金属结合剂金刚石砂轮的研究进展
<p> 1引言</p><p> 由金刚石或立方氮化硼(CBN)磨料制作的超硬磨料砂轮，因其优良的磨削性能，已广泛用于磨削领域的各个方面。金刚石砂轮是磨削硬质合金、玻璃、陶瓷、宝石等高硬脆材料的特效工具。近几年来，随着高速磨削和超精密磨削技术的迅速发展，对砂轮提出了更高的要求，陶瓷和树脂结合剂的砂轮已不能满足生产的需要，金属结合剂砂轮因其结合强度高、成型性好、使用寿命长等显著特性而在生产中得到了广泛的应用。金属结合剂金刚石砂轮按制造方式不同主要有有烧结和电镀两种类型。为了充分发挥超硬磨料的作用，国外从20世纪90年代初开始用高温钎焊工艺开发一种新型砂轮，即单层高温钎焊超硬磨料砂轮，目前国内这种砂轮还处于研制开发阶段。</p><p> 2烧结型金刚石砂轮</p><p> 烧结型金属结合剂砂轮多以青铜等金属作为结合剂，用高温烧结法制造，其结合强度高，成型性好，耐高温，导热性和耐磨性好，使用寿命长，可承受较大的负荷。因砂轮在烧结过程中不可避免地存在着收缩及变形，所以在使用前必须对砂轮进行整形，但砂轮修整比较困难。目前生产中常用的砂轮对滚整形方法不仅在修整时费时费力，而且修整过程中金刚石颗粒的脱落较多，修整砂轮本身的消耗很大，整形精度较低。近年来各国学者相继开展了应用特种加工方法修整金属结合剂金刚石砂轮的研究工作，主要有电解修整法、电火花修整法和复合修整法等。电解修整法速度快，但整形精度不高；电火花修整法整形精度高，既可整形又可修锐，但整形速度较慢；复合修整法有电解电火花复合修整法、机械化学复合修整法等，修整效果较好，但系统较复杂，因此烧结型金刚石砂轮的修整问题仍然没有得到很好的解决。此外，由于砂轮的制造工艺决定了其表面形貌是随机的，各磨粒的几何形状、分布及切削刃所处的高度不一致，因此磨削时只有少数较高的切削刃切到工件，限制了磨削质量和磨削效率的进一步提高。</p><p> 3电镀金刚石砂轮</p><p> 电镀金刚石砂轮的优点：①电镀工艺简单，投资少，制造方便；②无需修整，使用方便；③单层结构决定了它可以达到很高的工作速度，目前国外已高达250～300m/s；④虽然只有单层金刚石，但仍有足够的寿命；⑤对于精度要求较高的滚轮和砂轮，电镀是唯一的制造方法。正是由于这些优势，电镀砂轮在高速、超高速磨削中占据着无可争议的主导地位。电镀金刚石砂轮存在的缺陷：在镀层金属与基体及磨料的结合面上并不存在牢固的化学冶金结合，磨料实际上只是被机械包埋镶嵌在镀层金属中，因而把持力小，金刚石颗粒在负荷较重的高效磨削中易脱落(或镀层成片剥落)而导致整体失效；为增加把持力就必须增加镀层厚度，其结果是磨粒裸露高度和容屑空间减小，砂轮容易发生堵塞，散热效果差，工件表面容易发生烧伤。目前国内的电镀砂轮制造尚未实现按加工条件的要求而优化设计出砂轮的最佳地貌，单层电镀金刚石砂轮的这些固有弊端必然会大大限制它在高效磨削中的应用。</p><p> 4单层钎焊金刚石砂轮</p><p> 为了充分发挥金刚石的作用，要设法增大结合剂对金刚石的把持力，提高砂轮的结合强度。单层高温钎焊超硬磨料砂轮能克服电镀砂轮的缺点，可以实现金刚石、结合剂、金属基体三者之间的化学冶金结合，具有较高的结合强度，仅需将结合层厚度维持在磨粒高度的20%～30%就能在大负荷高速高效磨削中牢固地把持住磨粒，使钎焊砂轮的磨粒裸露高度可达70%～80%，因而增大了容屑空间，砂轮不易堵塞，磨料的利用更加充分。在与电镀砂轮相同的加工条件下，单层高温钎焊超硬磨料砂轮的磨削力、功率损耗、磨削温度更低，意味着可达到更高的工作速度，这在300～500m/s以上的超高速磨削中有着特殊的意义。