六方氮化硼含量對鐵基金剛石磨具性能的影響*

韓志靜, 徐三魁, 韓 平，鄒文俊

( 河南工業大學 材料科學與工程學院, 鄭州 450000)

鐵基金剛石磨具由于具有高效、低成本、高質量、高強度、壽命長等特點而受到人們的關注，但鐵基金剛石磨具在打磨鋼軌等材料時存在自銳性差、易燒傷等現象[1]。由于鐵基結合劑性脆，結合劑本身自銳性差，金剛石磨料不易出刃，從而使磨具與工件之間的摩擦力變大，長期打磨溫度易升高而造成工件燒傷。為了解決此類問題，可采用摩擦系數低、磨損量高的材料[2]。

減小磨具與對磨件之間摩擦力的方法之一是在磨具中添加具有良好潤滑作用的無機潤滑材料，如二硫化鉬(MoS2)，石墨(C)、六方氮化硼(hBN)、硼酸(H3BO3)等[3-4]。這些材料有相似的層狀結構，層間是弱的范德華力，當受到一個外界平行于層間的力時很容易被剪切，從而起減小摩擦作用[5-6]。這些材料添加量不同，對鐵基胚體金剛石磨具的摩擦系數、磨耗比及工件的燒傷情況影響不同。特別是hBN潤滑材料，由于其具有化學惰性，且在燒結溫度1 200 ℃時仍保持穩定，是應用較多的無機潤滑材料[7]。

為此，在鐵基結合劑中加入hBN固體潤滑劑來降低磨具的摩擦系數，從而改善磨具的自銳性、耐磨性及燒傷情況。研究hBN不同添加量對鐵基金屬結合劑磨具抗彎強度、硬度和沖擊韌性等力學及機械性能的影響，以及磨削過程中磨具的摩擦系數、鋒利度、耐磨性及試樣磨削后的燒傷變化情況等。

1 實 驗

1.1 主要原料

實驗以鐵基結合劑為研究對象，添加不同體積分數的hBN，采用熱壓成型工藝進行燒結。實驗所用的主要原料及規格如表1所示。

表1 主要原料及規格Tab. 1 Main raw materials and specifications

(1)結合劑原料：Fe粉、Cu-Sn合金粉、W粉由有研新材料(北京)股份有限公司生產,其在結合劑配方中的體積分數分別為 63% 、32%和5% ;

(2)磨料: 金剛石，由河南黃河旋風股份有限公司生產，加入的體積分數為 25% ；

(3)潤濕劑：造粒粉、異丙醇、丙酮，由天津市永大化學試劑有限公司生產,其在潤濕劑配方中的質量分數分別為64%、16%、20%；

(4)潤滑劑：hBN粉，由有研新材料(北京)股份有限公司生產，加入的體積分數分別為 0% 、3% 、8%和11% 。

1.2 實驗過程及方法

實驗工藝過程如圖 1所示。

圖 1 實驗過程

在鐵基金屬結合劑配方和金剛石磨料含量不變的前提下，分別在4組混合粉料中加入體積分數為 0% 、3% 、8% 、11% 的hBN微粉，測試4組試樣的抗彎強度、沖擊強度、硬度、摩擦系數并觀察試樣磨削后的形貌。

1.3 試樣制備

按照需求精確稱量4組配方實驗原料，在表2的熱壓工藝下采用RYJ-2002Z型真空燒結壓機熱壓燒結規格為50 mm×6 mm×6.5 mm的試樣條。

表2 熱壓工藝Tab. 2 Hot-pressing process

1.4 性能測試

用HR-150A型洛氏硬度計(上海材料試驗機廠生產)測試樣品的硬度；用三點彎曲法在CMT-4504型電子萬能試驗機(甘肅天水三思有限公司生產)上測定其抗彎強度；采用ZBC-1254-1型擺錘沖擊試驗機(江蘇天源實驗設備有限公司生產)測定其沖擊強度；采用MMW-1型L立式萬能摩擦磨損試驗機(濟南普業機電技術有限公司生產)測量其摩擦系數；用Inscept S50型掃描電子顯微鏡(SEM)(美國FEI有限公司生產)觀察試樣的表面形貌；用高精度多功能密度測試儀(北京儀特諾電子科技有限公司生產)測量樣品的密度。

