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金属结合剂金刚石砂轮的讨论及进展引言1由金刚石或立方氮化硼)磨料制作的超硬磨料砂轮,因其优良(CBN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快速进展,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充足生产的需要,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重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,国外从世纪时代初开始用高温钎焊工艺开发2090一种新型砂轮,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烧结型金刚石砂轮2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开地存在着收缩及变形,所以在使用前必需对砂轮进行整形,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劲,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讨论工作,重要有电解修整法、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,但系统较多而杂,因此烧结型金刚石砂轮的修整问题依旧没有得到很好的解决此外,由于砂轮的制造工艺决议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电镀金刚石砂轮3电镀金刚石砂轮的优点
①电镀工艺简单,投资少,制造便利;
②无需修整,使用便利;
③单层结构决议了它可以达到很高的工作速度,目前国外已高达
④虽然只有单层金刚石,但仍有充足的寿命;
⑤对250〜300m/s;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坚固的化学冶金结合,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;为加添把持力就必需加添镀层厚度,其结果是磨粒暴露高度和容屑空间减小,砂轮简单发生堵塞,散热效果差,工件表面简单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定会大大限制它在高效磨削中的应用单层钎焊金刚石砂轮4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就能在大负荷高20%〜30%速高效磨削中坚固地把持住磨粒,使钎焊砂轮的磨粒暴露高度可达70%〜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80%,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,这在以上300〜500m/s的超高速磨削中有着特别的意义单层高温钎焊无镀膜金刚石砂轮加银基钎料单层钎焊砂轮Cr利用高频感应钎焊方法,用添加有的一合金作为钎料,在Cr AgCu的空气中钎焊自然冷却,可实现金刚石与钢基体间的坚固连接78CTC35s,经射线能谱及射线衍射分析发觉,与金刚石之间形成与钢基X XCr Cr3C2,体之间形成经与不加钎料的对比试验证明,这是实现合金层FexCry C,Cr与金刚石及钢基体间都具有较高结合强度的重要因素,并通过磨削试验证明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一合金单层钎焊砂轮Ni Cr国外金刚石的钎焊工艺是首先用氧乙块焊炬在钢基体上火焰喷涂上一层合金层,这层活性金属可作为钎料直接钎焊金刚石磨粒,然后在Ni-Cr的氨气中感应钎焊在火焰喷涂合金层的过程中,由于钢基体表面1080C30so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掌控武志斌等将金刚石磨粒直接排布在合金片或粉末上,用陶瓷Ni—Cr块压住金刚石磨粒,然后在真空高频感应机上钎焊钎焊温度为30s,1080℃;或者在氧气保护辐射加热炉内进行钎焊,适当掌控钎焊温度、保温时间和冷却速度利用扫描电镜射线能谱及射线衍射结构分析发觉,在钎焊X X过程中,合金中的元素分别出来在金刚石表面形成富层,并Ni—Cr CrCr与金刚石表面的一元素反应生成和合金层在与金刚石良好浸润Cr3c2Cr7c3,的同时与钢基体反应生成的碳化物,因此这种钎焊工艺可以确保FexCry C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试验证明白金刚石为正常磨损,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肯定的局限性,因钎焊Ni—Cr温度高易造成金刚石热损伤而降低金刚石的强度,采纳真空条件108CTC,或氧气保护进行钎焊可尽量减小金刚石的热损伤和氧化马楚凡等选用合金为活性钎料,同时加入少量粉,在真NiCrl3P9Cr空炉内加压加热到进行钎焊,研制了牙科专用的单层高温钎焊金刚95TC石砂轮利用扫描电镜察看显示在金刚石的四周有银白色的合金包绕,X射线衍射分析证明有生成,正是这个碳化物层实现了金刚石与钢基体Cr3c2间较高的结合强度磨削试验也证明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单层高温钎焊镀膜金刚石砂轮由于金刚石的热稳定性差,时就会发生石墨化变化,所以较高80TC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超硬磨料的镀覆技术重要有化学气相沉积、离子镀、热蒸镀、真空微蒸发镀等化学气相沉积、真空微蒸发镀等可有效改善金刚石的表面Cr Ti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隔绝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、、等元素对金刚石Fe CoNi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钎焊时首先在钢基体上预镀覆一层合金熔点为然后将Ni—P88TC,镀膜金刚石排布在合金层上,在的氧气中钎焊再冷却至室温105TC5min,磨削试验表明,由于镀膜金刚石与结合剂良好的浸润性,有效地避开了磨粒的脱落,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单层高温钎焊砂轮存在的问题及应对措施国内外对单层高温钎焊砂轮的讨论虽已取得了较好的试验结果,但其制造工艺还有待于进一步完善目前存在问题重要表现为一是采纳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;二是结合剂层适合的厚度与均匀性的掌控;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、、等),并争取在较低的温度下进行钎焊,Ti CrV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在工业化生产钎焊砂轮过程中,严格掌控结合剂层的厚度及均匀性非常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和可降低钎料B Si熔点,提高钎料的流动性和浸润性;采纳粉状钎料,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非常紧要砂轮工作面上磨料的合理有序排布一直是磨具行业致力努力探求的目标,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,首先依照加工条件的要求,优化设计出砂轮的最佳地貌,然后依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、深度为金刚石高度的有规律排布70%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%o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的出露高度但其在工业生产中的推广70%应用尚需进一步讨论借鉴激光快速成型技术的法,激光束在计算机SLS掌控下对预先随机排布在砂轮表面结合剂层上的磨粒依照给定的形貌要求进行扫描,有效掌控激光强度、脉冲周期和光斑直径,保证肯定的焊接温度和时间,这样被激光扫描到的磨粒就会依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借鉴熔融聚积法或三维打印法,采纳喷头在计算机掌控下FDM3DP将磨粒和粘接剂的混合物依照砂轮形貌要求喷洒在基底上,或采纳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纳静电植砂法,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,国内外很多学者正在积极进行讨论,但其杰出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,今后渐渐替代传统砂轮将是无法抗拒的必定趋势。