摘要 在同種金剛石表面分別鍍覆不同金屬層,并將之作為磨粒應用于陶瓷磨具中,通過觀察金剛石燒結前后形貌、測試試樣的抗彎強度和耐磨性以及對斷口SEM形貌通觀察,分析了各包覆層對磨具的影響。結果顯示,對于鍍鈦、鍍銅、鍍鎳金剛石,與陶瓷結合劑按一定比例混合冷壓燒結,并沒有顯著提升磨具的性能。
關鍵(jian)詞 金剛(gang)石;陶瓷(ci)結合劑金剛(gang)石磨具;表面鍍覆
陶瓷結合劑金剛石磨具集陶瓷材料和金剛石的優異性能于一身,具有高硬度、高鋒利度、很好的散熱性和自銳性以及易修整等特點,能夠很好的滿足難加工材料和一般材料的高精磨削和高效磨削需求,并且適用于數控磨床和自動化生產線上的應用[1]。
但陶(tao)瓷結(jie)合劑(ji)金剛石(shi)磨具在使用(yong)過程中(zhong)金剛石(shi)磨粒容易脫落,并且在制(zhi)造過程中(zhong)也容易被結(jie)合劑(ji)中(zhong)的(de)堿性(xing)氧(yang)化物腐蝕,導致磨具的(de)使用(yong)性(xing)能下降。為(wei)解決這些問題,國內外許多專家、學(xue)者做金剛石(shi)表面改性(xing)的(de)研(yan)究。查閱(yue)文獻[2,3]可知,現在比較成熟的金剛石表面處理技術有化學鍍銅、鎳,真空微蒸發鍍鈦,涂覆玻璃等,主要應用于樹脂結合劑磨具,效果良好。郭志敏等研究了幾種鍍覆金剛石對陶瓷磨具強度的影響[4],其結果(guo)顯示,在熱壓工藝(yi)中各鍍層(ceng)對磨具強度的(de)貢獻大小為(wei)Al<無<Si <Ti <Si <Ti <TiO2< Al2O3。但對(dui)(dui)現有(you)(you)已(yi)形(xing)成規模(mo)生產的(de)(de)(de)陶瓷磨(mo)具(ju)所使用(yong)的(de)(de)(de)工藝(yi)是冷壓(ya)后自由燒結(jie)(jie),燒結(jie)(jie)氣氛與熱(re)壓(ya)不同,此種情況下金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)和表(biao)面金(jin)屬(shu)均會發生一系列(lie)復雜的(de)(de)(de)反應,則鍍覆金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)對(dui)(dui)陶瓷磨(mo)具(ju)的(de)(de)(de)也會發生變化(hua)。本實驗研(yan)究了鍍銅、鍍鎳和鍍鈦金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)在陶瓷磨(mo)具(ju)中(zhong)的(de)(de)(de)應用(yong),在現有(you)(you)的(de)(de)(de)冷壓(ya)燒結(jie)(jie)工藝(yi)下比較了其對(dui)(dui)磨(mo)具(ju)性能的(de)(de)(de)影(ying)響,對(dui)(dui)于開發高性能的(de)(de)(de)陶瓷結(jie)(jie)合劑金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)磨(mo)具(ju)有(you)(you)一定的(de)(de)(de)參考價值。
1 實驗(yan)方法及過程
1.1 原材料
實(shi)驗對(dui)粒度為140/170目的(de)同種金剛石采用四種處理方法(fa),見表1.陶瓷結合劑化學(xue)成分見表2。
1.2 四種(zhong)金剛石(shi)形貌(mao)觀(guan)察
低(di)溫陶瓷磨具(ju)一般需(xu)要加熱到700~800℃燒結,此溫度對鍍覆(fu)金剛(gang)石會有一(yi)定影響,所以(yi)將金剛(gang)石按(an)照燒結試樣(yang)的(de)溫度工(gong)藝處理,在(zai)從日本進口的(de)超景(jing)深顯微鏡下觀察其(qi)形貌變化。
1.3 試樣(yang)制備及檢測(ce)
為使(shi)實(shi)驗數據更可靠,試樣(yang)選用(yong)三種金剛石濃度150%、200%、230%。對于鍍覆金剛石(shi),計(ji)算金剛石(shi)濃度時,應除(chu)去金剛石(shi)表面的(de)金屬質量(liang)。將四種金剛石(shi)與結(jie)合(he)劑按一定比例(li)混合(he),按照相同的(de)工藝,制作成37.5mm×9.6mm×8mm的試(shi)樣條。對(dui)試(shi)樣做(zuo)三點(dian)彎曲實驗和斷口SEM形貌觀察,測試金剛石鍍覆層對磨具抗彎強度的影響。并將制得的試樣條與剛玉砂輪在一定壓力和時間下對磨,通過磨削前后的質量差,比較不同鍍覆層對磨具耐磨性的影響。
