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1引言
樹(shù)脂結(jié)合劑磨具是金剛石磨具中目前用量最大的一類，約占世界上金剛石磨具總量的60%左右。這類磨具廣泛應(yīng)用于加工硬質(zhì)合金工件、刀具和陶瓷表面的拋光處理。金剛石樹(shù)脂磨具的磨削特點(diǎn)，主要是磨削力和磨削熱小、自銳性好、不易堵塞，加工效率高，加工表面光滑度高，磨具易修整。
但是由于樹(shù)脂結(jié)合劑的耐熱性差，對(duì)金剛石的把持力小，使得樹(shù)脂結(jié)合劑磨具的使用壽命較低，使用受到了一定的限制。為了提高樹(shù)脂結(jié)合劑磨具的壽命，通常采用兩種方法進(jìn)行改進(jìn)。一種方法是嘗試新樹(shù)脂或者對(duì)現(xiàn)有樹(shù)脂進(jìn)行改性，以提高樹(shù)脂的耐熱性;另一種方法是對(duì)金剛石進(jìn)行鍍覆，以提高樹(shù)脂對(duì)金剛石的把持力。
金剛石工業(yè)上已經(jīng)規(guī)?；a(chǎn)的是鍍覆金屬鍍層如鈦、鎳等，鍍層可以有效提高磨料與結(jié)合劑的結(jié)合強(qiáng)度。鍍覆金屬層可以和金屬結(jié)合劑形成冶金結(jié)合，目前已應(yīng)用于金屬結(jié)合劑金剛石磨具。然而，由于金屬鍍層與樹(shù)脂親和性較弱，鍍覆金屬鍍層表面光滑，難以和樹(shù)脂結(jié)合劑形成更牢固的機(jī)械結(jié)合，最新研制成功的超硬磨料表面涂覆剛玉的技術(shù)很好地解決了這一問(wèn)題。利用對(duì)超硬磨料和剛玉具有良好潤(rùn)濕特性的低熔玻璃作為粘結(jié)相將微細(xì)剛玉顆粒涂覆在磨粒表面，形成一剛玉涂層。這種剛玉鍍層不僅具有良好的耐熱性，而且具有粗糙表面，可與樹(shù)脂結(jié)合劑形成更為牢固的機(jī)械咬合。因此剛玉鍍覆金剛石在樹(shù)脂磨具中具有良好的應(yīng)用前景。
鍍覆金剛石在金屬結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑的磨具中應(yīng)用的研究較多，但鍍覆金剛石在樹(shù)脂結(jié)合劑中的應(yīng)用研究卻鮮有報(bào)道。本文通過(guò)對(duì)無(wú)鍍層金剛石、鍍覆剛玉金剛石和金屬鈦鍍層金剛石樹(shù)脂結(jié)合劑磨具性能進(jìn)行對(duì)比，研究鍍覆種類對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑磨具的鋒利性、耐用性及力學(xué)性能以及對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑的結(jié)構(gòu)和致密度的影響，探討了在樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石磨具中，金屬鍍層和無(wú)機(jī)物鍍層的各自優(yōu)勢(shì)，并找到適合的應(yīng)用前景。
2實(shí)驗(yàn)
2.1 原材料和設(shè)備
磨料：金剛石，粒度100/120，編號(hào)A；鍍覆鈦金剛石，編號(hào)B，鈦層質(zhì)量分?jǐn)?shù)56%；鍍覆剛玉金剛石，編號(hào)C，剛玉鍍層質(zhì)量分?jǐn)?shù)56%；和圖1對(duì)應(yīng)。結(jié)合劑：酚醛樹(shù)脂；填料：氧化鉻；碳化硅微粉；冰晶石；C2合金粉。
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，配方中金剛石、酚醛樹(shù)脂、氧化鉻、合金粉、冰晶石的含量保持不變，鍍層重量分?jǐn)?shù)一致，鍍層增加含量在碳化硅中相應(yīng)減少。進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，考察不同鍍層對(duì)磨輪磨削性能的影響。根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定磨料的濃度為18.72 vol%，樹(shù)脂結(jié)合劑濃度為40.00 vol%。三組實(shí)驗(yàn)配方表見(jiàn)表1。