</p><p> 1)单层高温钎焊无镀膜金刚石砂轮</p><p> a.加Cr银基钎料单层钎焊砂轮</p><p> 利用高频感应钎焊方法，用添加有Cr的Ag-Cu合金作为钎料，在780℃的空气中钎焊35s，自然冷却，可实现金刚石与钢基体间的牢固连接。经X射线能谱及X射线衍射分析发现，Cr与金刚石之间形成Cr3C2，与钢基体之间形成(FexCry)C，经与不加Cr钎料的对比实验证明，这是实现合金层与金刚石及钢基体间都具有较高结合强度的主要因素，并通过磨削实验证实了金刚石确有较高的把持强度。该工艺的优点是钎焊温度低，对金刚石的损伤小。缺点是银基钎料的熔点较低，耐磨削高温性能较差，在高效重负荷磨削中的应用受到限制。</p><p> b. Ni-Cr合金单层钎焊砂轮</p><p> 国外金刚石的钎焊工艺是：首先用氧乙炔焊炬在钢基体上火焰喷涂上一层Ni-Cr合金层，这层活性金属可作为钎料直接钎焊金刚石磨粒，然后在1080℃的氩气中感应钎焊30s。在火焰喷涂合金层的过程中，由于钢基体表面易氧化，钎焊后结合剂层厚度的一致性和磨料排布的均匀性尚难于有效控制。</p><p> 武志斌等将金刚石磨粒直接排布在Ni-Cr合金片或粉末上，用陶瓷块压住金刚石磨粒，然后在真空高频感应机上钎焊30s，钎焊温度为1080℃；或者在氩气保护辐射加热炉内进行钎焊，适当控制钎焊温度、保温时间和冷却速度。利用扫描电镜X射线能谱及X射线衍射结构分析发现，在钎焊过程中，Ni-Cr合金中的Cr元素分离出来在金刚石表面形成富Cr层，并与金刚石表面的-元素反应生成Cr3C2和Cr7C3，合金层在与金刚石良好浸润的同时与钢基体反应生成(FexCry)C的碳化物，因此这种钎焊工艺可以确保合金层与金刚石及钢基体之间都能获得较高的结合强度。通过重负荷磨削实验证明了金刚石为正常磨损，没有整颗金刚石脱落。这种工艺的优点是：Ni-Cr合金本身的强度高，钎焊后可获得比银基合金钎焊更高的结合强度；Ni-Cr合金熔点高，耐磨削高温性能好。但它仍有一定的局限性，因钎焊温度高(1080℃)，易造成金刚石热损伤而降低金刚石的强度，采用真空条件或氩气保护进行钎焊可尽量减小金刚石的热损伤和氧化。</p><p> 马楚凡等选用NiCr13P9合金为活性钎料，同时加入少量Cr粉，在真空炉内加压加热到950℃进行钎焊，研制了牙科专用的单层高温钎焊金刚石砂轮。利用扫描电镜观察显示在金刚石的周围有银白色的合金包绕，X射线衍射分析证实有Cr3C2生成，正是这个碳化物层实现了金刚石与钢基体间较高的结合强度。磨削实验也证实金刚石确有高的把持强度，单层高温钎焊金刚石砂轮的寿命及磨削效率较电镀砂轮有了明显的提高。</p><p> 2)单层高温钎焊镀膜金刚石砂轮</p><p> 由于金刚石的热稳定性差，800℃时就会发生石墨化转变，所以较高的钎焊温度势必会造成金刚石的热损伤而使金刚石强度下降；同时结合剂中的有害元素会使金刚石腐蚀和石墨化，因此可在金刚石表面先镀上一层活性金属及其合金后再进行钎焊。</p><p> 超硬磨料的镀覆技术主要有化学气相沉积、离子镀、热蒸镀、真空微蒸发镀等。化学气相沉积Cr、真空微蒸发镀Ti等可有效改善金刚石的表面性能。在钎焊过程中，凭借镀层的中介作用，除了更易实现金刚石与结合剂间的强力冶金化学结合外，由于镀层对热空气中氧的阻隔作用而使金刚石表面的碳原子与氧的反应速度大大降低，同时镀层中的强碳化物形成元素与金刚石表面的碳原子反应生成碳化物，封闭了金刚石表面的悬键，增大了氧化反应的阻力，从而抑制了结合剂中的Fe、Co、Ni等元素对金刚石的腐蚀和金刚石本身的石墨化过程，使钎焊后的磨料仍能保持原来的强度和晶型。