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    各种金刚石砂轮的性能及其优缺点介绍

    各种金刚石砂轮的性能及其优缺点介绍


    导读:近几年来,随着高速磨削超精密磨削技术迅速发展,对砂轮提出了更高要求,陶瓷树脂结合剂砂轮已不能满足生产需要,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生产得到了广泛应用。金属结合剂金刚石砂轮按制造方式不同主要有有烧结电镀两种类型。金刚石砂轮优点电镀工艺简单,投资少,制造方便;电镀金刚石砂轮存缺陷:镀层金属与基体及磨料结合面上并不存牢固化学冶金结合。
      金刚石砂轮的性能与应用

      1、引言
      由金刚石或立方氮化硼(CBN)磨料制作超硬磨料砂轮,因其优良磨削性能,已广泛用于磨削领域各个方面。
      金刚石砂轮磨削硬质合金、玻璃、陶瓷、宝石等高硬脆材料特效工具。近几年来,随着高速磨削超精密磨削技术迅速发展,对砂轮提出了更高要求,陶瓷树脂结合剂砂轮已不能满足生产需要,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生产得到了广泛应用。
      金属结合剂金刚石砂轮按制造方式不同主要有有烧结电镀两种类型。为了充分发挥超硬磨料作用,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。
      2、烧结型金刚石砂轮
      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,导热性耐磨性好,使用寿命长,可承受较大负荷。因砂轮烧结过程不可避免地存着收缩及变形,所以使用前必须对砂轮进行整形,但砂轮修整比较困难。目前生产常用砂轮对滚整形方法不仅修整时费时费力,而且修整过程金刚石颗粒脱落较多,修整砂轮本身消耗很大,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研究工作,主要有电解修整法、电火花修整法复合修整法等。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修整问题仍然没有得到很好解决。
      此外,由于砂轮制造工艺决定了其表面形貌随机,各磨粒几何形状、分布及切削刃所处高度不一致,因此磨削时只有少数较高切削刃切到工件,限制了磨削质量磨削效率进一步提高。
      3、电镀金刚石砂轮
      电镀金刚石砂轮优点:
      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,但仍有足够寿命;
      ⑤对于精度要求较高滚轮砂轮,电镀唯一制造方法。
      正由于这些优势,电镀砂轮高速、超高速磨削占据着无可争议主导地位。电镀金刚石砂轮存缺陷:镀层金属与基体及磨料结合面上并不存牢固化学冶金结合,磨料实际上只被机械包埋镶嵌镀层金属,因而把持力小,金刚石颗粒负荷较重高效磨削易脱落(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,其结果磨粒裸露高度容屑空间减小,砂轮容易发生堵塞,散热效果差,工件表面容易发生烧伤。目前国内电镀砂轮制造尚未实现按加工条件要求而优化设计出砂轮最佳地貌,单层电镀金刚石砂轮这些固有弊端必然会大大限制它高效磨削应用。
      4、单层钎焊金刚石砂轮
      为了充分发挥金刚石作用,要设法增大结合剂对金刚石把持力,提高砂轮结合强度。单层高温钎焊超硬磨料砂轮能克服电镀砂轮缺点,可以实现金刚石、结合剂、金属基体三者之间化学冶金结合,具有较高结合强度,仅需将结合层厚度维持磨粒高度20%~30%就能大负荷高速高效磨削牢固地把持住磨粒,使钎焊砂轮磨粒裸露高度可达70%~80%,因而增大了容屑空间,砂轮不易堵塞,磨料利用更加充分。
      与电镀砂轮相同加工条件下,单层高温钎焊超硬磨料砂轮磨削力、功率损耗、磨削温度更低,意味着可达到更高工作速度,这300~500m/s以上超高速磨削有着特殊意义。单层高温钎焊无镀膜金刚石砂轮加Cr银基钎料单层钎焊砂轮利用高频感应钎焊方法,用添加有CrAg-Cu合金作为钎料,780℃空气钎焊35s,自然冷却,可实现金刚石与钢基体间牢固连接。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钎料对比实验证明,这实现合金层与金刚石及钢基体间都具有较高结合强度主要因素,并通过磨削实验证实了金刚石确有较高把持强度。
      该工艺优点钎焊温度低,对金刚石损伤小。缺点银基钎料熔点较低,耐磨削高温性能较差,高效重负荷磨削应用受到限制。
