結合劑強度和不同鍍層對金剛石工具出刃高度的影響*

朱振東， 張作棟， 栗曉龍， 肖長江， 栗正新

(河南工業大學 材料科學與工程學院， 鄭州 450001)

金剛石鉆切工具的工作環境一般比較復雜，在工作中常常會遇到一些難加工材料，例如在鉆切鋼筋混凝土時常常會碰到鋼筋，在鉆探地層時常常會遇到硬質巖石，這時金剛石工具就面臨較大考驗。如果結合劑與金剛石把持力不夠，則很容易出現切磨效率低，甚至切磨不動的現象。因此，金剛石工具基體與金剛石間需要有非常強的把持力來保證在遇到難加工對象時不至于發生金剛石過早脫落而失效等問題[1]。

提高基體對金剛石把持力的方法有多種。其中，提高結合劑強度和使用表面鍍覆金剛石是比較常用的2種方法[2-6]。但是，表征把持力大小的方法并不是很多，一般是做成成品試用，通過其耐用性來反映把持力。但此方法費時費力，不利于產品的研發與升級。

金剛石工具在充分磨削后，金剛石會有一定的出刃。一般情況下，基體對金剛石把持力越高，出刃高度就越高。所以，可以通過測量金剛石的出刃高度來反映把持力的大小。測量金剛石磨粒出刃高度的方法有很多，常用的有通過顯微鏡聚焦方式測量磨粒出刃高度[7]和通過激光檢測方法采集磨損面3D數字信息再進行模擬成像來測量磨粒出刃高度[8-9]，但這些方法操作比較麻煩，依然不能夠被普遍接受。

掃描電子顯微鏡(SEM)作為微觀形貌觀察和顯微結構分析的大型分析儀器，被廣泛應用于納米材料尺寸的精確測量、性能表征以及材料的3D形貌恢復[10]，能有效地對刻蝕后金剛石的立體形貌和表面粗糙度進行表征[11]，所以也能利用SEM的高放大倍數和高精度性能準確快速地測出每顆金剛石的出刃高度。

首先，在不同的溫度下燒結制備不同強度鐵銅結合劑樣條，然后設計正交試驗。在不同強度的鐵銅結合劑樣條中加入未鍍金剛石、表面鍍Ti和鍍Ni金剛石燒結制備金剛石樣條。以大理石為磨削對象，測試不同樣條磨削后的情況，使用SEM 3D重構法來測量金剛石出刃高度，并根據金剛石出刃高度分析不同基體強度與未鍍、鍍Ni和鍍Ti金剛石的燒結節塊對金剛石工具把持力的影響。

1 試驗方法和過程

1.1 原料和鐵銅結合劑樣條的燒結

試驗選用的金剛石型號為ZND2180，粒度代號為40/50，由中南杰特股份有限公司生產。鍍Ti金剛石的鍍Ti方式為真空微蒸發鍍，質量增加2%；鍍Ni金剛石的鍍Ni方式為滾鍍，質量增加30%。2種電鍍方法所采用的金剛石是一樣的。

試驗所選基體結合劑配方是鉆切鋼筋混凝土常用配方，其組成如表1所示。

表 1 結合劑各成分Tab. 1 Chemical composition of bond agent

表1中的金屬粉是由鄭州嵩山磨具磨料有限公司生產，均為單質金屬粉末，純度≥99.5%。將稱好的混合粉末按照文獻[6]中的燒結工藝進行熱壓燒結，燒結溫度分別取600，625，650，700，750和800 ℃，試樣的尺寸為32.0 mm×4.5 mm×3.0 mm。

1.2 正交試驗設計

為了得到不同的基體強度，且又不引進對強度有影響的新的變量，試驗選擇通過控制燒結溫度來控制基體強度，基體強度隨溫度變化的曲線如圖1所示。從圖1可以看出：基體的抗折強度在650 ℃達到最大值，在600～650 ℃范圍內強度變化非常明顯。因此，分別選擇600，625和650 ℃等3個燒結溫度作為一個因素來控制強度，并用未鍍金剛石、鍍Ti金剛石、鍍Ni金剛石作為另一個因素，設計正交試驗。因素水平如表2所示。

