摘要　以端面磨盤(pán)形式載體，通過(guò)恒壓磨耗試驗(yàn)研究了采用液體合金方式連接的金剛石的磨損特征。結(jié)果表明，新連接方式金剛石使用過(guò)程的磨損形態(tài)主要有完整、磨平、微觀破碎、宏觀破碎和折斷五大類(lèi)，與釬焊金剛石的磨損特征基本一致。磨耗過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)磨粒脫落現(xiàn)象，說(shuō)明新連接方式工具的結(jié)合劑對(duì)磨粒具有很強(qiáng)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(guān)鍵詞　金剛石；磨損；連接；釬焊

　　藉以金剛石磨料優(yōu)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(lǐng)域中發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。結(jié)合劑材料對(duì)金剛石的把持是其實(shí)現(xiàn)切削的前提，依據(jù)制作時(shí)所用結(jié)合劑材料的不同，常規(guī)金剛石工具主要有樹(shù)脂、陶瓷和金屬（又可分為粉末冶金燒結(jié)和電鍍）三大類(lèi)。盡管這些工具目前已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，但是受制備工藝的限制，這三大類(lèi)金剛石工具上的磨粒都僅是被機(jī)械式包鑲于結(jié)合劑中，把持強(qiáng)度很弱，在切削載荷作用下，極易發(fā)生脫落，導(dǎo)致磨粒利用率差、工具壽命限制以及工具性能無(wú)法充分發(fā)揮。盡管也有采用添加稀土、磨粒表面金屬化處理等方法進(jìn)行改善，但收效甚微。為了有效解決磨粒把持問(wèn)題，自上世紀(jì)90年代初開(kāi)始，釬焊金剛石工具技術(shù)成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)。由于高溫下金剛石與釬焊合金之間能夠形成真正化學(xué)結(jié)合，因此釬焊金剛石工具具有把持力強(qiáng)、出刃度高和容屑空間大等優(yōu)勢(shì)，曾被譽(yù)為金剛石磨料工具界的革命性產(chǎn)品。

　　盡管釬焊金剛石工具應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果令人鼓舞，但是市場(chǎng)化推廣扔是舉步維艱。大量研究表明釬焊過(guò)程磨粒熱損傷等問(wèn)題嚴(yán)重影響釬焊工具性能的發(fā)揮。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在釬焊工藝、釬料、結(jié)合機(jī)理等方面展開(kāi)了很多研究工作，但效果并不理想。文獻(xiàn)[10]提出采用液體合金鐸金剛石進(jìn)行連接，以期能在繼承釬焊金剛石工具優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，改善工具加工性能。本研究通過(guò)恒壓磨削方式工，以端面磨盤(pán)形式為載體，對(duì)此新連接方式的金剛石的磨損性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，旨在為開(kāi)發(fā)此類(lèi)工具提供參考依據(jù)。

　　1         實(shí)驗(yàn)條件

　　恒壓磨削實(shí)驗(yàn)在改造的普通鉆床上進(jìn)行，其工作原理如圖1所示：工件固定于氣動(dòng)往復(fù)工作臺(tái)上，端面磨盤(pán)固定在鉆夾上并隨主軸旋轉(zhuǎn)，配重砝碼Ｇ通過(guò)鉆床搖臂上進(jìn)行恒壓施載。

　　實(shí)驗(yàn)所用的新連接方式的金剛石端面磨盤(pán)在自制的液態(tài)合金連接平臺(tái)上完成制備，實(shí)物如圖1所示。所用磨粒的品級(jí)為ISD1650，粒度為30/35；連接所用合金為Ni-Cr-P活性合金。 

 

　　磨削實(shí)驗(yàn)時(shí)，工具轉(zhuǎn)速為820r/min，工件往復(fù)進(jìn)給速度為12cm/min，配重砝碼G為800g，采用蒙古黑石材作為工件材料。磨削過(guò)程中，定期測(cè)量工件的材料去除量Ｑ，并采用日本KEYENCE生產(chǎn)的VHX-1000型三維顯微儀器對(duì)選定的45顆磨粒的磨損狀態(tài)進(jìn)行微觀觀察和分析。

　　2         實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1       磨粒典型磨損特征

　　盡管金剛石磨粒具有高硬度和強(qiáng)耐磨性，但是在切削和熱載荷的長(zhǎng)時(shí)間作用下，都會(huì)發(fā)生磨損。由于載荷作用大小、作用位置以及磨粒自身晶形結(jié)構(gòu)和切削能力等存在很大差異，因此不同的磨粒磨損形態(tài)各不相同，所對(duì)應(yīng)的切削能力也不一致。圖3是磨耗試驗(yàn)過(guò)程中新連接方式工具上磨粒發(fā)生磨損的五個(gè)典型特征，包括：完整（磨粒參與切削但形貌仍保持初始狀態(tài)，晶形完整，有強(qiáng)切削能力）、微破碎（磨粒部分刃角發(fā)生崩裂，擁有大量的切削刃，有強(qiáng)切削能力且鋒利度好）、宏觀破碎（磨粒露出結(jié)合劑的部分發(fā)生崩裂，切削能力喪失）、磨平（磨粒頂部刃角發(fā)生磨損鈍化，盡管有切削能力但鋒利度差）和折斷（磨粒發(fā)生折斷，切削能力喪失）。不難發(fā)現(xiàn)，這五種典型磨損狀態(tài)與以往釬焊金剛石工具上的磨粒磨損形態(tài)基本一致。與常規(guī)的樹(shù)脂、陶瓷、電鍍和燒結(jié)金剛石工具上磨粒磨損典型特征相比，新連接方式工具與釬焊工具相同，磨粒發(fā)生脫落現(xiàn)象幾乎沒(méi)有，可見(jiàn)液體合金連接方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磨粒的牢固把持，從連接原理來(lái)看，這應(yīng)當(dāng)直接利益于高溫下液體合金與磨粒接觸時(shí)所發(fā)生的化學(xué)結(jié)合。