2.3 試樣的制備
根據(jù)表1數(shù)據(jù)，精確稱量配料，每一配方按12個(gè)試樣投料，用相同的壓制工藝條件下在Y33G-200T樹(shù)脂成型熱壓機(jī)壓制成尺寸為11mm×7mm×35mm的長(zhǎng)方體試樣。壓制燒結(jié)后，按表2給定的熱工制度對(duì)試樣進(jìn)行二次固化，二次固化在電熱干燥箱中進(jìn)行。
3結(jié)果與討論
3.1 原料金剛石的顯微結(jié)構(gòu)分析
對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的各種金剛石原料采用JSM-6360V掃描電鏡(SEM)進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析。圖1是1#、2#、3#配方試樣中所用的A、B、C金剛石的顯微影像。
由圖1可以看出未鍍覆金剛石A表面光滑，有少量氣孔和缺陷，和樹(shù)脂結(jié)合劑的浸潤(rùn)性不好。鍍覆鈦層的金剛石B，表面比A粗糙，浸潤(rùn)性略有改善，并且鍍層對(duì)裂紋進(jìn)行填補(bǔ)。鍍層可以提高磨料顆?？蛊扑閺?qiáng)度，也可以對(duì)磨粒起隔離保護(hù)作用。鍍覆剛玉的金剛石C，表面粗糙，比表面積增大較多。和樹(shù)脂結(jié)合劑的浸潤(rùn)性大為改善，可以有效提高樹(shù)脂對(duì)金剛石的把持力。由于剛玉導(dǎo)熱性比金剛石差，磨削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量通過(guò)鍍層傳遞出來(lái)，鍍層可以有效減緩對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑的熱脈沖。
3.2 試樣力學(xué)性能分析
金剛石磨具的力學(xué)性能，是很重要的一個(gè)參考指標(biāo)。良好的力學(xué)性能可以大大改善磨具在使用過(guò)程中的斷裂和掉塊現(xiàn)象，從而保證磨具的使用性能。
每個(gè)配方隨機(jī)選取3根試樣(標(biāo)注①②③)，采用珠海三思試驗(yàn)設(shè)備公司制造的CMT-4303電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定抗彎強(qiáng)度，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下表3。由表3可以看出，2#和3#配方試樣抗彎強(qiáng)度較1#試樣有了較大幅度提升。鍍覆鍍層的金剛石由于表面浸潤(rùn)性的改善、比表面積的增大，可以和樹(shù)脂結(jié)合劑形成更好的機(jī)械嵌合，從而提高試樣的抗彎強(qiáng)度。鍍覆后的配方試樣，具備更好的力學(xué)性能，可以保證磨具在使用過(guò)程中極少發(fā)生斷裂和掉塊現(xiàn)象。
3.3 試樣磨削性能實(shí)驗(yàn)分析
從每一組配方中任意選擇6根試樣，在磨削比測(cè)定儀上進(jìn)行磨削比測(cè)試，磨耗對(duì)象為棕剛玉砂輪150×20×32 A46P5V(南京弘騰磨料磨具有限公司生產(chǎn))。磨削比測(cè)定儀參數(shù)設(shè)置如下：磨削線速度30m/s，加載壓力2N，測(cè)試時(shí)間100s。每條試樣均測(cè)試2次，每次測(cè)試前用氣槍吹凈棕剛玉砂輪，測(cè)試結(jié)果如表4所示。
取磨削完的三組試樣，對(duì)磨削面利用JSM-6360V掃描電鏡(SEM)分析其斷面顯微結(jié)構(gòu)。三種配方試樣的顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示。
