2008年6月总第165期 第3期
金刚石与磨料磨具工程
Diamond&AbrasivesEngineeringJune2008Serial.165 No.3
文章编号:1006-852X(2008)03-0039-04
烧结方式对陶瓷结合剂金刚石磨具性能影响的研究
侯永改
1,2
邹文俊 肖福仁 廖波
211
(1.燕山大学材料科学与工程学院,河北秦皇岛066004)(2.河南工业大学材料科学与工程学院,河南郑州450007)
摘 要 本文采用低熔点的陶瓷结合剂制备金刚石磨具,研究不同烧结方式及烧成温度对磨具的弯曲强度、硬度及磨削性能等的影响,同时研究不同温度下不被包裹金刚石及被玻璃粉包裹金刚石的热失重率。通过研究发现:725℃时,不被包裹金刚石的热失重率为5.47%,玻璃粉包裹后金刚石的热失重率仅为1.27%;制备的陶瓷结合剂金刚石磨具在725℃下烧成时,埋砂烧成磨具试样的弯曲强度和洛氏硬度值比不
埋砂烧成时分别提高了2.7%和1.5%;埋砂烧成比不埋砂烧成磨具的使用寿命延长10.4%～15.9%,但磨具加工一片刀具用时延长约20%,磨削过程需要砂轮修整。关键词 陶瓷结合剂;金刚石磨具;磨削性能中图分类号 TQ1 文献标识码 A
Effectofsinteringmanneronperformanceofvitrified
bonddiamondtools
HouYonggai,ZouWenjun,XiaoFuren,Liaobo
Qinhuangdao066004,Hebei,China)
(2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HenanUniversity
ofTechnology,Zhengzhou450007,China)
Abstract Inthistext,diamondtoolsweremadeusinglow-temperaturevitrifiedbond.Influenceofdifferentsinteringmannerandtemperatureonflexuralstrength,hardnessandgrindingperformanceofthediamondtoolswasstudied.WeightlossratioofdiamondbeingheatedwasanalysedbyTG/DTA.Itwasfoundthattheweightratiolossofnon-enwrappeddiamondanddiamondenwrappedwithglasspowerwas5.47%and1.27%respectively;Afterdiamondtoolswassinteredunder725℃,theflexuralstrengthandhardnessofsamplessinteredinglasspowderwasheightenindependentlyby2.7%and1.5%,theirworkinglifewasprolongedby10.4%～15.9%whencomparingwithsamplessinterednakedly.Butthetimeneededforprocessingonebladewasprolonged,andredresswasneededduringgrinding.Keywords vitrifiedbond;diamondtools;grindingperformance
1,2
2
1
1
(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,YanshanUniversity,
0 引言
PCD刀具的硬度高、耐磨性高,使刀具刃磨相当困
难,主要体现在材料磨除率小、砂轮损耗大、刃磨效率低、刃口呈锯齿状等
[1]
。陶瓷结合剂金刚石磨具由于
其磨削能力强,磨削温度低;磨具自锐性好,磨削时不
40金刚石与磨料磨具工程
[2-6]
总第165期
易堵塞,不易烧伤工件,且成本低
,在加工PCD刀6×5mm,跨距为22mm,加载速度为0.5mm/min;结
具时,其磨削过程与金属结合剂砂轮的磨削过程相似。不同的是,在金刚石磨粒磨钝之后,磨具的自锐性好,磨削力达到一定值后砂轮磨粒将自动脱落,形成新的磨粒,从而防止了磨削力过大、磨削温度过高导致PCD刀具热损
