中間相炭微球對多層釬焊金剛石砂輪電解修整 磨削性能的影響

中圖分類號：TG74；TG580.6DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.06.002 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Influences of MCMBs on Electrolytic Dressing and Grinding Performances of Multi-layer Brazed Diamond Grinding Wheels

LIU Wei1，2 * CHANG Jiaqi1'2 LI Boxin1，2 YAN Can1，2DENG Zhaohui3WAN Linlin1，2

1.School of Mechanical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan， Hunan，411201 2.Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of

Difficult-to-cut Material，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan，Hunan，411201 3.Institute of Manufacturing Engineering，Huaqiao University，Xiamen，Fujian，361021

Abstract： The oxide film of large particle size multi-layer brazed diamond grinding wheel had poor quality and insufficient thickness during electrolytic dressing，which led to poor grinding performances.MCMB were added to the abrasive layers to improve this situation. The effects of different MCMB contents on the performances of the grinding wheel and the electrolytic dressing grinding characteristics were investigated. The results show that MCMB may significantly improve the electrolytic film-forming ability of the grinding wheel， the maximum thickness of the oxide film is as 104μm ，and the compactnessand adhesion are improved. The ground surface morphology of the test groups containing MCMB has higher integrity and fewer fracture pits. Compared with the test groups without MCMB，the values of surface roughness Ra of the MCMB test groups with a volume fraction of 5% decrease by 29.8% when the workpiece speed is as 40mm/s and the grinding depth is as 15μm ，and the subsurface damage depth is reduced by 47.9% when the workpiece speed is as 30mm/s and the grinding depth is as 20μm ：

Key words： multi-layer brazed grinding wheel； electrolytic dressing grinding； mesocarbon mi-crobead（MCMB）；oxide film;subsurface damage

0 引言

磨削通常用于加工硬質合金、工程陶瓷、光學玻璃等難加工材料，砂輪對磨粒把持能力的強弱很大程度上決定了被磨削工件的表面質量[1]。由于對磨粒的把持能力有限，傳統固結磨料砂輪在磨削過程中很容易出現“掉砂”現象，不僅影響磨削精度，還會縮短砂輪的使用壽命。由釬焊技術制備的金屬結合劑砂輪對磨粒的把持能力較強，能夠避免磨粒過早脫落[2]。在釬焊過程中，合金釬料中的Ti、Cr等活性元素會與金剛石磨粒表面發生反應，實現化學冶金結合，有效防止磨粒的過早脫落，進而提高磨削精度與效率[3]。

目前常用的釬焊砂輪主要為單層釬焊砂輪，即在砂輪表面僅有一層磨粒。DAI等4采用單層釬焊金剛石砂輪對SiC陶瓷進行磨削試驗，發現采用高速、蠕變進給和深度磨削的方法可以實現對 SiC 陶瓷的高效、低損傷磨削。LI等[5]制備了一種含有微槽和微孔的微織構單層釬焊金剛石砂輪，該砂輪在SiCp/Al復合材料磨削表面上產生的磨屑小，SiC顆粒的斷裂、壓碎和脫落也少。由于磨粒磨鈍后無法更新，因此單層釬焊砂輪壽命較短，為解決此問題，課題組前期研制了對磨粒把持能力強的多層釬焊金剛石砂輪，配合在線電解修整（electrolytic in-process dressing，ELID）技術，實現了超細晶粒硬質合金高效精密磨削[]。伍俏平等7在對大粒度砂輪電解修整時發現，與普通電解液相比，多壁碳納米管的加入增強了電解液電解能力，氧化膜厚度增加了 40μm ，此時更多金屬結合劑被溶解，磨損磨粒脫落更容易；同時，由于氧化膜厚度的增大能夠容納更多的碳納米管，氧化膜的黏附性得以提高，而黏附性較強的氧化膜有著良好的研拋性能，能提高工件的磨削表面質量。ALQAHTANI等8指出，為防止氧化膜厚度不一致，在電解修整時應確保電解液在電極間隙中均勻流動，同時電解電壓也需嚴格控制，否則容易導致氧化膜燒傷，影響磨削性能。此外，萬林林等[9]發現，要保證電解修整時氧化膜的致密性，必須控制合理的電極間隙。課題組前期試驗發現，釬料中Ti元素生成的自鈍化膜會隔絕磨料層與電解液的接觸，影響砂輪的陽極溶解，導致電解修整過程生成的氧化膜厚度薄、質量較差[10]。對于大粒度磨粒砂輪，由于磨粒在基體中的嵌入深度大，電解修整不充分時會造成磨鈍磨粒無法及時脫落，嚴重影響磨削效果。因此，改善砂輪的電解修整性能，進一步優化大粒度多層釬焊砂輪的在線電解修整磨削效果很有必要。