2 實驗(yan)結果與討論
2.1 金剛石形貌分析及討論
圖1是通過超景深顯微鏡觀察(cha)燒結前后金剛石形(xing)貌對(dui)比照片。由圖1可以看(kan)出:所使用的未鍍(du)金剛石即金剛石A,呈淡黃色透明狀,顏色不(bu)均,有(you)此南(nan)段有(you)黑點,形狀極(ji)不(bu)規則(ze);鍍(du)覆金(jin)剛石(shi)鍍(du)層均勻,沒有(you)出現(xian)漏鍍(du)現(xian)象。高溫處理(li)后,金(jin)剛石(shi)A變化(hua)不大;金(jin)剛石B、C、D有明(ming)(ming)顯的鍍(du)(du)層(ceng)(ceng)脫落現(xian)(xian)象,并且鍍(du)(du)層(ceng)(ceng)顏色(se)呈現(xian)(xian)出各金屬氧化物(wu)顏色(se)。說(shuo)明(ming)(ming)鍍(du)(du)層(ceng)(ceng)在此(ci)溫度工藝下發(fa)生氧化反(fan)應(ying),致使鍍(du)(du)層(ceng)(ceng)疏松、脫落,失去了鍍(du)(du)層(ceng)(ceng)保護金剛石的效(xiao)果。
圖1 燒結前后顯微鏡下(xia)金剛石形(xing)貌觀察(cha)對比
2.2 試樣分析及討論
按一定工藝燒結后,目視觀察金剛石A試樣(yang)條整體(ti)呈綠(lv)色,金(jin)剛石B試樣條(tiao)整體呈淺綠色,金剛石(shi)C試樣條整(zheng)體(ti)(ti)呈墨綠色,金(jin)剛石D試樣條整體(ti)呈黑色(se)。并且(qie)隨著金(jin)剛石濃度(du)增加(jia),顏(yan)色(se)加(jia)深。由2.1可(ke)知,燒結過程(cheng)中,金剛(gang)石表面鍍(du)覆金屬(shu)直接(jie)氧化(hua),所以各試(shi)樣(yang)條呈(cheng)現其鍍(du)層金屬(shu)氧化(hua)物的顏色(se)。
(1) 抗彎強度測試結果
由(you)各試樣抗彎強度(du)測試結果(guo)(見圖2)可以(yi)看出,金剛石A在濃度達到200%時抗彎(wan)強(qiang)度最大(da);金(jin)剛石C的抗彎強(qiang)度整體最低(di)。由包(bao)亦望(wang)的研(yan)究[5]可(ke)知,抗拉(la)(la)強(qiang)度(du)能夠間接的(de)(de)(de)反應結(jie)合(he)(he)(he)劑(ji)對(dui)金(jin)剛(gang)石的(de)(de)(de)把(ba)持力(li),而(er)對(dui)于規格一定(ding)的(de)(de)(de)陶(tao)瓷(ci)試樣條,其抗彎(wan)強(qiang)度(du)與(yu)抗拉(la)(la)強(qiang)度(du)有一定(ding)的(de)(de)(de)比例關系。由此可(ke)知,表面鍍覆金(jin)剛(gang)石并沒(mei)有增(zeng)加(jia)陶(tao)瓷(ci)結(jie)合(he)(he)(he)劑(ji)與(yu)金(jin)剛(gang)石的(de)(de)(de)結(jie)合(he)(he)(he)力(li),其金(jin)剛(gang)石與(yu)結(jie)合(he)(he)(he)劑(ji)把(ba)持力(li)情(qing)況A>B>D>C。
(2) 斷口掃描電鏡形貌觀察
由四種金剛(gang)石試(shi)樣斷(duan)口SEM形貌觀察結果(見圖3)可以(yi)看出,金剛石A試樣結合劑與(yu)金剛石緊密結合,無(wu)縫隙(xi);金剛石B試樣斷面結合劑與金(jin)剛石(shi)(shi)結合相對比較緊密;金(jin)剛石(shi)(shi)D試樣金剛石表面鍍覆層有少許脫(tuo)落,與結合(he)劑的(de)結合(he)情況(kuang)比較差;金剛石C試樣金剛石(shi)與(yu)結合(he)劑的結合(he)情況最差,有清晰的縫(feng)隙(xi)可見。SEM觀察得出結合情況A>B>D>C,與抗彎強度實(shi)驗結果相同。

(3) 耐磨性檢測結果