表4是三種配方試樣的磨削比測(cè)試結(jié)果，試樣平均消耗速率為磨具耐磨性，砂輪平均消耗速率為磨具鋒利性，磨削比為砂輪平均消耗速率和試樣平均消耗速率的比值。由表4數(shù)據(jù)可以看出未鍍覆的1#試樣耐磨性好，但是鋒利性太差，磨削比較小。這是因?yàn)榉尤?shù)脂結(jié)合劑對(duì)未鍍覆的金剛石把持力較小，金剛石過(guò)早脫落如圖2中1#所示，磨削面主要是結(jié)合劑和砂輪接觸。2#配方鍍覆了鈦層的試樣，由于增大了把持力，金剛石脫落情況得到改善，在磨削時(shí)金剛石發(fā)揮主要作用，鋒利性得到較大提高，這種磨具適用于生產(chǎn)線前端的粗磨。3#配方鍍覆了剛玉的試樣，剛玉呈凸起狀，極大地提高了比表面積，樹(shù)脂結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持效果最好。如圖2中3#所示，磨削面的金剛石脫落比例最小。雖然剛玉鍍層覆蓋了金剛石的棱角，使得磨具的鋒利性有所下降，但是鍍層增加了顆粒表面的粗糙度，提高了金剛石與樹(shù)脂的結(jié)合強(qiáng)度。從表4結(jié)果來(lái)看，有利因素占據(jù)主導(dǎo)地位，磨削比得到極大提升，這種類型的磨具適用生產(chǎn)線后端的精磨。
圖3為三種配方磨削面中金剛石周圍酚醛樹(shù)脂的顯微結(jié)構(gòu)圖，由圖中可以看出1#配方中酚醛樹(shù)脂沒(méi)有對(duì)金剛石形成保護(hù)性包裹，2#和3#配方中的酚醛樹(shù)脂對(duì)金剛石形成有效包裹，并且金剛石附近的結(jié)構(gòu)致密，遠(yuǎn)離金剛石的結(jié)構(gòu)疏松。這是由于粗糙的鍍層表面和樹(shù)脂結(jié)合劑形成了更好的機(jī)械結(jié)合，所以表面最為粗糙的3#配方效果更為明顯。這種結(jié)構(gòu)有助于提高對(duì)金剛石的把持力，并且有利于散掉磨削時(shí)產(chǎn)生的熱量減少對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑的熱沖擊。
圖4為三種配方試樣磨削比對(duì)比直方圖。由圖可以看出，鍍覆金剛石的使用可以有效提高磨具的磨削比。金剛石表面鍍覆剛玉涂層，在保留鍍覆鈦層優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還可以提高樹(shù)脂結(jié)合劑的機(jī)械把持力，提高磨具的鋒利性。在保證磨具使用壽命的同時(shí)，又能提高樹(shù)脂結(jié)合劑磨具的自銳性，提高了磨削效率。相比鍍覆金屬涂層，鍍覆剛玉涂層優(yōu)勢(shì)明顯且價(jià)格低廉，是金剛石鍍覆工業(yè)化生產(chǎn)的一個(gè)方向，應(yīng)該會(huì)占據(jù)相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。
綜上：鍍覆剛玉鍍層進(jìn)一步提高樹(shù)脂和金剛石的機(jī)械結(jié)合力，保證使用壽命的同時(shí)，兼顧了樹(shù)脂磨具的自銳性。鍍覆剛玉成本低廉，是金剛石鍍覆工業(yè)化生產(chǎn)的一個(gè)方向。
4結(jié)論
（1）在金剛石、酚醛樹(shù)脂、氧化鉻、合金粉、冰晶石的組分含量保持不變的前提下，對(duì)金剛石進(jìn)行表面鍍覆處理可以明顯提高磨具的磨削比，提高磨具的磨削效率，并且可以提高試樣的抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能，降低磨具使用成本；
（2）使用鍍覆剛玉鍍層金剛石的磨具，磨削比可以達(dá)到4.074。相比于使用普通金剛石的磨具的2.878提高了41.6%。相比于使用鍍覆鈦層的金剛石磨具的3.460提高了17.7%；
（3）使用鍍覆剛玉鍍層金剛石的磨具，試樣的消耗速率較小為0.0163 g/s，耐磨性好，適用于精磨。使用鍍覆鈦層金剛石的磨具，砂輪的消耗速率最大，達(dá)到0.0775 g/s，鋒利性最好，適用于粗磨；
（4）對(duì)金剛石進(jìn)行表面鍍覆可以影響到熱壓后酚醛樹(shù)脂結(jié)合劑的結(jié)構(gòu)和致密度，并且表面更粗糙的剛玉鍍層影響更大?？拷饎偸姆尤?shù)脂更為致密，對(duì)金剛石形成保護(hù)性包裹，遠(yuǎn)離金剛石的酚醛樹(shù)脂更為稀疏，有利于散熱。