金屬材料在發生石墨化腐蝕時表現為腐蝕速率增大，能有效提高氧化膜的黏附性與致密性[11]。在砂輪電解修整時能發生石墨化腐蝕現象的常見碳族材料有碳納米管、石墨烯、石墨以及中間相炭微球（mesocarbonmicrobeads，MCMB）等。碳納米管和石墨烯由于摩擦學性能和導電性良好、抗載荷能力強，在磨削加工中應用廣泛[12]，但這兩種材料的分散效果不佳，與釬料合金粉末的混合難度較大，而且含Ti釬料在長時間的球磨分散后可能會氧化，影響釬焊效果。石墨的層片狀結構在受到剪切載荷時容易產生破壞，導致砂輪基體的抗彎強度大幅下降，加劇斷裂裂紋的擴展[1]。而MCMB具有優良的導電、導熱、化學穩定性及潤滑性，且力學性能良好，在載荷作用下不易變形、破壞[13]。因此，本文為了研究不同 MC-MB含量對多層釬焊金剛石砂輪節塊性能及電解修整的影響，將MCMB添加到砂輪結合劑中，分析了MCMB含量對砂輪電解成膜性能的影響，包括電解電信號、氧化膜厚度與黏附強度、微觀形貌，并開展了多層釬焊金剛石砂輪ELID磨削試驗，從表面形貌、表面粗糙度、亞表面損傷等角度進行磨削性能對比。

1砂輪節塊制備及其性能分析

1.1 砂輪節塊制備

本文所用MCMB由廣州納諾化學技術有限公司提供，粒徑為 10μm 。金剛石磨粒由河南萬磨金剛石有限公司提供，型號為WMD760，粒度為80/100；合金釬料粉末 Cu-Sn-Ti 由長沙天久金屬材料有限公司提供，各組分質量比為 75：10 ：5，粒度為300目。制備了 0.5%.10% 三種不同MCMB含量（體積分數）的混合粉末以備后續研究，其中金剛石濃度為 100% 。將金剛石磨粒、合金粉末、MCMB以及甘油混合后裝人DWH-10三維混料機以 100r/min 的速度混合 30min 。其中丙三醇為成形劑，添加量為 1.5% （質量分數）。

采用模壓成形技術制備不同MCMB含量的多層釬焊金剛石砂輪節塊生壞，并用真空釬焊工藝燒結出節塊成品試樣。使用WHY-600壓力試驗機與自制分離式模具對混料進行模壓成形。在此之前，需噴涂干性脫模劑以便順利脫模。圖1所示為模壓成形試驗裝置。設置加載速度為0.25kN/s ，成形壓力為 100MPa ，保壓時間為 10min 。爐內真空釬焊在GSL-1400X管式爐中進行，升/降溫速度為 5^°C/min ，釬焊溫度為 920°C ，保溫10min 。圖2所示為燒結后的兩種釬焊試樣。長方形試樣用于力學性能及內部形貌測試，弧形試樣用于電解成膜及ELID磨削試驗。

1.2 砂輪節塊性能

采用三點抗彎法測試不同MCMB含量試樣的抗彎強度。試驗中夾具兩支點間跨距為12.5mm ，加載速率為 0.5mm/min ，記錄節塊斷裂時的最大壓力值。每組試驗重復三次，結果如表1所示。當添加體積分數為 5% 的MCMB后，節塊的抗彎強度由 248.44MPa 提高到 402.47MPa 這是因為均勻分布在磨料層中的MCMB由于力學性能良好，外部施加載荷時不易被壓潰，并且會阻礙節塊表面載荷及裂紋向內部延伸；當MCMB體積分數達到 10% 后，抗彎強度顯著下降，這是因為MCMB與Ti元素反應生成TiC時會消耗基體中大量的Ti元素，造成與磨粒表面反應的Ti元素減少，影響釬焊效果，使得節塊抗彎強度下降[14]。此外，MCMB含量過高時，會相當于“雜質點”，降低節塊的致密化程度，這是因為合金釬料在燒結過程中的熔融混合受到了阻礙。

