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金剛石或立方氮化硼(CBN)磨料砂輪的應(yīng)用
[2008-10-12]
1.引言
由金剛石或立方氮化硼(CBN)磨料制作的超硬磨料砂輪，因其優(yōu)良的磨削性能，已廣泛用于磨削領(lǐng)域的各個(gè)方面。金剛石砂輪是磨削硬質(zhì)合金、玻璃、陶瓷、寶石等高硬脆材料的特效工具。
近幾年來(lái)，隨著高速磨削和超精密磨削技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)砂輪提出了更高的要求，陶瓷和樹脂結(jié)合劑的砂輪已不能滿足生產(chǎn)的需要，金屬結(jié)合劑砂輪因其結(jié)合強(qiáng)度高、成型性好、使用壽命長(zhǎng)等顯著特性而在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。金屬結(jié)合劑金剛石砂輪按制造方式不同主要有有燒結(jié)和電鍍兩種類型。為了充分發(fā)揮超硬磨料的作用，國(guó)外從20世紀(jì)90年代初開始用高溫釬焊工藝開發(fā)一種新型砂輪，即單層高溫釬焊超硬磨料砂輪，目前國(guó)內(nèi)這種砂輪還處于研制開發(fā)階段。
2.燒結(jié)型金剛石
砂輪燒結(jié)型金屬結(jié)合劑砂輪多以青銅等金屬作為結(jié)合劑，用高溫?zé)Y(jié)法制造，其結(jié)合強(qiáng)度高，成型性好，耐高溫，導(dǎo)熱性和耐磨性好，使用壽命長(zhǎng)，可承受較大的負(fù)荷。因砂輪在燒結(jié)過(guò)程中不可避免地存在著收縮及變形，所以在使用前必須對(duì)砂輪進(jìn)行整形，但砂輪修整比較困難。目前生產(chǎn)中常用的砂輪對(duì)滾整形方法不僅在修整時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且修整過(guò)程中金剛石顆粒的脫落較多，修整砂輪本身的消耗很大，整形精度較低。近年來(lái)各國(guó)學(xué)者相繼開展了應(yīng)用特種加工方法修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的研究工作，主要有電解修整法、電火花修整法和復(fù)合修整法等。電解修整法速度快，但整形精度不高；電火花修整法整形精度高，既可整形又可修銳，但整形速度較慢；復(fù)合修整法有電解電火花復(fù)合修整法、機(jī)械化學(xué)復(fù)合修整法等，修整效果較好，但系統(tǒng)較復(fù)雜，因此燒結(jié)型金剛石砂輪的修整問(wèn)題仍然沒(méi)有得到很好的解決。此外，由于砂輪的制造工藝決定了其表面形貌是隨機(jī)的，各磨粒的幾何形狀、分布及切削刃所處的高度不一致，因此磨削時(shí)只有少數(shù)較高的切削刃切到工件，限制了磨削質(zhì)量和磨削效率的進(jìn)一步提高。
3.電鍍金剛石
砂輪電鍍金剛石砂輪的優(yōu)點(diǎn)：①電鍍工藝簡(jiǎn)單，投資少，制造方便；②無(wú)需修整，使用方便；③單層結(jié)構(gòu)決定了它可以達(dá)到很高的工作速度，目前國(guó)外已高達(dá)250～300m/s；④雖然只有單層金剛石，但仍有足夠的壽命；⑤對(duì)于精度要求較高的滾輪和砂輪，電鍍是唯一的制造方法。正是由于這些優(yōu)勢(shì)，電鍍砂輪在高速、超高速磨削中占據(jù)著無(wú)可爭(zhēng)議的主導(dǎo)地位。電鍍金剛石砂輪存在的缺陷：在鍍層金屬與基體及磨料的結(jié)合面上并不存在牢固的化學(xué)冶金結(jié)合，磨料實(shí)際上只是被機(jī)械包埋鑲嵌在鍍層金屬中，因而把持力小，金剛石顆粒在負(fù)荷較重的高效磨削中易脫落(或鍍層成片剝落)而導(dǎo)致整體失效；為增加把持力就必須增加鍍層厚度，其結(jié)果是磨粒裸露高度和容屑空間減小，砂輪容易發(fā)生堵塞，散熱效果差，工件表面容易發(fā)生燒傷。目前國(guó)內(nèi)的電鍍砂輪制造尚未實(shí)現(xiàn)按加工條件的要求而優(yōu)化設(shè)計(jì)出砂輪的****地貌，單層電鍍金剛石砂輪的這些固有弊端必然會(huì)大大限制它在高效磨削中的應(yīng)用。
4.單層釬焊金剛石
砂輪為了充分發(fā)揮金剛石的作用，要設(shè)法增大結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力，提高砂輪的結(jié)合強(qiáng)度。單層高溫釬焊超硬磨料砂輪能克服電鍍砂輪的缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)金剛石、結(jié)合劑、金屬基體三者之間的化學(xué)冶金結(jié)合，具有較高的結(jié)合強(qiáng)度，僅需將結(jié)合層厚度維持在磨粒高度的20%～30%就能在大負(fù)荷高速高效磨削中牢固地把持住磨粒，使釬焊砂輪的磨粒裸露高度可達(dá)70%～80%，因而增大了容屑空間，砂輪不易堵塞，磨料的利用更加充分。
