摘要　以端面磨盤形式載體，通過恒壓磨耗試驗研究了采用液體合金方式連接的金剛石的磨損特征。結果表明，新連接方式金剛石使用過程的磨損形態主要有完整、磨平、微觀破碎、宏觀破碎和折斷五大類，與釬焊金剛石的磨損特征基本一致。磨耗過程中沒有出現磨粒脫落現象，說明新連接方式工具的結合劑對磨粒具有很強的把持力。但與釬焊工具相同，磨粒折斷是其最為致命的失效形式。

關鍵詞　金剛(gang)石；磨(mo)損；連接；釬焊

藉以金剛石磨料優異的磨削性能，金剛石工具在巖石、陶瓷、玻璃等硬脆性材料的高效精密加工領域中發揮著無可替代的作用。結合劑材料對金剛石的把持是其實現切削的前提，依據制作時所用結合劑材料的不同，常規金剛石工具主要有樹脂、陶瓷和金屬（又可分為粉末冶金燒結和電鍍）三大類。盡管這些工具目前已廣泛應用于生產，但是受制備工藝的限制，這三大類金剛石工具上的磨粒都僅是被機械式包鑲于結合劑中，把持強度很弱，在切削載荷作用下，極易發生脫落，導致磨粒利用率差、工具壽命限制以及工具性能無法充分發揮。盡管也有采用添加稀土、磨粒表面金屬化處理等方法進行改善，但收效甚微。為了有效解決磨粒把持問題，自上世紀90年代(dai)初開始(shi)，釬焊金(jin)剛石(shi)工具技術成為(wei)業(ye)界研(yan)究的熱點(dian)。由于高(gao)溫(wen)下金(jin)剛石(shi)與釬焊合金(jin)之(zhi)間(jian)能夠形成真正(zheng)化學結合，因此釬焊金(jin)剛石(shi)工具具有把(ba)持力強、出刃度高(gao)和容屑(xie)空(kong)間(jian)大等優勢，曾被(bei)譽(yu)為(wei)金(jin)剛石(shi)磨料工具界的革命性產品。

盡管釬(han)焊(han)金(jin)剛(gang)石工(gong)具應用實驗的(de)研究結(jie)果令(ling)人鼓(gu)舞，但是市場化推廣(guang)扔是舉步維艱。大量研究表明釬(han)焊(han)過程磨粒熱(re)損傷等問題嚴重影(ying)響釬(han)焊(han)工(gong)具性能的(de)發(fa)揮。雖然國內外(wai)學者已經在釬(han)焊(han)工(gong)藝、釬(han)料、結(jie)合機理等方面展開(kai)了很(hen)多研究工(gong)作，但效果并不理想(xiang)。文獻提出采用液體(ti)(ti)合金鐸金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)進行(xing)連接，以(yi)期能在繼承釬焊金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)工(gong)具優勢的同(tong)時(shi)，改(gai)善工(gong)具加(jia)工(gong)性能。本研究通(tong)過恒壓磨(mo)削(xue)方式工(gong)，以(yi)端面磨(mo)盤形式為(wei)載體(ti)(ti)，對(dui)此新連接方式的金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)的磨(mo)損性能進行(xing)了實驗研究，旨在為(wei)開發此類工(gong)具提供參考依據。

1         實驗條件

　　恒壓磨削實驗在改造的普通鉆床上進行，其工作原理如圖1所示：工件(jian)固定于(yu)氣動往復工作(zuo)臺上(shang)，端面磨盤固定在鉆夾上(shang)并隨(sui)主(zhu)軸旋轉，配重砝碼Ｇ通過鉆床搖臂上(shang)進行恒壓(ya)施載。

　　實驗所用的新連接方式的金剛石端面磨盤在自制的液態合金連接平臺上完成制備，實物如圖1所(suo)示。所(suo)用磨粒的(de)品(pin)級為ISD1650，粒度為30/35；連接所用合金為Ni-Cr-P活性合金。

　　磨削實驗時(shi)，工具轉(zhuan)速(su)為820r/min，工(gong)件往(wang)復進給速(su)度(du)為12cm/min，配重(zhong)砝碼G為800g，采用(yong)蒙古黑石(shi)材作為工件材料。磨削(xue)過(guo)程中，定期測量(liang)工件的材料去除量(liang)Ｑ，并采用(yong)日本KEYENCE生產的VHX-1000型三維顯微儀器(qi)對選定的45顆磨粒的(de)磨損(sun)狀態進行微觀(guan)觀(guan)察和分(fen)析(xi)。

2         實驗結果(guo)及分析

2.1       磨(mo)粒典型磨(mo)損特征(zheng)