表1不同MCMB含量砂輪節塊的抗彎強度

在完成抗彎強度測試后，試樣被完全破壞，利用EVOMA10掃描電子顯微鏡與X-MAX50能譜儀觀察、分析試樣斷口處的形貌與元素分布情況，結果如圖3所示。圖3a所示為體積分數為10% 的MCMB砂輪節塊試樣的斷口形貌。黑色點狀物質MCMB在金屬結合劑中的分布較為均勻，無明顯團聚現象；合金釬料熔化充分，金剛石磨粒邊緣被結合劑緊密包裹，基體致密性高。圖3b所示為圖3a的局部放大與能譜點位置，可以看出，斷面上的MCMB與基體緊密結合，并未發生破壞。表2所示為圖3b的能譜分析結果，驗證了圖中黑色點狀物質為MCMB。

圖4所示為金剛石磨粒焊接接頭處的EDS分層放大圖像，在金剛石磨粒附近有明顯的Ti元素聚集現象，同時C元素也有較大的分布區域，表明結合劑與金剛石磨粒實現了化學冶金結合，這也能間接驗證表2中的能譜分析結果。

2MCMB對砂輪電解成膜性能影響

通過對電解電流、氧化膜厚度與黏附性、微觀形貌的檢測與分析，研究MCMB對多層釬焊金剛石砂輪電解成膜性能的影響。電解修整試驗中使用的電解液基于本課題組前期研究成果[，主要成分為去離子水，其余成分如表3所示。其中鉬酸鈉與磷酸氫二鈉作為緩蝕劑，防止電解修整過度；甘油起到潤滑作用；四硼酸鈉用于機床防銹；氯化鈉在電解液中可以水解出氯離子，能將Ti元素形成的自鈍化膜點蝕去除，避免影響氧化膜的生成；磷酸三丁酯用作消泡劑。

圖5所示為電解修整試驗系統，采用HDMD-V高頻脈沖電源為電解修整提供電能。相關電解工藝參數如表4所示[7，9-10]。

2.1 電解電信號

電信號能夠很好地表征電解修整過程中氧化膜的成膜狀態，其值可通過在電解回路中的陰陽兩極之間串聯萬用表測得，測量間隔為 20s 。不同體積分數的MCMB節塊的電解電流測量結果如圖6所示。

在電解反應剛開始時，三種不同MCMB含量的砂輪節塊初始電流值基本相同。在電解反應初期，電流下降速率略有不同，其中零含量（ φ_MCMB=0 ）MCMB的節塊下降最快，達到了2.04A/min 。這是因為MCMB在電解反應區域充當強陰極相，在電解修整中發生了石墨化腐蝕，增強了電解效果，使更多的金屬結合劑在電解修整過程中被去除。

在 300～600 s階段內，電解修整基本完成，此時的電流值趨于平穩。選用 300～600s 內間隔為 20s 的16個電流采樣點計算平均電流及總體標準偏差，體積分數分別為 0.5%.10% 的MCMB電解平均電流分別為2.78A、2.88A、3.29A，總體標準偏差值分別為0.34A、0.11A、0.09A，如圖7所示。此時MCMB被包裹在氧化膜內部，未受到電解反應的影響，反而增加了氧化膜的強度與致密性。當MCMB體積分數達到 10% 后，電解后期的平衡電流趨于穩定。此時氧化膜的存在阻礙了電解反應的進行，導致電解電流減小，但由于氧化膜中的微小孔隙能夠容納電解液，這部分電解液可與導電性能優異的MCMB共同形成導電通路，增大了穩定電流值。在兩者的共同作用下，電解電流趨于穩定。

2.2 氧化膜厚度及黏附性

在電解修整過程中，氧化膜的存在能防止砂輪修整過度，同時還能承載破碎磨料，起到一定的研磨拋光作用，因此氧化膜需要具有足夠的厚度。在一定范圍內，氧化膜越厚，ELID磨削后工件的表面質量越好[7，15]。

