摘要：采用銅粉、還原鐵粉、鑄鐵粉并輔以改善鐵粉和鑄鐵粉末冶金性能的金屬添加劑作配方，燒制出適合現(xiàn)有生產(chǎn)條件的ELID磨削用砂輪磨塊。性能檢驗表明該配方滿足了ELID磨削要求。
　　ELID磨削獨特的加工方式和加工環(huán)境，對砂輪提出如下要求：(1)金屬結(jié)合劑對超硬磨料的把持強度要大，防止在磨削受力過程中磨料從結(jié)合劑上脫落；(2)為了提高磨削效率，要求燒結(jié)砂輪時，結(jié)合劑中各種成分的配比合理，保證在ELID磨削過程中，電解均勻，參加磨削的磨粒數(shù)量多而穩(wěn)定；(3)為了保證磨削質(zhì)量，ELID磨削中對砂輪表面電解鈍化膜的形成速度、成膜質(zhì)量有較高要求，電解膜的厚度要厚，質(zhì)地要堅實不易脫落。
　　根據(jù)上述要求，鐵或鑄鐵做為ELID磨削用砂輪結(jié)合劑是最合理的。但由于鐵的熔點高，造成結(jié)合劑與金剛石或CBN磨料的燒結(jié)溫度高，因而帶來一系列間題：使用設(shè)備的要求高，高溫燒結(jié)中防止金剛石磨料石墨化和氧化的保護工藝復(fù)雜、昂貴，而國內(nèi)廠家現(xiàn)有的設(shè)備工藝水平達不到要求。如何在保證ELID磨削使用要求的前提下，根據(jù)國內(nèi)廠家現(xiàn)有設(shè)備工藝水平制造出金屬結(jié)合劑砂輪，是本文研究的內(nèi)容，也是ELID磨削技術(shù)在我國推廣應(yīng)用中魚待解決的難題。
　　1 新型金屬結(jié)合劑超硬砂輪的研制
　　日本最早開發(fā)出鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪，主要是以灰鑄鐵切屑經(jīng)球磨粉碎篩選后的粉末、徑基鐵粉、鎳粉作結(jié)合劑，與磨料混合后在高溫1120℃左右，真空或氮氣保護下燒結(jié)而成。其制造過程中，要求設(shè)備工藝水平很高，而我國現(xiàn)有的生產(chǎn)加工條件還達不到那樣高的要求，即使勉強達到，成本也很高。因此根據(jù)國內(nèi)廠家(如哈爾濱砂輪廠)的設(shè)備和工藝水平，在金剛石碳化溫度1000℃以下(金剛石與鐵接觸時1000℃開始石墨化)、碳保護的燒結(jié)條件下燒結(jié)出新型金屬結(jié)合劑砂輪磨塊，經(jīng)性能測試達到ELID磨削的要求。
　　試驗中，為了降低成本，以濃度為100%的Si以粒度W28-W40)代替金剛石磨料，以還原鐵粉、還原銅粉為主，輔以不同成分的金屬添加劑粉末，在350MPa的壓力下，壓制成Ø20mm的磨料，按圖1所示燒結(jié)工藝燒結(jié)成試驗用的磨塊。磨塊配方選擇主要是根據(jù)已有銅基金剛石砂輪的配方，依次將銅的比例減少，相應(yīng)地增加鐵和鑄鐵的比例，同時加人少量金屬添加劑配制而成，如附表所示。添加劑TJ1、TJ2，主要作用是降低燒結(jié)溫度，其與Fe、Cu形成的合金對砂輪的電解起抑制作用，同時它們的溶解度是有限的。所有的金屬添加劑含量控制在8%左右。過量的添加劑會使合金組織發(fā)生偏析，結(jié)合劑性質(zhì)變脆，磨削時容易碎裂，燒結(jié)時也容易溢出液體。
　　