2 結果與討論

2.1 力學性能分析

圖2、圖3給出了不同hBN體積分數下試樣的密度和硬度。由圖2、圖3可知：hBN含量增加，試樣的密度和硬度下降。試樣密度由不添加hBN時的6.57 g/cm3下降到添加hBN體積分數11%時的5.31 g/cm3，下降幅度達19.2%；試樣硬度由不添加hBN時的85.5 HRB下降到添加hBN體積分數11%時的44.5 HRB，下降幅度達48.0%。

圖2 不同hBN含量時試樣的密度

圖3 不同hBN含量時試樣的硬度

這是因為hBN本身占據一定體積，加入到鐵基胎體后，由于其密度2.18g/cm3小于鐵基金屬粉的密度8.11 g/cm3，使得壓坯密度減小[8]。此外，由于hBN是化學惰性材料，對所有熔融金屬都呈化學惰性，并能在1 200攝氏度時保持穩定，所以其在760 ℃燒結時仍是游離態，不與鐵基元素形成合金，阻礙了金屬的合金致密化，降低了試樣的密度和硬度；同時hBN是一種固體潤滑劑，在鐵基材料中有潤滑作用，也導致了胎體密度和硬度下降。

由于hBN體積分數為11%時試樣的硬度為44.5 HRB，與打磨件45錳鋼的硬度接近，能滿足鋼材的打磨需求；而當hBN添加體積分數為15%時，試樣的硬度下降到26.5 HRB，遠遠低于此類鋼材的硬度，打磨此類材料已無使用價值，故hBN添加量體積分數以11%為界。

圖4、圖5給出了不同hBN含量時試樣的抗彎強度和抗沖擊強度。由圖4、圖5可看出：隨著hBN含量增加，試樣的抗彎強度由不添加hBN時的253 MPa降低到添加hBN體積分數11%時的103 MPa，下降了59.3%；試樣的抗沖擊強度從不添加hBN時的113.0 J/mm2降低到添加hBN體積分數11%時的99.5 J/mm2，下降了11.9%。

圖4 不同hBN含量試樣的抗彎強度

圖5 不同hBN含量試樣的抗沖擊強度

產生此現象的原因是：hBN均布于胎體中的金屬粉末之間，阻礙了金屬與金屬之間的結合，降低了金屬胎體的結合強度，使胎體的缺陷增多；隨著hBN含量增大，缺陷越來越多，胎體組織變得疏松，抗彎強度逐漸下降。一般情況下胎體的此種缺陷經常出現在hBN與金屬界面處，呈狹長的扁孔狀[9]，容易造成應力集中，會降低試樣的抗彎強度；另外，缺陷的承載力為0，hBN增多缺陷增多，試樣的有效承載面積下降，塑性變形所吸收的能量降低，也導致其抗彎強度及抗沖擊強度下降[10]，而使其脆性提高。當受外力作用時，由缺陷尖端所引起的應力集中可能形成微裂紋，促使應力集中加劇，裂紋迅速擴展，使材料受到外力沖擊時易斷裂，所以抗沖擊強度也逐漸下降。

由圖4、圖5還可以看出：hBN固體潤滑劑增多，試樣的抗彎強度變化明顯，下降幅度較快，尤其當hBN添加量從0%增加到3%時下降最快；而抗沖擊強度下降并不明顯，說明添加少量hBN對提高金屬胎體的脆性作用顯著。因此，添加少量hBN在保證鐵基金屬胎體在抵御外界沖擊能力基本不變的同時，可以改善鐵基胎體的脆性，這對金屬超硬磨具是極其重要的。提高磨具的脆性可以使磨削過程中的金剛石很好地出刃，從而提高磨具的鋒利度，同時又保證了磨具的耐磨性。

2.2 磨削實驗分析

2.2.1 磨耗比分析

磨耗比是衡量材料耐磨性，控制產品質量和研究摩擦磨損機理的一個重要指標。實驗根據對磨件45錳鋼與試樣對磨前后的質量變化的比值來計算試樣的磨耗比，以此衡量金屬結合劑金剛石磨具的耐用性及鋒利度。用4種不同hBN含量的試樣，分別制備3條樣條進行對磨試驗，取其平均值為最終值，對磨時主軸轉速為200 r/s，對磨時間500 s，對磨壓力10 N。磨耗比實驗結果見表3所示。