在電解修整完成后，將試樣側面打磨平整，使用超景深顯微鏡觀測氧化膜厚度，以分析不同MCMB含量對電解生成氧化膜厚度的影響，試驗結果如圖 8～ 圖10所示。零含量MCMB的節塊在電解 10min 后生成的氧化膜厚度僅為 56μm 大部分磨粒出刃高度較低，導致砂輪表面容屑空間不足。而當MCMB體積分數為 5% 時，氧化膜厚度增加至 104μm ，金屬結合劑被有效去除，磨粒出刃高度和容屑空間都顯著增加。此時出露的多數磨粒都被氧化膜包覆，而氧化膜對磨粒把持能力較弱，在磨削力作用下，磨粒磨鈍后能夠及時脫落，砂輪可以一直保持較高的鋒利度[16]。較厚的氧化膜在磨削中還能起到減振拋光作用。當MCMB體積分數為 10% 時，氧化膜厚度略有減小，為 95μm ，氧化膜成膜厚度減小是由于MC-MB的含量增加時，MCMB顆粒會沉積在氧化膜表面的微孔中，陰陽兩極間的離子交換將受到抑制，導致金屬結合劑不能有效溶解。

本文使用膠帶黏附法測試MCMB含量對氧化膜黏附性的影響[17]。零含量MCMB試驗組的黏附次數為8，而體積分數為 5%.10% MCMB試驗組的黏附次數分別為11次和10次。分布在氧化膜中MCMB由于分散強化作用，有效保持了膜層的穩定性，進而改善了氧化膜的致密性和黏附強度，減少了其脫落的可能性。

2.3 氧化膜微觀形貌

使用掃描電子顯微鏡觀察零含量MCMB的節塊與體積分數為 5% MCMB的節塊電解10min后生成的氧化膜微觀組織SEM圖像，結果如圖11、圖12所示。

由圖11可以看出，不含MCMB的氧化膜微觀表面形貌孔隙較多，表面凹凸不平，致密性差且質地松散。氧化膜的這種松散結構在ELID磨削時會因為黏附強度差而導致局部破損和過早脫落，降低磨削過程的穩定性并增大砂輪損耗。相反，由圖12可以看出，由于MCMB的參與，氧化膜厚度增加，減少了表面孔隙數量，氧化膜的致密性得以提高。這一現象進一步解釋了含MCMB試樣電解電流較為穩定的原因。

2.4MCMB對電解修整過程的影響

圖13為含MCMB的砂輪節塊在電解修整時氧化膜生長示意圖。磨料層中析出的金屬離子能與電解液中的氫氧根離子反應沉淀在砂輪表面，生成氧化膜[18]。電解反應初期，在電解反應區域的MCMB能夠使電解修整過程發生石墨化腐蝕，加快金屬結合劑電解腐蝕過程，生成更厚的氧化膜，此時金剛石磨粒的出刃高度也更高。結合劑中的MCMB在電解修整時會被釋放到電解液中，進而被氧化膜包裹，作為骨架又能提高氧化膜的致密性與強度。

3 MCMB對砂輪ELID磨削的影響

使用 φ_MCMB=0，φ_MCMB=5% 的 MCMB砂輪節塊對超細晶硬質合金開展ELID磨削試驗，兩試驗組磨削工藝參數相同，如表5所示。試驗材料為GU25UF超細晶粒硬質合金，磨削試驗在MGK7120×6F 磨床上進行，電解修整參數與前一節相同。使用圖14所示夾具將砂輪節塊安裝到磨床主軸上。在磨削試驗開始之前使用ELID電源配備的電火花整形裝置對砂輪進行修整。

3.1 表面形貌

圖15、圖16所示分別為零含量MCMB與（204號 φ_MCMB=5%MCMB 試驗組在 v_w=40mm/s 時的工件表面超景深顯微鏡觀測結果。

在零含量MCMB試驗組中，隨著磨削深度增大，工件表面劃痕變寬，這是由于層厚不足、不夠均勻的氧化膜在磨削力的作用下會逐漸減薄甚至破損，而且其再生速度小于磨損速度，導致磨鈍磨粒無法及時脫落，與工件接觸面積增大，出現更寬的劃痕，加工表面也變得更粗糙。當 a_p=15 μm 時，由于氧化膜厚度不均，局部磨削力會增大，在滑擦和耕犁作用下，工件表面會產生破裂凹坑；當 時，材料去除方式以脆性去除為主。磨削深度的增大會導致磨削力和磨削溫度升高，材料內部會產生較大的熱應力，容易在表面產生微裂紋，裂紋拓展時會形成魚鱗狀破碎。

