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摘　要　利用高频感应钎焊技术制备单层金刚石静强度实验样块和磨削砂轮,比较了单颗金刚石磨粒在磨削过程中所承受的平均法向和切向载荷分别与其钎焊后的静压强度和静剪切强度大小,结合对磨削过程中磨粒的磨损形态的观察,揭示钎焊金刚石砂轮在磨削过程中金刚石磨粒的磨损机理. 实验结果表明:一般磨削过程中金刚石磨粒所承受的载荷远小于其静强度;钎焊后磨粒的静强度主要受钎焊时的真空度和钎焊加热时间的影响,真空度越高,静强度越大,钎焊时间越长,静压强度损失越大,而静剪切强度却存在一个最佳的钎焊时间;利用高频感应加热方式制备金刚石工具的磨粒焊接强度,完全能满足一般磨削加工要求,在磨削过程中磨粒以微破碎为主,很少有脱落和整颗折断现象.

关键词　磨削砂轮 钎焊 磨粒磨损 钎焊强度 磨削力

Welding strength of brazing diamond grits

ABSTRACT　Monolayer diamond grinding wheels and static strength samples were prepared by the HF induction brazing technology under different conditions. The normal abrasion behavior of diamond grits was found out through the comparison between the single grit’s tangential and normal component force during grinding and the static compressive strength and static shearing strength of diamond grains after being brazed. As the same time , the abrasion state of diamond grits during grinding was observed. The results show that the load applied to diamond grains during grinding process is much smaller than their static strength after being brazed. The static strength of diamond grits after being brazed is influenced by vacuum degree and heating time during brazing process. The static strength is strong under the conditions of high vacuum degree and the static compressive strength loses much under the conditions of long brazing time. Otherwise , the static shearing strength is associated to an optimal brazing time. Diamond tools fabricated by the HF induction brazing technology meet the needs of normal grinding fields. Most of the grits are micro2broken during grinding and only a few of them are pulled2out or broken-off .

KEY WORDS 　grinding wheel ; brazing ; grain abrasion ; brazing strength ; grinding force

       金刚石具有极高的硬度和良好的耐磨性,广泛用于硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃、半导体材料、花岗岩等硬脆材料的加工领域[1 ] . 除了自由磨料加工以外,传统的金刚石工具要求金刚石颗粒必须固结在基体(胎体) 上才能实现加工. 固结金刚石磨粒的方法有很多,如电镀和烧结. 钎焊金刚石技术是近30 年发展起来的一种新的固结方法,钎焊单层金刚石工具,由于其结合界面上存在牢固的冶金化学结合[2- 3 ] ,因而克服了传统砂轮在磨削过程中磨粒脱落甚至砂轮整体失效的弊端. 目前应用到钎焊单层金刚石工具制造的加热方法有炉中钎焊[4 ] 、盐浴钎焊、激光钎焊和高频感应钎焊. 无论采用何种加热方式,保证基体与金刚石磨粒之间的牢固结合是钎焊法制备金刚石工具的关键要素,因此如何评价钎焊金刚石工具中结合剂对金刚石的把持力显得尤为重要. 文献[ 5 ]采用金刚石单晶颗粒平面单层紧密排布的方式,将金刚石颗粒通过钎料与基体钎焊,制备拉伸试样,通过拉伸实验测得钎焊单层金刚石颗粒与基体的结合强度. 该方法虽然可以近似检验金刚石磨粒的钎焊强度,但是只能反映磨粒的静态强度,并不能用该强度的大小来解释磨粒在加工过程中具体破碎方式. 研究表明,加工过程中金刚石的破碎机制与加工区内载荷的大小密切相关[6 ] . 一般认为,钎焊金刚石砂轮磨粒的磨损过程为完整—磨平(少量) —破碎,磨粒很少发生脱落现象[7- 9 ] ,磨粒利用率高.

       因此,本研究利用高频感应加热方式制备单层金刚石砂轮和静强度实验样块,通过观察砂轮磨粒在磨削过程中的磨损状态,以及单颗磨粒的受力情况,并测定钎焊后样块磨粒的静剪切强度和静压强度,旨在将磨粒的的静强度和磨粒在一般磨削条件下所承受的平均载荷联系起来,揭示钎焊金刚石砂轮在磨削过程中金刚石磨粒的磨损机理.

1 　实验装置及实验方法

       1.1 　磨削实验

       磨削实验装置在万能工具磨床MQ6025A 上进行,采用干磨削,见图1 所示.

       样块的制备采用与砂轮同样的钎焊工艺,具体钎焊参数见表3. 样块钎焊后测定金刚石磨粒的静压强度和静剪切强度. 静压强度设备为MODELGM(MADE IN GE) . 静剪切强度实验装置示意图如图2 所示. 图中的虚线为剪切块的初始位置,实线是剪切块的剪切位置. 为了尽量使金刚石磨粒剪切时受力状态同磨削时的切向受力状态保持一致,实验中保证每次剪切时二者的差值均为200μm. 剪切块材料为45号钢. 实验时,固定剪切样块不动,先让剪切块同磨粒轻接触,然后通过在机床工作台上匀速施加推力,直到磨粒发生破坏,从力的变化曲线上读出最大剪切力. 考虑到金刚石磨粒的各向异性[11 ]和感应钎焊局部受热不均匀的影响,实验中每个试样上钎焊时沿基体圆周上均布40 颗金刚石磨粒,静强度数值为40 颗磨粒的平均值.