[7-8]
合剂的线膨胀系数采用WCP-2型差热膨胀仪测定,升温速度10℃/min;结合剂的耐火度测试采用三角锥法,以锥倒温度为所测定耐火度温度;用WVCT-2C微型差热天平对金刚石进行差热分析,升温速度10℃/min;在HR-150A洛氏硬度计测定样品的硬度,按GB/T2491-2003执行;将金刚石在725℃温度下裸
。陶瓷结合剂金刚石砂轮的刃磨表面质
量较好,基本与金属结合剂磨削表面质量相接近,而其磨削效率极高,约为金属结合剂砂轮刃磨效率的4倍
[9]
烧和混合玻璃粉煅烧,在体视显微镜下放大80X观察形貌;用扫描电镜(Quanta600,美国)观察裸烧及埋砂烧成磨具试样的断面形貌。试验采用超硬刀具磨床分别为远山生产的FC-200D型和北京生产的2M9120A型。磨削时砂轮
。
[9]
在较高的温度下,金刚石磨粒容易石墨化,粒度越细这种趋势越明显
。特别是金刚石的品级越低,热
损失现象越严重,造成陶瓷结合剂金刚石砂轮在磨削过程中的锋利性下降,优势不能充分发挥,制约了陶瓷金刚石砂轮的推广应用在烧成过程中的损失。
本文首先对未包裹的金刚石和玻璃粉包裹的金刚石在空气气氛下进行差热分析,研究两种情况下金刚石的热稳定性,其中包裹用的玻璃粉是自制的,并且在与差热相同烧成温度下预先进行煅烧。
然后采用低熔点的玻璃料为结合剂,压制成陶瓷结合剂金刚石磨具样块,采用两种装窑方式:一种是在空气中裸放,另一种是用粒度180目的石英砂填埋,在不同的烧成温度下制备出陶瓷结合剂金刚石磨具试样,研究试样的弯曲强度、硬度及磨削性能。
[10]
转速为2200r/min;磨床配备有高精度光学投影仪和回转工作台;磨床还配备有数显装置,尺寸精度达0.001mm。加工的刀具分别为PCD轮毂刀和PCD木
。因此,人们采取在各种保护气氛下制备金刚石磨具,以利于尽可能减小金刚石
工锯片。
2 结果及讨论
2.1 不同条件下金刚石的热失重率比较
试验时,先将自制的玻璃粉进行煅烧,再用煅烧过的玻璃粉将粒度75-90(μm)的Ⅰ型金刚石包裹。分别对煅烧的玻璃粉、裸烧金刚石和玻璃粉包裹金刚石进行差热分析。图1为裸烧金刚石和被玻璃粉包裹金
1 试验
1.1 实验所用的主要原材料
结合剂:自制,化学成分如表1所示;GC:F800-1200;金刚石:12-22μm,7-10μm。
表1 结合剂的化学成分
Tab.1 Chemicalcompositionofbond
化学成分
SiO2Al2O3B2O3
16.5
CaOK2O+Na2O其它<0.5
6.78
5.25
灼减
1.17
含量/%66.054.15
图1 金刚石的热失重率
Fig.1 Ratioofthermallossofweight
1.2 试样制备
制备磨具规格尺寸为6A2150×40×40×15×8mm,样品分别采用裸烧和埋砂烧成。1.3 性能测试
刚石,在空气条件测定的不同温度时的热失重率。图2为包裹金刚石使用的经过煅烧的玻璃粉的TG/DTA。
从图2可以看出用于包裹金刚石的玻璃粉,经过与差热分析相同温度煅烧后,再进行差热分析时,在测定温度下热失重随温度变化很小,因此对玻璃粉包裹金刚石的差热影响较小。从图1可以看出玻璃粉包裹
在CMT4504型微机控制电子式万能材料实验机上采用三点弯曲法测定抗弯强度,试样尺寸为26.5×
第3期侯永改等:烧结方式对陶瓷结合剂金刚石磨具性能影响的研究41
比较图3中的照片可以看出,裸烧金刚石在725℃煅烧后,金刚石颗粒的形貌损伤较严重,几乎没有完整的晶面存在;而在同样温度和条件下煅烧后,被玻璃粉包裹金刚石的颗粒形状规则,形貌完好,有清晰可见的完整晶面存在。
2.3 不同烧成方式时陶瓷结合剂金刚石磨具的弯曲
强度和硬度
图4和图5分别表示不同烧成温度下,埋砂烧成磨具和裸烧磨具试样的弯曲强度和洛氏硬度值。从图可以看出:①埋砂烧成磨具试样的弯曲强度和洛氏硬图2 煅烧玻璃粉的TG/DTA
Fig.2 TG/DTAofsinteredglasspowder金刚石的失重率随温度升高下降很少,同样条件下裸烧金刚石的热失重率随温度升高明显增大,725℃时,裸烧金刚石的为5.47%,玻璃粉包裹的金刚石的为1.27%,说明被玻璃粉包裹后金刚石在空气中的热稳定
性有较大的提高。
2.2 纯金刚石与玻璃粉包裹金刚石煅烧后的形貌
将裸烧金刚石和玻璃粉包裹金刚石在空气气氛下加热到725℃,保温40min进行煅烧,然后在80X体(b)所示。视显微镜下观察金刚石的形貌如图3(a)、