表3 不同hBN含量試樣的磨耗比 Tab. 3 Abrasion ratio of samples with different hBN content

由表3可以看出：在相同的對磨條件下，隨著hBN增多，試樣的自身磨耗量增大。說明加入hBN后鐵基結合劑的自銳性提高；且試樣的磨耗比也增大，說明hBN增多可使鐵基金剛石磨具的耐用度增大。同時，加入hBN可以提高鐵基胎體材料的脆性(圖4、圖5)。磨具的脆性提高，在一定的磨削壓力下可以促使金剛石和金屬結合劑同步消耗，提高磨具的自銳性，即金剛石磨料可以更好地出刃，從而提高磨具的鋒利度，使磨削過程中相同條件下對工件的去除量增多，磨削比增大，磨具的使用壽命延長。

2.2.2 摩擦系數分析

不同hBN含量下試樣的摩擦系數隨時間的變化曲線如圖6所示，圖6只畫出對磨時間500 s內曲線的其中一段。圖6中對磨時間增加，各摩擦系數基本近似在一條直線上，說明磨具的摩擦學性能基本穩定；相同的對磨條件下，hBN添加量增加，摩擦系數逐漸下降，由不添加hBN時的平均值0.30降低到添加hBN體積分數11%時的平均值0.15，降低了50%。這是因為hBN有優異的固體潤滑能力，潤滑效果明顯使對磨摩擦減少所致。

圖6 不同hBN含量下試樣的摩擦系數隨時間的變化 Fig. 6 Variation of friction coefficients of samples with time

圖7為不同hBN含量試樣磨削后的燒傷情況，試樣的燒傷情況用試樣表面的灼燒顏色變化(深淺)來評估。由圖7可知：hBN含量增加，磨削后試樣的燒傷情況逐漸減輕。不添加hBN時(圖7a)，試樣基本全部燒傷，金剛石基本不出刃；hBN添加體積分數為3%時(圖7b)，試樣約80%燒傷，有出刃的金剛石；hBN添加體積分數為8%時(圖7c)，試樣約40%燒傷，金剛石出刃明顯；hBN添加體積分數為11%時(圖7d)，試樣基本無燒傷，金剛石出刃更明顯。

這是因為：一方面隨著固體潤滑劑hBN增加，其足夠的濃度可以為樣條與打磨工件提供有效的接觸隔離和擦傷保護；另一方面，由圖2～圖5及表3進一步分析可知：不添加hBN時磨具硬度高、脆性小、磨耗比小、自銳性差，造成了圖7a中的試樣條金屬結合劑不易消耗，金剛石不易出刃，而產生嚴重燒傷現象；隨著固體潤滑劑hBN增加，磨具的脆性增加，金屬結合劑易消耗，金剛石容易出刃，則磨耗比增大，使圖7b、圖7c、圖7d中的燒傷情況逐步減輕，磨具的整體鋒利度及耐磨性得以提高。

(a) hBN體積分數0% hBN with 0% volume fraction(b)hBN體積分數3% hBN with 3% volume fraction (c)hBN體積分數8%hBN with 8% volume fraction(d)hBN體積分數11%hBN with 11% volume fraction圖7 不同hBN含量試樣磨削后的燒傷情況Fig. 7 Burn of samples with different hBN content after grinding

3 結 論

(1)在鐵基金屬結合劑配方組分及金剛石不變的前提下，添加hBN使磨具樣品的密度、硬度、抗彎強度和抗沖擊強度下降，分別由不添加hBN時的6.57 g/cm3、85.5 HRB、253 MPa、113 J/mm2分別下降到添加hBN體積分數為11%時的5.31 g/cm3、44.5 HRB、103.0 MPa、99.5 J/mm2，分別下降了19.2%、48.0%、59.3%、11.9%。

(2)在相同的磨削條件下，添加hBN能有效降低磨具的摩擦系數，提高磨具的耐用度及金剛石的出刃率，進而大幅度減輕磨具的燒傷情況。

(3)hBN在鐵基金剛石磨具中具有很好的潤滑作用。本實驗條件下，在hBN添加體積分數為11%時磨具的磨削效果最佳。