　　圖3　金剛石磨粒典型磨損特征

　　2.2       磨粒典型磨損失效歷程

　　受載荷作用、磨粒自身性能以及加工量等差異的影響，盡管對(duì)于工具上所有磨粒磨損特征統(tǒng)計(jì)而言主要有五種典型的磨損狀態(tài)，但是對(duì)于單顆粒磨粒來(lái)講，其各自所經(jīng)歷的磨損狀態(tài)各不相同。圖4是在跟蹤新連接方式工具上的磨粒磨損過(guò)程的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的六個(gè)磨粒磨損歷程。事實(shí)上，磨損歷程就是磨粒失效歷程，它直接影響磨粒切削性能的發(fā)揮，從而影響工具綜合加工性能。對(duì)這些磨損歷程進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，磨粒若能沿R6歷程發(fā)生磨損失效則是最為理想的，因?yàn)樵谶@個(gè)過(guò)程中，磨粒切削性能得到充分的發(fā)揮；而R1是最不希望看到的，因?yàn)檎蹟嘀苯訉?dǎo)致磨粒喪失切削能力，不僅沒(méi)有充分發(fā)揮磨粒應(yīng)有的切削性能，而且引發(fā)工具提前報(bào)廢。

  

　　2.3       工具磨損特征變化

　　金剛石工具表面分布著大量的金剛石磨粒。加工中，這些磨粒的磨損狀態(tài)變化和磨損歷程差異就構(gòu)成不同的工具磨損形態(tài)。圖5是新連接工具在磨損過(guò)程中，磨粒磨損狀態(tài)隨工件材料去除量Q的變化趨勢(shì)。從圖5中可以看出，隨著工件材料去除量的增加，工具表面磨粒逐漸發(fā)生磨損，完整的磨粒急劇減少，而其它磨損特征如微破碎的磨粒比例逐漸升高。

　　從圖5還可以看出：（1）在磨削加工初始階段，金剛石磨粒以晶形完整者居多，所占比例在一半以上，磨平狀態(tài)和微觀破碎狀態(tài)較少；（2）當(dāng)材料去除量Q達(dá)到35cm2時(shí)，磨粒宏觀破碎狀態(tài)所占比例只有5%左右，幾乎可以忽略不計(jì)，磨粒的斷裂狀態(tài)幾乎沒(méi)有出現(xiàn)：（3）當(dāng)Q超過(guò)50cm3后，各磨損狀態(tài)比例趨于穩(wěn)定，工具上處于穩(wěn)定工作階段。（4）當(dāng)Q超過(guò)160cm3后，工具上處于完整狀態(tài)的金剛石磨粒幾乎沒(méi)有，而磨平、折斷和宏觀破碎的磨粒所占比例很大。由于發(fā)生折斷和宏觀破碎的磨粒沒(méi)有切削能力，而磨平狀態(tài)磨粒又缺乏鋒利性，因此工具整體切削性能很差，加工效率低下，振動(dòng)劇烈，工具切削能力喪失。

　　圖6是磨耗過(guò)程中不同材料去除量所對(duì)應(yīng)的工具宏觀形貌圖。從圖6可以看出，隨著Q的增加，工具表面磨粒逐漸發(fā)生磨損變化，這與常規(guī)金剛石工具表面的宏觀磨損形態(tài)基本一致。

　　值得一提的是，從圖6還可以看出，隨著Q的增大，工具表面部分磨粒后面出現(xiàn)明顯的拖尾現(xiàn)象。盡管這種拖尾在電鍍、燒結(jié)等常規(guī)金剛石工具使用過(guò)程中極為常見(jiàn)，但是在釬焊金剛石工具使用過(guò)程中卻極為少見(jiàn)。以往研究表明，“拖尾”現(xiàn)象一方面有利于磨粒切削性能的充分發(fā)揮，另一方面也意味著結(jié)合劑對(duì)金剛石具有很強(qiáng)的把持力，可以在重負(fù)荷狀態(tài)下加工硬脆性材料，這是目前釬焊工具所不具備的優(yōu)勢(shì)。

　　3         結(jié)論

　　新連接方式的金剛石端面磨盤(pán)的磨耗實(shí)驗(yàn)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(guò)程中的典型磨損特征為完整、磨平、破碎、斷裂，但無(wú)磨粒脫落現(xiàn)象發(fā)生，這些結(jié)果與釬焊金剛石工具基本一致。磨損過(guò)程跟蹤結(jié)果表明，由于磨粒性能和載荷作用差異，不同磨粒磨損過(guò)程相差較大，但都是以上五種典型磨損狀態(tài)的組合。與釬焊工具相同，磨粒折斷依然是此類(lèi)工具的最大問(wèn)題，但從磨粒后背拖尾現(xiàn)象來(lái)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(jiǎn)介：邢波，男，1987年生，工學(xué)碩士，主要從事超硬材料及制品研究與應(yīng)用。