圖4所示(shi)為(wei)耐(nai)(nai)磨性實(shi)驗結果,磨損量越(yue)小,說明其(qi)耐(nai)(nai)磨性越(yue)好。由圖(tu)4可以看(kan)出,未鍍覆(fu)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石的(de)試樣(yang)條在(zai)相同的(de)條件磨(mo)削,其耐(nai)磨(mo)性(xing)最好。說明示鍍覆(fu)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石與陶(tao)瓷(ci)結(jie)合劑的(de)結(jie)合情況最好,而鍍覆(fu)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石與陶(tao)瓷(ci)結(jie)合劑的(de)結(jie)合力變差。
圖4 各(ge)試樣條(tiao)耐磨性檢測結果
(4) 原因分析
陶(tao)瓷結合劑(ji)金剛(gang)石磨具燒(shao)結過程中(zhong),鍍覆金剛(gang)石發生氧(yang)化。其(qi)所需氧(yang)原(yuan)子主要來源于(yu)兩個方面:一是燒(shao)結氣(qi)氛(fen)中(zhong)含有氧(yang)氣(qi),二是所用陶(tao)瓷結合劑(ji)含有大量堿金屬氧(yang)化物,其(qi)中(zhong)含有大量“自由(you)氧(yang)”。根據有關研究[6]。“自由氧”化學(xue)勢較高,活性大(da),導致(zhi)(zhi)表面金(jin)屬鍍層氧化。發生氧化的金(jin)屬鍍層容易從金(jin)剛石表面鍍層脫(tuo)落或(huo)者融入結合劑中(zhong),使陶瓷結合劑對金(jin)剛石的把持力下降,則(ze)導致(zhi)(zhi)磨具的整體性能降低。
對于金剛石(shi)B試樣,力學性(xing)能降低有兩方面原(yuan)因:一是表(biao)面鈦(tai)金(jin)屬層氧化,脫(tuo)落,沒(mei)有起到保護金(jin)剛石、增加(jia)結合力的(de)作用;二是采用真空微(wei)蒸發鍍鈦(tai)技術,處理溫度(du)為650~780℃,而對于所使用低品級金剛石,其缺陷較多,強度較小,此溫度處理對金剛石的損傷比較大,降低其切削性。
對于金剛石C、D試(shi)樣,其金剛石表面金屬鍍(du)層(ceng)在燒結(jie)過程中會發(fa)生如下的(de)化學反(fan)應。
MO+C=M+CO (2)
CO+MO=M=CO2 (3)
由圖3c、3d也可(ke)以看出(chu),金剛石(shi)C試樣(yang)與(yu)結(jie)合劑之間有明顯氣孔,金剛(gang)石(shi)D試樣金剛石表面(mian)鍍層(ceng)明顯脫落,這是導致金剛石C、D試樣條(tiao)件的(de)抗(kang)折強度和耐(nai)磨(mo)(mo)性(xing)下降很大(da)的(de)原因(yin)。所以(yi),表面(mian)鍍鈦(tai)、銅、鎳(nie)的(de)金(jin)剛(gang)石與陶瓷結合劑混合,通過(guo)冷(leng)壓后燒結工藝制得的(de)陶瓷磨(mo)(mo)具,力(li)學性(xing)能提高(gao)并不明(ming)顯(xian),甚至會降低磨(mo)(mo)具性(xing)能。
3 結(jie)論
(1) 對金剛石表面鍍鈦、鍍鎳和鍍銅,在與陶瓷磨具同樣的溫度工藝處理后,表面金屬鍍層在含氧氣氛中會發生化學反應,導致鍍層疏松、脫落。
(2) 將未鍍覆、鍍鈦、鍍鎳、鍍銅金剛石與陶瓷結合劑按一定配比混合冷壓燒結制成試樣條,其抗折強度為未鍍覆>鍍鈦>鍍銅>鍍鎳,并且表面未鍍覆金剛石的耐磨性最好。
(3) 金剛石表面鍍覆鈦、銅、鎳對冷壓燒結的陶瓷結合劑金剛石磨具的力學性能提高并不明顯,甚至可能會降低磨具的性能,所以使用時應謹慎。
參考文獻:
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作者(zhe)簡介(jie) 程文勝,男,1988年(nian)生(sheng),鋼鐵研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)總院(yuan)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)生(sheng),主(zhu)要研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)方向:陶瓷結(jie)合劑超(chao)硬磨具(ju)。