PDC加工用陶瓷金剛石砂輪的影響因素
1 、前言
聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）是指0.1至數(shù)毫米厚的金剛石微粉層與硬質(zhì)合金基體在高壓高溫（ 5~7GPa 、1400 ~1700℃）條件下復(fù)合而成的超硬復(fù)合材料。它具有高硬度、高耐磨性、高彈性模量、各項同性和相對高的熱導(dǎo)率等顯著優(yōu)點，近年來已成為高檔機械加工刀具、地質(zhì)及石油鉆頭、陶瓷磨具、石材加工工具、混凝土工具和閥座、閥芯等高耐磨設(shè)備的首選材料，也成為高科技新材料領(lǐng)域中最有生命力的支柱產(chǎn)品之一。目前國內(nèi)外復(fù)合片生產(chǎn)廠家主要采用金剛石砂輪對復(fù)合片進行外圓磨削，達到所需的尺寸公差要求。樹脂金剛石砂輪由于其加工效率和加工精度遠小于陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，故而在過去的幾年中，復(fù)合片的外圓磨削加工基本上都開始采用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪。目前，國內(nèi)生產(chǎn)陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的廠家較多，真正具備研發(fā)實力的公司卻很少，產(chǎn)品的質(zhì)量也是良莠不齊。為滿足強大復(fù)合片外圓磨削加工市場對陶瓷金剛石砂輪的需求，安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司開展了復(fù)合片外圓磨削專用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的研究，通過和客戶之間的合作，大大提高了復(fù)合片外圓磨削用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪成套制備和應(yīng)用技術(shù)。目前，公司生產(chǎn)的復(fù)合片外圓磨削用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪性能已經(jīng)達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。本文根據(jù)砂輪制備的體會，重點分析了主要影響砂輪性能的因素，旨在和廣大同仁交流經(jīng)驗，共同進步，共同推進我國陶瓷結(jié)合劑砂輪的成套制備技術(shù)。
2 、實驗過程簡介
將市售金剛石磨料和自制陶瓷結(jié)合劑加入一定的潤濕劑混勻，然后加壓成型生成陶瓷塊生坯，通過階梯加熱保溫?zé)瞥砂氤善飞拜唹K，最后將砂輪塊粘接在鋁合金基體上，通過后期的修整、平衡和回轉(zhuǎn)測試，合格的產(chǎn)品進行打印標簽、包裝即為成品（1A1-400×50×10×203 D120）。采用制備的產(chǎn)品在外圓磨床上磨削1304PDC復(fù)合片，與市售樹脂和陶瓷砂輪進行磨削實驗對比，并通過一系列的實驗來分析討論砂輪性能的影響因素。
3 、實驗結(jié)果與分析
3.1 陶瓷結(jié)合劑對砂輪的影響
本實驗采用自制的Al-Si-B-Li-O低溫陶瓷結(jié)合劑，實驗中通過對砂輪節(jié)塊進行磨耗比測試以及在PDC生產(chǎn)廠的磨削實驗，得出砂輪中陶瓷結(jié)合劑含量對磨削效果的影響情況。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，陶瓷結(jié)合劑含量在22wt%~26wt%時，砂輪的壽命最高。砂輪中結(jié)合劑的含量主要對砂輪有三方面的影響：
?。?）對砂輪硬度的影響。超硬材料砂輪的硬度是指超硬磨料從砂輪中脫落的難易程度，磨粒越難脫落表示砂輪硬度越高。一般而言，結(jié)合劑量越多，對磨料把持越強，磨粒脫落越困難，砂輪硬度越高。磨削時砂輪出刃不好，容易出現(xiàn)磨不動的現(xiàn)象，砂輪的壽命會有所增加，但是復(fù)合片表面很容易出現(xiàn)崩口，需要過一段時間將砂輪適當開刃處理，避免磨削中造成廢品。
?。?）對結(jié)合劑含量與金剛石磨料的結(jié)合強度的影響。復(fù)合片的硬度本身很高，在外圓磨削過程中，砂輪表面的金剛石受到很大磨削力和沖擊力。如果陶瓷結(jié)合劑量太少，則陶瓷結(jié)合劑對金剛石的保持不夠，導(dǎo)致部分金剛石沒有完全發(fā)揮磨削作用就開始脫落，造成砂輪壽命變短。而當結(jié)合劑過多，砂輪硬度過大，鋒利度不夠，容易使復(fù)合片產(chǎn)生崩口，而造成廢品率升高。