图3 金刚石在不同方式下煅烧后的体视显微照片
Fig.3 Macrographofdiamondaftersinteringindifferentmanner
度值均比不埋砂直接烧成时的高。②在约725℃烧成时,磨具试样的弯曲强度和洛氏硬度达到最大值,裸烧
42金刚石与磨料磨具工程总第165期
磨具试样的弯曲强度和洛氏硬度值分别为58.61MPa和79.4MPa,埋砂烧成试样的强度和硬度分别为60.17MPa和80.6MPa,磨具试样的弯曲强度和洛氏
需要中间修整,因此,加工效率高,加工工件热损伤性和被破坏性小,但是耐用度相对较低。
硬度分别提高了2.7%和1.5%。这可能是由于埋砂烧成时,金刚石的氧化损伤小,金刚石与结合剂结合处的挥发物少,结合剂对金刚石磨粒的润湿性好,结合强度高;而磨具试样裸烧时,由于金刚石的氧化,使结合剂对磨粒润湿和结合能力降低。
2.4 不同烧成方式下陶瓷结合剂金刚石砂轮的磨削
3 结论
(1)被玻璃粉包裹金刚石在空气中的热稳定性比
裸烧金刚石的高。725℃时,裸烧金刚石的热失重率为5.47%,玻璃粉包裹后金刚石的热失重率为1.27%。
(2)埋砂烧成磨具试样的弯曲强度和洛氏硬度值应用试验
使用试验的砂轮样品加工粗开后的PCD轮毂刀,裸烧样品和埋砂样品的磨削对比结果如表2所示。
表2 磨削对比结果Tab.2 Theresultsofgrinding
性能指标加工余量(mm)加工时间(min/片)每一片砂轮加工刀片数(把)
修整情况
裸烧样品0.3～0.351.0～1.5
均比裸烧时的高,725℃时,磨具试样的弯曲强度和洛氏硬度分别提高了2.7%和1.5%。
(3)埋砂烧成磨具比裸烧磨具的使用寿命延长10.4%～15.9%;埋砂烧成磨具比裸烧磨具加工一片
刀具用时延长约20%;埋砂烧成磨具比裸烧磨具需要
埋砂样品
0.3～0.351.2～1.8
更多的修整。磨具的锋利性略差。
参考文献
[1] 侯永改,彭进,邹文俊等.磨PCD刀具陶瓷结合剂金刚石砂轮的
研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2007(6):51-54[2] 刘志强.PCD刀具的金刚石砂轮机械刃磨工艺[J].工具技术,
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[4] 侯永改,栗政新等.计算机辅助低温陶瓷结合剂热膨胀系数的测
定及计算[J].金刚石与磨料磨具工程,2005(6):68-70
～220不需要中间修整
～255
磨削效率低时砂轮需要进行修整
使用试验的样品加工木工锯片,裸烧样品和埋砂样品的磨削对比结果如表3所示。
表3 磨削对比结果
Tab.3 Theresultsofgrinding
性能指标加工余量(mm)走刀量(mm)砂轮速度(m/s)每一片砂轮加工工件(齿)工件表面粗糙度(μm)
修整情况
裸烧样品～0.5
0.0325～30
埋砂样品～0.5
0.0325～30
[5] 侯永改,彭进,邹文俊等.合金粉对低温陶瓷结合剂及CBN磨具
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ousvitrified-bondedwheelwithultra-finediamondAbrasives
[J].KeyEngineerMaterial,2004,257-258:251-256
～2400
0.2
～2650
0.2
不需要中间修整
磨削效率低时砂轮需要进行修整
表2和表3分别表示埋砂和不埋砂磨具试样磨削加工不同PCD刀具的磨削对比结果。从表2和表3可以看出,在加工同样余量,达到相同加工效果时,埋砂烧成磨具试样磨加工不同种类的工件时,其加工件的数量均有增加,即磨具的使用寿命延长10.4%～15.9%。但是,埋砂烧成磨具试样加工一片刀具所需
作者简介
侯永改,女,19年生,河南工业大学材料科学与工程学院副教授,燕山大学材料科学与工程学院在读博士,主要研究低温陶瓷结合剂及超硬材料陶瓷磨具。E-mail:yonggai_hou@haut.edu.cn
收稿日期:2008-03-9
要的时间比裸烧磨具试样的长约20%,埋砂烧成磨具试样在加工工件时,需要中间修整;而不埋砂磨具试样在磨加工工件时,磨具的锋利性高,加工过程中几乎不
(编辑:王琴)
