.

圖4是磨邊輪加工陶瓷磚的磨削面粗糙度曲線.從圖4可以看出，3種磨邊輪加工不同材料時，材料磨削面粗糙度在前期較大，因為此時刀頭與材料表面處于磨合階段，在磨削一定體積后才趨于穩定，且花崗巖的粗糙度明顯大于大理石和陶瓷磚.陶瓷磚的粗糙度最小，表面質量最穩定，進一步驗證了新型銅基結合劑CSF金剛石磨邊輪在磨削陶瓷磚時因材料的粒度、黏性和硬度等因素，使陶瓷磚的磨損與金剛石的磨損保持較好匹配，此時磨邊輪有最佳的磨削性能.

圖4　磨邊輪加工陶瓷磚的磨削面粗糙度曲線

2.3磨邊輪失效情況

為驗證以上結論，進一步在磨削實驗后的節塊上研究CSF磨邊輪中金剛石磨粒的失效情況.其中，出刃率、脫落率、破損率分別等于出刃顆粒數、脫落顆粒數、破碎顆粒數與金剛石磨?？倲抵?，如圖5所示.

(a)出刃率

(b)脫落率

(c)破碎率

在圖5中，用于加工3種材料的磨邊輪的出刃率、脫落率、破碎率均在磨削一定體積后趨于穩定，因為在磨削試驗前期，刀頭與材料處于磨合階段.圖5中還顯示，相比于陶瓷磚，花崗巖的脫落率和破碎率較高，而出刃率較低，因此損耗較嚴重.大理石雖硬度最小，磨削時刀頭損耗最小，但其黏性太大，即容易粘刀，導致其出刃率低、脫落率增高.由CSF新型銅基結合劑燒結成的金剛石磨邊輪在磨削陶瓷磚時刀頭中金剛石磨粒出刃率最高，脫落率最低，既表現出一定的自銳性能，又有一定的耐磨性能，鋒利度也隨之提高，磨削性能最好.

鑒于以上實驗結果，將該磨邊輪送至陶瓷公司試用，3種磨邊輪的噪音均較小，能較好地保證加工材料的垂直度及尺寸要求，未出現崩角現象.在用于加工陶瓷磚時，該磨邊輪的平均使用壽命為100 h，相比于外購世創Cu-Sn-Co基體磨邊輪85 h的平均使用壽命，該磨邊輪更耐用.

3　結論

(1)由CSF新型銅基結合劑燒結的金剛石磨邊輪組織致密，結合劑對金剛石把持力強，該磨邊輪可完成對普通花崗巖、大理石和陶瓷磚的磨削實驗，但并不適用于長期磨削花崗巖等超硬材料.

(2)由CSF新型銅基結合劑燒結的金剛石磨邊輪最適合用于加工陶瓷磚，在磨削陶瓷磚時，刀頭與材料能保持較好匹配，使磨邊輪既鋒利又耐磨，延長了使用壽命，表現出優異的磨削性能.

[1]李伯民, 李清. 磨料、磨具與磨削技術[M]. 北京: 化學工業出版社, 2010.

[2]JIAN B Z. Study on the bonding strength between superhard abrasives and Ti, Mo, W, Cr coatings [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 1997(2):1.

[3]LI W, ZHAN J, WANG S, et al. Characterizations and mechanical properties of impregnated diamond segment using Cu-Fe-Co metal matrix[J]. Rare Metals, 2012, 31(1):81-87.

[4]PEROVIC D D, SNUGOVSKY L, SNUGOVSKY P, et al. Reactions in Sn corner of Cu-Sn-Zn alloy system[J]. Materials Science and Technology, 2012, 28(1):120-123.

[5]王鳳榮, 陳哲, 劉一波,等. 金剛石工具金屬結合劑的磨損特性[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2007(1):13-17.

[6]KANG Q P, HE X B , REN S B , et al. Preparation of high thermal conductivity copper-diamond composites using molybdenum carbide-coated diamond particles [J]. Journal of Materials Science, 2013, 48(18):6133-6140.

[7]吳穎. 新型金剛石工具銅基結合劑及其性能的研究[D]. 重慶：重慶大學, 2014.

[8]司衛征, 袁慧, 張鳳林, 等. 金屬基金剛石工具結合劑中添加合金元素的研究進展[J]. 超硬材料工程, 2007, 19(1):31-33.

[9]吳穎. 稀土Ce對新型銅基結合劑金剛石節塊性能的影響[J]. 重慶文理學院學報, 2016, 35(2):6-9.

(責任編輯吳強)

Study on the grinding performance of a new type of Cu-based bond diamond grinding wheel

WU Ying

(College of Physics and Electrical Engineering, Sichuan University of Arts and Science, Dazhou Sichuan 635000, China)

Diamond grinding wheels which mixed with Fe、Cr、Mo powders in a new copper-based bond were prepared by vacuum hot pressing method and high frequency welding method. Through the observing of its microstructure by scanning electron microscope, and measuring its grinding performance just around to grind ceramic, marble and granite, the results show that the new type of diamond grinding wheel can grind ceramic, marble and granite with dense structure. Through the comparison it shows that: the grinding wheel is more suitable for machining ceramic. The wear of its block matrix and diamond grits can maintain the good matching when it is used to grind ceramic, with the greater wear resistance of the grinding wheel, higher sharpness, and better grinding performance, and its service life is longer than ordinary Cu-Sn-Co matrix diamond grinding wheel.

copper-based bond; diamond grinding wheels; grinding performance; microstructure

2016-03-24

四川文理學院科研項目(2014Z006Y).

吳穎(1987—)，女，四川巴中人，助教，碩士，主要從事先進材料成型工藝及裝備自動控制方面的研究.

TQ164

A

1673-8004(2016)05-0001-04