?。?）對砂輪組織結(jié)構(gòu)的影響。由于所用的結(jié)合劑粒度細于金剛石粒度，且在燒制過程中，結(jié)合劑會致密化。砂輪中結(jié)合劑含量增加，砂輪組織越致密，砂輪容易發(fā)生堵塞，磨不動，經(jīng)常需要用普通砂輪對超硬材料砂輪進行開刃處理，去除多余結(jié)合劑，使新的金剛石出刃參與下一次的磨削，從而降低了砂輪的工作效率。
3.2 燒結(jié)溫度對砂輪性能的影響
陶瓷結(jié)合劑燒制溫度的控制直接影響砂輪的使用性能，這主要與超硬磨料及陶瓷結(jié)合劑本身的性質(zhì)有關(guān)。在空氣中，CBN可耐1400℃~1600℃的高溫，能承受高韌性難加工材料的磨削熱；而金剛石的熱穩(wěn)定性差，在800℃即開始氧化磨損，即便在惰性氣體中，1100℃時也開始石墨化。本文采用的公司自行研制的Li-Al-B-Si-O系低溫陶瓷結(jié)合劑，DSC曲線分析出陶瓷結(jié)合劑的燒結(jié)溫度在660℃~800℃范圍內(nèi)都能滿足陶瓷砂輪塊的燒制。從本文分析得出，陶瓷結(jié)合劑燒制溫度范圍內(nèi)，超硬磨料基本不會發(fā)生燒損。因此，本文所提及的低溫陶瓷結(jié)合劑是指燒制溫度低于超硬磨料發(fā)生燒損的最低溫度。
從公司現(xiàn)生產(chǎn)的陶瓷工具產(chǎn)品情況中發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)范圍內(nèi)，提高砂輪塊的燒結(jié)溫度，砂輪塊的強度也相應(yīng)增加。目前公司生產(chǎn)的低溫陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪采用的燒制溫度為680℃~760℃，具體根據(jù)金剛石砂輪的使用要求確定砂輪燒制溫度。低溫陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪塊燒制過程中還應(yīng)該注意，升溫和降溫速率不能太高，如果速率大于6℃/min砂輪容易出現(xiàn)微裂紋和表面裂紋。公司項目組制備低溫陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪時采用的升溫速率為2℃/min,降溫速率為3℃/min.
3.3 金剛石濃度對砂輪性能的影響
超硬磨具的濃度定義為1cm?中含4.4ct的超硬磨料濃度為100%,實驗中分別采用100%、150%、200%、210%濃度的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪進行了外圓磨削1304復(fù)合片的實驗。實驗結(jié)果如表3所示。
從實驗數(shù)據(jù)看，不難發(fā)現(xiàn)濃度越高，其壽命越長，且高濃度砂輪的壽命比低濃度砂輪壽命的性價比高。隨著金剛石濃度的增加，砂輪使用壽命的幅度增加更大。我們認為對于復(fù)合片外圓磨削加工，高濃度陶瓷金剛石砂輪中參與磨削的金剛石磨粒增加，在結(jié)合劑強度滿足要求的條件下能起到合力的作用。
3.4 所研制砂輪與國內(nèi)市售陶瓷砂輪及樹脂砂輪的對比
本文采用自制陶瓷結(jié)合劑砂輪與國內(nèi)市售的陶瓷金剛石砂輪以及樹脂金剛石砂輪磨削1304復(fù)合片，其中，我司生產(chǎn)的砂輪在磨削過程中，明顯感覺噪音要?。ㄤh利度越高，磨削力越小，產(chǎn)生的噪音越少），且磨削時間短。實驗得出，陶瓷砂輪比樹脂砂輪壽命能提高2~3倍，單件復(fù)合片磨削效率也能提高30%左右；所研制的砂輪鋒利度、壽命及磨削效率都略高于市售陶瓷砂輪，同等條件下砂輪的綜合性能較市售陶瓷砂輪性能提高約10%.可見，所研制的陶瓷金剛石砂輪已經(jīng)達到同類中的領(lǐng)先水平。
4 、結(jié)論
通過對復(fù)合片（1304）外圓磨削用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的研究，得出結(jié)論如下：（1）自制Li-Al-B-Si-O系低溫陶瓷結(jié)合劑適合于復(fù)合片外圓磨削用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪；當結(jié)合劑含量在22%~26%時，砂輪的綜合性能達到最佳；（2）砂輪濃度越高，使用效果越好，隨著砂輪濃度的增加，砂輪的性價比逐漸提高；當濃度達到210%時，砂輪的壽命達到最高；（3）陶瓷砂輪比樹脂砂輪的壽命提高2~3倍，且單件復(fù)合片的磨削效率提高約30%,所研制的低溫陶瓷金剛石砂輪綜合性能達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，并具有較高的性價比。
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