在與電鍍砂輪相同的加工條件下，單層高溫釬焊超硬磨料砂輪的磨削力、功率損耗、磨削溫度更低，意味著可達(dá)到更高的工作速度，這在300～500m/s以上的超高速磨削中有著特殊的意義。單層高溫釬焊無(wú)鍍膜金剛石砂輪加Cr銀基釬料單層釬焊砂輪利用高頻感應(yīng)釬焊方法，用添加有Cr的Ag-Cu合金作為釬料，在780℃的空氣中釬焊35s，自然冷卻，可實(shí)現(xiàn)金剛石與鋼基體間的牢固連接。經(jīng)X射線能譜及X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，Cr與金剛石之間形成Cr3C2，與鋼基體之間形成(FexCry)C，經(jīng)與不加Cr釬料的對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，這是實(shí)現(xiàn)合金層與金剛石及鋼基體間都具有較高結(jié)合強(qiáng)度的主要因素，并通過(guò)磨削實(shí)驗(yàn)證實(shí)了金剛石確有較高的把持強(qiáng)度。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是釬焊溫度低，對(duì)金剛石的損傷小。缺點(diǎn)是銀基釬料的熔點(diǎn)較低，耐磨削高溫性能較差，在高效重負(fù)荷磨削中的應(yīng)用受到限制。Ni-Cr合金單層釬焊砂輪國(guó)外金剛石的釬焊工藝是：首先用氧乙炔焊炬在鋼基體上火焰噴涂上一層Ni-Cr合金層，這層活性金屬可作為釬料直接釬焊金剛石磨粒，然后在1080℃的氬氣中感應(yīng)釬焊30s。在火焰噴涂合金層的過(guò)程中，由于鋼基體表面易氧化，釬焊后結(jié)合劑層厚度的一致性和磨料排布的均勻性尚難于有效控制。武志斌等將金剛石磨粒直接排布在Ni-Cr合金片或粉末上，用陶瓷塊壓住金剛石磨粒，然后在真空高頻感應(yīng)機(jī)上釬焊30s，釬焊溫度為1080℃；或者在氬氣保護(hù)輻射加熱爐內(nèi)進(jìn)行釬焊，適當(dāng)控制釬焊溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度。利用掃描電鏡X射線能譜及X射線衍射結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，在釬焊過(guò)程中，Ni-Cr合金中的Cr元素分離出來(lái)在金剛石表面形成富Cr層，并與金剛石表面的-元素反應(yīng)生成Cr3C2和Cr7C3，合金層在與金剛石良好浸潤(rùn)的同時(shí)與鋼基體反應(yīng)生成(FexCry)C的碳化物，因此這種釬焊工藝可以確保合金層與金剛石及鋼基體之間都能獲得較高的結(jié)合強(qiáng)度。通過(guò)重負(fù)荷磨削實(shí)驗(yàn)證明了金剛石為正常磨損，沒(méi)有整顆金剛石脫落。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是：Ni-Cr合金本身的強(qiáng)度高，釬焊后可獲得比銀基合金釬焊更高的結(jié)合強(qiáng)度；Ni-Cr合金熔點(diǎn)高，耐磨削高溫性能好。但它仍有一定的局限性，因釬焊溫度高(1080℃)，易造成金剛石熱損傷而降低金剛石的強(qiáng)度，采用真空條件或氬氣保護(hù)進(jìn)行釬焊可盡量減小金剛石的熱損傷和氧化。馬楚凡等選用NiCr13P9合金為活性釬料，同時(shí)加入少量Cr粉，在真空爐內(nèi)加壓加熱到950℃進(jìn)行釬焊，研制了牙科專用的單層高溫釬焊金剛石砂輪。利用掃描電鏡觀察顯示在金剛石的周圍有銀白色的合金包繞，X射線衍射分析證實(shí)有Cr3C2生成，正是這個(gè)碳化物層實(shí)現(xiàn)了金剛石與鋼基體間較高的結(jié)合強(qiáng)度。磨削實(shí)驗(yàn)也證實(shí)金剛石確有高的把持強(qiáng)度，單層高溫釬焊金剛石砂輪的壽命及磨削效率較電鍍砂輪有了明顯的提高。單層高溫釬焊鍍膜金剛石砂輪由于金剛石的熱穩(wěn)定性差，800℃時(shí)就會(huì)發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，所以較高的釬焊溫度勢(shì)必會(huì)造成金剛石的熱損傷而使金剛石強(qiáng)度下降；同時(shí)結(jié)合劑中的有害元素會(huì)使金剛石腐蝕和石墨化，因此可在金剛石表面先鍍上一層活性金屬及其合金后再進(jìn)行釬焊。
超硬磨料的鍍覆技術(shù)主要有化學(xué)氣相沉積、離子鍍、熱蒸鍍、真空微蒸發(fā)鍍等�；瘜W(xué)氣相沉積Cr、真空微蒸發(fā)鍍Ti等可有效改善金剛石的表面性能。在釬焊過(guò)程中，憑借鍍層的中介作用，除了更易實(shí)現(xiàn)金剛石與結(jié)合劑間的強(qiáng)力冶金化學(xué)結(jié)合外，由于鍍層對(duì)熱空氣中氧的阻隔作用而使金剛石表面的碳原子與氧的反應(yīng)速度大大降低，同時(shí)鍍層中的強(qiáng)碳化物形成元素與金剛石表面的碳原子反應(yīng)生成碳化物，封閉了金剛石表面的懸鍵，增大了氧化反應(yīng)的阻力，從而抑制了結(jié)合劑中的Fe、Co、Ni等元素對(duì)金剛石的腐蝕和金剛石本身的石墨化過(guò)程，使釬焊后的磨料仍能保持原來(lái)的強(qiáng)度和晶型。
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