</p><p> 钎焊时首先在钢基体上预镀覆一层Ni-P合金(熔点为880℃)，然后将镀膜金刚石排布在合金层上，在1050℃的氩气中钎焊5min，再冷却至室温。磨削试验表明，由于镀膜金刚石与结合剂良好的浸润性，有效地避免了磨粒的脱落，大大改善了砂轮的磨削性能，实现了砂轮寿命和加工效率的大幅度提高。但应指出，由于镀膜金刚石与结合剂间存在着适应性问题，因此只有合适的结合剂和工艺才能使镀膜金刚石达到最佳的物理力学性能。</p><p> 3)单层高温钎焊砂轮存在的问题及应对措施</p><p> 国内外对单层高温钎焊砂轮的研究虽已取得了较好的实验结果，但其制造工艺还有待于进一步完善。目前存在问题主要表现为：一是采用何种钎料和钎焊工艺才能使金刚石结合界面上产生具有较高结合强度的化学冶金结合；二是结合剂层适宜的厚度与均匀性的控制；三是磨料合理有序的排布。对于提高金刚石与钎料结合强度来说，其关键是钎焊过程中金刚石、钎料、金属基体三者间能够产生化学冶金结合，因此合金钎料中应含有强碳化物形成元素，(如Ti、Cr、V等)，并争取在较低的温度下进行钎焊，尽量减小对金刚石的损伤。研制合理的钎料合金配方是开发单层钎焊砂轮应首先解决的问题。</p><p> 在工业化生产钎焊砂轮过程中，严格控制结合剂层的厚度及均匀性十分必要。钎焊前应对金属基体表面进行去氧化膜处理，对金刚石和钎料应去油去污。钎料中含有强碳化物形成元素并添加适量的B和Si可降低钎料熔点，提高钎料的流动性和浸润性；采用粉状钎料，在真空条件(或惰性气体保护)下进行钎焊。钎焊前磨料的有序排布和钎料布料厚度的一致性对提高钎焊后结合剂层厚度的均匀性亦十分重要。</p><p> 砂轮工作面上磨料的合理有序排布一直是磨具行业致力追求的目标，并有望在单层超硬磨料砂轮上实现。在开发钎焊砂轮的过程中，首先按照加工条件的要求，优化设计出砂轮的最佳地貌，然后根据优化结果排布磨料就有可能使开发出的钎焊砂轮的磨削性能达到更高水平。在模板上加工出孔径与金刚石磨粒直径相当、深度为金刚石高度70%的有规律排布的孔，按孔排布好金刚石，合金钎料熔化后的厚度约为金刚石高度的30%。这种利用孔模板来实现的钎焊工艺不仅可以保证磨粒的有序排布(等高性好)，而且还可保证金刚石有70%的出露高度。但其在工业生产中的推广应用尚需进一步研究。</p><p> 借鉴激光快速成型技术的SLS法，激光束在计算机控制下对预先随机排布在砂轮表面结合剂层上的磨粒按照给定的形貌要求进行扫描，有效控制激光强度、脉冲周期和光斑直径，保证一定的焊接温度和时间，这样被激光扫描到的磨粒就会按照形貌要求有序地钎焊到砂轮基体上，在去掉未被激光扫描到的磨粒后就得到了磨粒有序排布的单层钎焊砂轮。</p><p> 借鉴熔融堆积FDM法或三维打印3DP法，采用喷头在计算机控制下将磨粒和粘接剂的混合物按照砂轮形貌要求喷洒在基底上，或采用静电植砂法将磨料吸附在已涂胶的基底上，烘干后将钎料粉均匀布置于磨粒间再进行钎焊。采用静电植砂法，由于静电作用使磨粒尖端朝上，因此切削性能强，等高性好。</p><p> 虽然单层高温钎焊超硬磨料砂轮目前在制造工艺上还不完善，国内外许多学者正在积极进行研究，但其卓越的磨削性能已引起国内外磨削界工程技术人员的高度重视，今后逐步替代传统砂轮将是无法抗拒的必然趋势。<A href="#" >【MechNet】</a></p>
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