在體積分數為 5% MCMB試驗組中，工件表面質量得到改善，破碎凹坑和魚鱗狀破碎顯著減少。由于MCMB的加入，砂輪表面產生了更厚、黏附性更強的氧化膜，能使磨粒始終保持較高的鋒利度，減少了劃痕的寬度和深度，從而使工件表面更加光滑。當 時，工件表面形貌比零含量MCMB試驗組的更好，未觀察到魚鱗狀破裂。這是由于氧化膜能有效防止磨粒直接作用于工件表面，起到緩沖支撐作用，能減輕工件表面的局部應力集中，從而減少脆性材料的破裂傾向。MCMB也能提高電解液的潤滑性和散熱性，減少摩擦熱，避免了因熱應力引發的表面破裂。此外，氧化膜中存在的破碎微磨粒能起到研磨拋光作用，使表面形貌得到改善。

3.2 表面粗糙度

使用TR20O表面粗糙度儀測量加工表面粗糙度，圖17、圖18顯示了不同磨削參數下的表面粗糙度值 Ra 。可以看出， Ra 值會隨著 v_w 和 a_p 的增大而增大，當 v_w=40mm/s 且 a_Δp=15Ω_μm 時，與未添加MCMB相比，MCMB的加入使 Ra 值減小了 29.8% 。出現這種差異的原因是不含MCMB時，氧化膜層厚不足且致密性不佳，導致磨粒直接作用于工件表面，磨損過后不能及時脫落。此時的材料去除更多依賴于擠壓摩擦，會導致工件表面形成劃痕和凹坑，表面粗糙度變差。而加入MCMB后，成膜質量顯著提高，氧化膜有效隔離了金屬結合劑與工件表面的直接接觸，減緩了磨粒的磨鈍過程，還能促使磨鈍磨粒脫落，始終保持有效切削磨粒的數量。其次，氧化膜厚度的增加能容納更多的MCMB和破碎磨粒，對加工表面起到研磨潤滑作用。因此，加人MCMB后工件的表面粗糙度值更小。

3.3 亞表面損傷

使用體積分數為 1% 氫氟酸溶液對兩個試驗組的工件端面進行酸蝕處理，以去除端面在研磨拋光后出現的塑性層，并檢測其亞表面損傷深度，結果如圖19、圖20所示。在 v_w=30mm/s，a_p= 20μm 時，含MCMB試驗組的亞表面損傷深度?9.28μm? ）顯著小于不含MCMB的試驗組（17.82μm） ，由裂紋延伸導致的塊狀脫落也更少。這是因為在磨削過程中氧化膜起到了緩沖和支撐作用，減少了磨鈍磨粒對工件表面的反復沖擊，降低了微觀裂紋和缺陷的產生。此外，氧化膜的拋光作用以及MCMB良好的潤滑效果也有助于減小磨削亞表面損傷深度。

4結論

通過在 Cu-Sn-Ti 合金粉末中添加中間相炭微球（MCMB），配合模壓成形技術和真空燒結工藝，制備了不同含量MCMB的多層釬焊金剛石砂輪，并開展了不同含量MCMB對砂輪性能及其電解修整磨削特性影響的試驗研究。結果表明：

1）MCMB含量的增加使砂輪節塊的抗彎強度先增強后減弱，在體積分數為 5% 時達到最大值 402.47MPa 。經EDS分析發現，結合劑與金剛石磨粒實現了化學冶金結合，基體致密度較高。

2）添加體積分數為 5% 的MCMB能有效改善砂輪電解成膜性能，成膜厚度最大達到了104μm ，致密性與黏附性均有改善，能使氧化膜有效發揮研磨拋光作用。

3）MCMB有效促使了磨鈍磨粒的及時脫落，改善了磨削表面形貌，提高了磨削表面的完整性。當工件進給速度 v_w=40mm/s 、磨削深度 a_Δp=15 μm 時，體積分數為 5% 的MCMB試驗組 Ra 值比不含MCMB的試驗組 Ra 值減小 29.8% ；當v_w=30mm/s.a_p=20μm 時亞表面損傷層深度達到了 9.28μm 。在一定范圍內，氧化膜厚度越高，對磨削亞表面造成的損傷越小。

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作者簡介：劉偉*，男，1986年生，博士、副教授。研究方向為高效精密智能磨削技術。發表論文40余篇。E-mail：lwl986tiger@163.com 。

本文引用格式：

劉偉，常佳起，李博鑫，等.中間相炭微球對多層釬焊金剛石砂輪電解修整磨削性能的影響[J].中國機械工程，2025，36（6）：1151-1158.

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