盡管金剛石磨粒具有高硬度和強耐磨性，但是在切削和熱載荷的長時間作用下，都會發生磨損。由于載荷作用大小、作用位置以及磨粒自身晶形結構和切削能力等存在很大差異，因此不同的磨粒磨損形態各不相同，所對應的切削能力也不一致。圖3是磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)耗試驗過程中新連(lian)接方式工(gong)具上磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)發(fa)生(sheng)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)的五(wu)個(ge)典(dian)型(xing)特征，包括：完整（磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)參與(yu)切(qie)削(xue)(xue)但(dan)形貌仍保持(chi)初始(shi)狀(zhuang)態(tai)(tai)，晶形完整，有(you)強切(qie)削(xue)(xue)能力(li)(li)）、微(wei)破碎（磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)部(bu)(bu)(bu)分(fen)刃角(jiao)發(fa)生(sheng)崩裂，擁有(you)大(da)量的切(qie)削(xue)(xue)刃，有(you)強切(qie)削(xue)(xue)能力(li)(li)且鋒利度好(hao)）、宏觀破碎（磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)露出結合(he)劑(ji)的部(bu)(bu)(bu)分(fen)發(fa)生(sheng)崩裂，切(qie)削(xue)(xue)能力(li)(li)喪(sang)失）、磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)平(ping)（磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)頂部(bu)(bu)(bu)刃角(jiao)發(fa)生(sheng)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)鈍化(hua)，盡(jin)管有(you)切(qie)削(xue)(xue)能力(li)(li)但(dan)鋒利度差）和折(zhe)斷（磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)發(fa)生(sheng)折(zhe)斷，切(qie)削(xue)(xue)能力(li)(li)喪(sang)失）。不難發(fa)現，這五(wu)種典(dian)型(xing)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)狀(zhuang)態(tai)(tai)與(yu)以往(wang)釬焊金剛(gang)(gang)石工(gong)具上的磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)形態(tai)(tai)基本一致(zhi)。與(yu)常規的樹脂、陶瓷、電鍍和燒結金剛(gang)(gang)石工(gong)具上磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)典(dian)型(xing)特征相(xiang)比，新連(lian)接方式工(gong)具與(yu)釬焊工(gong)具相(xiang)同(tong)，磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)發(fa)生(sheng)脫(tuo)落現象幾(ji)乎沒有(you)，可見(jian)液(ye)體合(he)金連(lian)接方式可以實現對磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)的牢固把持(chi)，從連(lian)接原理(li)來看，這應當(dang)直接利益(yi)于高溫(wen)下(xia)液(ye)體合(he)金與(yu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)接觸(chu)時所發(fa)生(sheng)的化(hua)學結合(he)。

圖3　金剛石磨粒典型磨損(sun)特征

2.2       磨粒典型(xing)磨損失效歷(li)程

受載荷作用、磨(mo)粒(li)自(zi)身(shen)性能以及(ji)加工(gong)量等差異的(de)(de)影響，盡管對于工(gong)具上(shang)所有磨(mo)粒(li)磨(mo)損特征統(tong)計而言主要(yao)有五種典型的(de)(de)磨(mo)損狀(zhuang)態，但(dan)是(shi)對于單顆(ke)粒(li)磨(mo)粒(li)來講，其各自(zi)所經歷的(de)(de)磨(mo)損狀(zhuang)態各不相(xiang)同。圖4是在跟蹤新連接(jie)方式工具(ju)(ju)上的(de)磨(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)損(sun)過程的(de)基(ji)礎上總結(jie)出來的(de)六(liu)個磨(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)損(sun)歷(li)程。事實(shi)上，磨(mo)(mo)損(sun)歷(li)程就是磨(mo)(mo)粒(li)失效歷(li)程，它直接(jie)影響(xiang)磨(mo)(mo)粒(li)切(qie)削性能的(de)發揮(hui)，從而影響(xiang)工具(ju)(ju)綜(zong)合加工性能。對(dui)這些(xie)磨(mo)(mo)損(sun)歷(li)程進行分析不難發現，磨(mo)(mo)粒(li)若能沿R6歷(li)程發(fa)生磨損失(shi)效(xiao)則(ze)是最(zui)為(wei)理想的，因(yin)為(wei)在這個過程中，磨粒切削性能得到充分的發(fa)揮；而R1是最不希望看(kan)到的，因為折斷直接導致磨(mo)粒喪失(shi)切(qie)削能力，不僅沒有充分發(fa)揮(hui)磨(mo)粒應有的切(qie)削性能，而(er)且(qie)引(yin)發(fa)工(gong)具提前(qian)報(bao)廢。