圖1 結合劑抗折強度隨燒結溫度變化趨勢Fig. 1 Trend of bending strength of matrix with temperature

表 2 試驗的因素水平表

用3水平4因素表做3水平2因素試驗，L9(34)表如表3所示。

表 3 正交試驗方案Tab. 3 Orthogonal test scheme

1.3 試樣的制備與金剛石出刃高度測量

按照上述方案做9組試驗，每組試驗制備6個樣條。樣條制作方法為：首先根據樣條設計尺寸計算結合劑各組分和金剛石的用量，其中金剛石濃度為20%；然后進行混料、投料并熱壓燒結成形，燒結工藝同上。

樣條制成后用RG3050萬能材料試驗機測量其抗折強度并記錄數據。用平面磨床做磨削試驗，試驗設備為鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產的立式萬能摩擦磨損試驗機，試驗參數如表4所示。

表 4 萬能摩擦磨損試驗參數Tab. 4 Test parameters of universal friction and wear testing machine

在充分磨削后(磨削深度1 mm左右)，樣條表面金剛石大量出刃，用SEM 3D重構法來測量金剛石的出刃高度。金剛石的3D重構圖如圖2所示。

圖2 出刃金剛石3D重構等高圖Fig. 2 Contour reconstruction of diamond 3D reconstruction

圖2中的基準表面是電鏡的焦平面，首先通過調整電鏡焦距，清楚顯示基體表面，然后拉出線條并經過灰色中間高度值最大部分，通過簡單移動可找出磨粒與基準平面的最大高度差，即為金剛石的出刃高度。選取每組中最長的樣條隨機測量10顆金剛石的出刃高度，并求平均數，做出出刃高度與樣條抗折強度對應圖，圖中每個樣條有一個抗折強度并對應10顆金剛石出刃高度數據[10-13]，如圖3～圖5所示。

圖3 未鍍金剛石出刃高度與樣條強度對應圖Fig. 3 Corresponding diagram of protrusion height and sample strength of uncoated diamond

圖4 鍍Ti金剛石出刃高度與樣條強度對應圖Fig. 4 Corresponding diagram of protrusion height and sample strength of Ti-coated diamond

圖5 鍍Ni金剛石出刃高度與樣條強度對應圖Fig. 5 Corresponding diagram of protrusion height and sample strength of Ni-coated diamond

2 試驗結果及分析

將圖3～圖5測量結果按照試驗方案取平均值，得到正交試驗的結果如表5所示。

表 5 正交試驗結果Tab. 5 Results of orthogonal test

從表5可以看出，SEM 3D重構法測量出金剛石的出刃高度值為221.26～321.68 μm。使用SPSS對表5試驗結果進行方差分析，分析結果如下：(1)表6為主體間效應的檢驗，其因變量為出刃高度，表6中A、B的Sig值均小于0.05，因此金剛石類型與不同基體強度(燒結溫度)對出刃高度均有顯著影響，而且由Ⅲ型平方和比較可知，對金剛石出刃高度的影響B>A；(2)金剛石類型和不同基體強度(燒結溫度)對金剛石出刃高度的影響的正交試驗分析結果分別如表7和表8所示，其因變量為出刃高度。由表7中均值可知：金剛石類型對金剛石出刃高度的順序為鍍Ti金剛石>鍍Ni金剛石>普通金剛石。同樣由表8中的均值可知：樣條基體強度對金剛石出刃高度的影響順序為高強度樣條>中等強度樣條>低強度樣條。

表 6 主體間效應的檢驗Tab. 6 Test of intersubjective effects

表 7 金剛石類型對出刃高度影響分析Tab. 7 Analysis of the influence of diamond type on edge height

表 8 燒結溫度對出刃高度影響分析Tab. 8 Analysis of the influence of sintering temperature on edge height

根據正交試驗的數據來具體分析金剛石類型和不同基體強度對出刃高度極差分析，結果如圖9所示，其中的S1，S2，S3和ΔS分別表示金剛石類型和不同基體強度在相同水平時出刃高度的平均值和極差值。從表9中可以看出：結合劑強度因素大于金剛石類型因素對出刃高度的影響。

表 9 出刃高度極差分析Tab. 9 Flexural strength analysis

3 結論

(1)與其他測量金剛石出刃高度的方法相比，SEM 3D重構能夠快速準確地測量出金剛石的出刃高度，高度值為221.26～321.68 μm。

(2)金剛石類型對金剛石的出刃高度的順序為鍍Ti金剛石>鍍Ni金剛石>未鍍金剛石。

(3)在金剛石出刃高度的影響中，基體強度因素大于金剛石類型因素，且高強度樣條>中等強度樣條>低強度樣條。