      Ni-Cr合金单层钎焊砂轮国外金刚石钎焊工艺:首先用氧乙炔焊炬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1080℃氩气感应钎焊30s。
      火焰喷涂合金层过程,由于钢基体表面易氧化,钎焊后结合剂层厚度一致性磨料排布均匀性尚难于有效控制。
      武志斌等将金刚石磨粒直接排布Ni-Cr合金片或粉末上,用陶瓷块压住金刚石磨粒,然后真空高频感应机上钎焊30s,钎焊温度为1080℃;或者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,钎焊过程,Ni-Cr合金Cr元素分离出来金刚石表面形成富Cr层,并与金刚石表面-元素反应生成Cr3C2Cr7C3,合金层与金刚石良好浸润同时与钢基体反应生成(FexCry)C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。这种工艺优点:Ni-Cr合金本身强度高,钎焊后可获得比银基合金钎焊更高结合强度;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热损伤氧化。
      马楚凡等选用NiCr13P9合金为活性钎料,同时加入少量Cr粉,真空炉内加压加热到950℃进行钎焊,研制了牙科专用单层高温钎焊金刚石砂轮。
      利用扫描电镜观察显示金刚石周围有银白色合金包绕,X射线衍射分析证实有Cr3C2生成,正这个碳化物层实现了金刚石与钢基体间较高结合强度。磨削实验也证实金刚石确有高把持强度,单层高温钎焊金刚石砂轮寿命及磨削效率较电镀砂轮有了明显提高。
      单层高温钎焊镀膜金刚石砂轮由于金刚石热稳定性差,800℃时就会发生石墨化转变,所以较高钎焊温度势必会造成金刚石热损伤而使金刚石强度下降;同时结合剂有害元素会使金刚石腐蚀石墨化,因此可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表面性能。钎焊过程,凭借镀层介作用,除了更易实现金刚石与结合剂间强力冶金化学结合外,由于镀层对热空气氧阻隔作用而使金刚石表面碳原子与氧反应速度大大降低,同时镀层强碳化物形成元素与金刚石表面碳原子反应生成碳化物,封闭了金刚石表面悬键,增大了氧化反应阻力,从而抑制了结合剂Fe、Co、Ni等元素对金刚石腐蚀金刚石本身石墨化过程,使钎焊后磨料仍能保持原来强度晶型。
      钎焊时首先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合金层上,1050℃氩气钎焊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浸润性,有效地避免了磨粒脱落,大大改善了砂轮磨削性能,实现了砂轮寿命加工效率大幅度提高。
      但应指出,由于镀膜金刚石与结合剂间存着适应性问题,因此只有合适结合剂工艺才能使镀膜金刚石达到最佳物理力学性能。单层高温钎焊砂轮存问题及应对措施国内外对单层高温钎焊砂轮研究虽已取得了较好实验结果,但其制造工艺还有待于进一步完善。目前存问题主要表现为:一采用何种钎料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化学冶金结合;二结合剂层适宜厚度与均匀性控制;三磨料合理有序排布。对于提高金刚石与钎料结合强度来说,其关键钎焊过程金刚石、钎料、金属基体三者间能够产生化学冶金结合,因此合金钎料应含有强碳化物形成元素,(如Ti、Cr、V等),并争取较低温度下进行钎焊,尽量减小对金刚石损伤。
      研制合理钎料合金配方开发单层钎焊砂轮应首先解决问题。工业化生产钎焊砂轮过程,严格控制结合剂层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,对金刚石钎料应去油去污。钎料含有强碳化物形成元素并添加适量BSi可降低钎料熔点,提高钎料流动性浸润性;采用粉状钎料,真空条件(或惰性气体保护)下进行钎焊。
      钎焊前磨料有序排布钎料布料厚度一致性对提高钎焊后结合剂层厚度均匀性亦十分重要。砂轮工作面上磨料合理有序排布一直磨具行业致力追求目标,并有望单层超硬磨料砂轮上实现。
      开发钎焊砂轮过程,首先按照加工条件要求,优化设计出砂轮最佳地貌,然后根据优化结果排布磨料就有可能使开发出钎焊砂轮磨削性能达到更高水平。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%有规律排布孔,按孔排布好金刚石,合金钎料熔化后厚度约为金刚石高度30%。这种利用孔模板来实现钎焊工艺不仅可以保证磨粒有序排布(等高性好),而且还可保证金刚石有70%出露高度。但其工业生产推广应用尚需进一步研究。

     


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