2.3       工具磨損(sun)特征變化

金(jin)剛石工具表面分布著大量的金(jin)剛石磨(mo)(mo)粒。加(jia)工中，這些磨(mo)(mo)粒的磨(mo)(mo)損狀態(tai)變化和磨(mo)(mo)損歷(li)程差異就構成不同(tong)的工具磨(mo)(mo)損形態(tai)。圖5是新連接工(gong)具(ju)在磨(mo)損(sun)過程中，磨(mo)粒磨(mo)損(sun)狀(zhuang)態隨(sui)工(gong)件材料(liao)去除量Q的變化趨勢。從圖5中(zhong)可以看出，隨著(zhu)工(gong)(gong)件(jian)材料去除(chu)量的增加，工(gong)(gong)具表面磨(mo)粒逐漸發生磨(mo)損，完整的磨(mo)粒急劇減少，而其它磨(mo)損特征如微破碎(sui)的磨(mo)粒比例(li)逐漸升高(gao)。

從圖5還(huan)可以看出：（1）在磨削加工初始(shi)階段，金剛石磨粒(li)以(yi)晶形完整(zheng)者居(ju)多，所占比例在一半以(yi)上，磨平狀(zhuang)態(tai)(tai)和微觀(guan)破碎狀(zhuang)態(tai)(tai)較少；（2）當材(cai)料去除量(liang)Q達到35cm2時，磨粒宏觀破碎狀(zhuang)態所占比(bi)例只有5%左右，幾(ji)乎(hu)可以忽略(lve)不(bu)計(ji)，磨(mo)粒的斷(duan)裂狀態幾(ji)乎(hu)沒有出現(xian)：（3）當Q超過50cm3后，各磨(mo)損狀態比例趨于(yu)穩定，工具上處于(yu)穩定工作階段。（4）當Q超過160cm3后，工(gong)具(ju)上處于(yu)(yu)完整狀態(tai)的金剛石(shi)磨(mo)粒幾乎沒有，而(er)磨(mo)平(ping)、折斷和(he)宏(hong)觀(guan)破(po)碎的磨(mo)粒所(suo)占(zhan)比例很大。由于(yu)(yu)發生折斷和(he)宏(hong)觀(guan)破(po)碎的磨(mo)粒沒有切(qie)削能(neng)(neng)力，而(er)磨(mo)平(ping)狀態(tai)磨(mo)粒又缺乏鋒(feng)利性，因此工(gong)具(ju)整體切(qie)削性能(neng)(neng)很差，加工(gong)效率低下，振(zhen)動(dong)劇烈，工(gong)具(ju)切(qie)削能(neng)(neng)力喪失(shi)。

　　圖6是磨(mo)耗(hao)過程中不同(tong)材料去除量所對應的工具(ju)宏觀形貌圖。從圖6可以看(kan)出，隨(sui)著Q的(de)(de)增加，工具表面磨(mo)粒逐(zhu)漸(jian)發生(sheng)磨(mo)損(sun)變化，這與(yu)常規金剛(gang)石工具表面的(de)(de)宏(hong)觀磨(mo)損(sun)形態基本一(yi)致。

值得一提的是，從圖6還(huan)可以(yi)看出(chu)，隨著Q的增大，工(gong)(gong)具表(biao)面部分磨粒后面出(chu)現(xian)明顯的拖尾現(xian)象。盡(jin)管這種拖尾在(zai)電(dian)鍍、燒結(jie)等常規(gui)金(jin)剛(gang)石工(gong)(gong)具使(shi)用過(guo)程中極(ji)為(wei)常見(jian)，但是(shi)(shi)在(zai)釬焊金(jin)剛(gang)石工(gong)(gong)具使(shi)用過(guo)程中卻極(ji)為(wei)少見(jian)。以往研究表(biao)明，“拖尾”現(xian)象一方面有利于磨粒切削性(xing)能的充分發揮(hui)，另一方面也意(yi)味著結(jie)合劑對金(jin)剛(gang)石具有很強(qiang)的把持力，可以在(zai)重(zhong)負荷狀態下加工(gong)(gong)硬(ying)脆性(xing)材料，這是(shi)(shi)目前釬焊工(gong)(gong)具所不具備(bei)的優(you)勢(shi)。

3         結論

新連接方式的金剛石端面磨盤的磨耗實驗表明，采用液體合金連接方式制作的金剛石工具可以用于切削加工。這種連接方式的金剛石工具的磨粒在使用過程中的典型磨損特征為完整、磨平、破碎、斷裂，但無磨粒脫落現象發生，這些結果與釬焊金剛石工具基本一致。磨損過程跟蹤結果表明，由于磨粒性能和載荷作用差異，不同磨粒磨損過程相差較大，但都是以上五種典型磨損狀態的組合。與釬焊工具相同，磨粒折斷依然是此類工具的最大問題，但從磨粒后背拖尾現象來看，新連接方法制作的工具綜合性能比釬焊工具有明顯提高。

作者簡介：邢波，男，1987年生，工學碩士，主要從事超硬材料及制品研究與應用。