　　在砂輪磨削的燒結(jié)過程中，結(jié)合劑中的金屬添加劑TJ1、TJ2在500℃左右時就已先期熔化，填充在銅、鐵、鑄鐵粉末的空隙中，將整個粉末顆粒包裹起來，銅、鐵和鑄鐵顆粒的高部位不斷大量溶解于液相中，這樣使銅、鐵和鑄鐵等高熔點金屬粉末的界面上在很低溫度時就開始了熔化溶解的過程，在它們的界面處形成合金。這不僅使結(jié)合劑的熔點大大降低，也使熔化過程大大加快，合金化過程更充分；同時粉末空隙中的空氣也被液相排出，保護了金屬粉末不被氧化。在這個過程中，TJ1和TJ2起著誘導(dǎo)劑作用，誘導(dǎo)銅粉快速充分溶解融化，誘導(dǎo)鐵、鑄鐵局部溶解形成均勻熔融的塑性體，使其冷卻收縮后對金剛石產(chǎn)生牢固的鑲鉗力量。TJ3用于提高合金的耐磨性。
　　2 新砂輪磨塊的試驗
　　根據(jù)ELID磨削砂輪的評定特性，對燒結(jié)成的砂輪磨塊的磨損率，電解活化與鈍化曲線以及生成鈍化膜的粘附強度、硬度、厚度進行了測試。試驗結(jié)果如圖2～7所示。
　　從圖2可以看出，磨塊中銅的含量增大，砂輪磨損率增大。這是因為銅的強度、硬度和耐磨性相對比鐵低，結(jié)合劑基體中銅的含量越多，砂輪磨塊的強度、硬度和耐磨性越低，砂輪磨損率越大。
　　盡管鑄鐵的機械性能比鐵好，但隨著鑄鐵含量的增加，砂輪磨損率增大。這主要是因為鑄鐵的熔點很高，在我們使用的設(shè)備條件下，很難使鑄鐵達到熔融狀態(tài)，因此鑄鐵粉與銅粉、鐵粉和磨料之間的結(jié)合力弱，致使砂輪酥軟，容易脫落，如圖3所示。 

　　從圖4～6可以看出，隨著磨塊中銅含量的增加，電解后生成鈍化膜的粘附強度(用單位面積鈍化膜被吹掉所用的時間s表示)下降，硬度(以鈍化膜干燥后單位面積上能承受的載荷N表示)和厚度增大，這是因為銅的含量決定著電解速度。銅的含量大，電解速度快，電解出的鐵離子濃度大，與磨削液反應(yīng)生成的鈍化膜厚度大、硬度高、粘附強度低。
　　在進行砂輪磨塊配方設(shè)計時，通過調(diào)整控制銅粉和鐵粉、鑄鐵粉的配比，可以得到不同的電解活化和鈍化曲線，如圖7所示。當采用7號磨塊配方時，得到的電解活化鈍化曲線最好，生成鈍化膜質(zhì)地均勻、致密、粘附強度高。這種結(jié)合劑配比可使砂輪的電解均勻，成膜速度快，膜的致密性好，能很好地滿足ELID磨削的要求。

　　3 實際應(yīng)用效果
　　分別采用7號磨塊的配方和上述燒結(jié)工藝燒制出的W40鐵基金剛石砂輪和同樣粒度的商品鐵基金剛石砂輪(鄭州環(huán)球砂輪廠制造)加工SiC陶瓷環(huán)內(nèi)圓，加工表面粗糙度Ra分別<0.03µm、<0.032µm，如圖8、9所示。
　　4 結(jié)論
　　磨塊中銅粉的含量決定著砂輪的電解速度，鐵粉的含量影響著生成鈍化膜的性能，兩者的配比決定著砂輪在ELID磨削中性能的好壞。實驗得出，當砂輪中銅粉和鐵粉的重量比為10:82時，砂輪的ELID磨削性能最好。
　　在現(xiàn)有的燒結(jié)設(shè)備和工藝水平下，鑄鐵粉的含量不宜過多。當采用性能較高的設(shè)備和工藝時，可適當?shù)卦黾咏Y(jié)合劑中鑄鐵粉的含量，相應(yīng)地減少鐵粉、銅粉的含量，可使砂輪的ELID磨削性能有更好的提高。
　　砂輪電解活化與鈍化性能的好壞取決于生成鈍化膜致密性，而與鈍化膜的硬度、厚度等關(guān)系不大。