2 　实验结果及分析

       2.1 　磨削实验结果

       2.1.1 　磨粒的磨损状态

       图3 为磨削过程中磨粒的磨损状态随石材切除量的变化趋势. 从图中可以看出,除了刚开始磨削阶段,由于钎焊工艺和金刚石磨粒本身的因素,有少数磨粒脱落外,在整个磨削过程中,金刚石主要以破碎为主,很少有脱落现象发生.

       2.1.2 　单颗磨粒平均载荷

       图4 为钎焊砂轮在磨削过程中金刚石磨粒承受的平均载荷随切深a_p 的变化曲线. 从图中可以看出,在砂轮三种转速条件下,无论是单颗磨粒的平均法向载荷还是平均切向载荷,都随切深的增加而增大,随砂轮转速的提高而减小. 磨削过程中单颗磨粒承受的载荷非常小,法向最大平均载荷为3 N ,切向最大平均载荷为1.12 N.

       2.2 　磨粒静强度结果

       图5 为钎焊后金刚石磨粒的静强度测定结果.从图5 (a) 中可以看出,磨粒的静压强度随钎焊时间的增长而急剧变小,在低真空度环境下,强度下降得更加厉害. 图5 (b) 为钎焊后磨粒的静剪切强度同真空度及钎焊时间的关系图. 仅从力的大小来看,不同的真空度,相同的钎焊时间,试样的剪切破坏力不相同. 在钎料未熔化的情况下,如加热时间为13 s时,两种真空条件下试样的剪切破坏力相差不大,而当钎焊时间增加到15 s 时,高真空度环境下钎焊试样的剪切破坏力近似是低真空环境下的1.5 倍,随着钎焊时间的延长,两者的差值进一步加大.

　    结合Hirox KH- 1000 体视数字显微系统对样块的钎料层的观察,在真空度为5 Pa 的条件下,钎焊时间分别为13 , 15 和17 s 时的钎料层形貌如图6所示. 图6 (a) 为钎焊时间13 s 时的钎料层形貌,此时钎料已经有部分熔化,钎料层比较均匀地铺展在基体表面上,熔化的钎料晶体比较细密均匀,未观察到磨粒和钎料界面有新的物质生成,其静剪切强度只有18.8 N(如图5 (b) 所示) . 图6 (b) 为钎焊时间15 s 时的钎料层形貌图,此时合金粉末钎料熔化充分,且有一定的流动性,在体视数字显微系统1 000倍显示下,可以同时观察到有片状和棱柱状物质的存在,可能是Cr₇C₃ 和Cr₃C₂[12- 13 ] ,磨粒的静剪切强度达到40 N(如图5 (b) 所示) . 图6 (c) 为钎焊时间17 s 时钎料层的形貌图,此时合金粉末钎料充分熔化,熔化的钎料流动性好,在钎焊加热过程中,通过人眼可以观察到有少量熔化的钎料沿基体四周流失,使得钎焊后工具的钎料层变薄,磨粒和钎料的结合面积减少,磨粒的静剪切强度下降到18.9 N (如图5 (b) 所示) . 利用数字显微系统观察,在1 000 倍显示下,发现钎焊后的钎料层晶粒被拉长,在金刚石磨粒和基体结合处有大量的片状物质生成,可能是Cr₇C₃ .

       2.3 　结果分析

       文献[ 14 ]指出,金刚石磨粒的静载与动载之间有较好的相关性. 从图5 和图6 可以看出,即使是在钎焊时间不充分或者钎焊时间过长的情况下,金刚石磨粒的静压强度最小为220.5 N ,最小静剪切强度为18.8N ;而从图4 中可以看出,在一般磨削过程中,金刚石磨粒的最大平均法向载荷为3.2 N ,最大平均切向载荷为1.12 N ,分别近似是其最小静压强度和静剪切强度的1/ 69 和1/ 17 ;并且从图3 金刚石的磨损状态可知,磨粒大部分发生微破碎,很少有折断和脱落现象发生.

3 　结论

       (1) 一般磨削条件下,钎焊金刚石磨粒以微破碎为主,未出现脱落和整颗折断现象.

       (2) 利用一般的钎焊技术制备单层金刚石工具,钎焊后金刚石磨粒的静压强度随钎焊时间的延长而下降,在低真空度条件下下降更加剧烈.

       (3) 经过高温钎焊后,金刚石磨粒的动强度和静强度之间仍保持一定的联系,利用钎焊技术制备的磨削工具完全能满足一般磨削要求.

参　考　文　献

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