陶瓷結(jié)合劑對金剛石顆粒把持力檢測的研究①

栗正新,楊雪峰,鄧相榮,肖長江

(河南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,河南鄭州450007)

0 前言

陶瓷結(jié)合劑金剛石工具中的金剛石是共價鍵結(jié)構(gòu),一般難于與陶瓷結(jié)合劑形成化學(xué)結(jié)合力而獲得較高的結(jié)合強(qiáng)度,導(dǎo)致金剛石工具在磨削過程中磨粒容易脫落;通過提高結(jié)合劑的密度而提高對金剛石的機(jī)械把持力,如過高又會導(dǎo)致磨鈍的磨粒難以脫落。因此陶瓷結(jié)合劑對磨料把持能力的強(qiáng)弱成為影響工具性能的主要因素,把持力的檢測是高性能陶瓷結(jié)合劑金剛石工具研究的關(guān)鍵[1]。

1 把持力的特征分析

結(jié)合劑阻止磨料從磨具中脫落所需要的作用力稱為把持力。其界面結(jié)合力主要有物理吸附力、機(jī)械鑲嵌力和化學(xué)結(jié)合力。把持力包括結(jié)合劑對金剛石的物理附著力、鑲嵌機(jī)械力與化學(xué)作用力。

(1)物理附著力:主要包括范德華力和氫鍵力。這種結(jié)合力雖普遍存在,但由于其結(jié)合太弱故不能牢固粘結(jié)金剛石;

(2)機(jī)械鑲嵌力:即胎體通過對金剛石的包鑲和磨擦而對金剛石起支持作用,這種結(jié)合力雖可使小顆粒金剛石得以應(yīng)用,但由于結(jié)合太弱,往往造成金剛石來不及充分發(fā)揮作用而過早脫落,使得金剛石工具成本過高;

(3)化學(xué)結(jié)合力:即界面上存在金屬胎體與金剛石在一定溫度與壓力下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成的化學(xué)鍵,包括離子鍵、共價鍵、金屬鍵等。此種結(jié)合力通?？蛇_(dá)到幾百兆帕,可以有效地粘結(jié)金剛石,提高金剛石的使用效率。

在這三種力中,物理吸附力很小,機(jī)械鑲嵌力的大小取決于結(jié)合劑的孔隙率及結(jié)合劑的強(qiáng)度和硬度,化學(xué)結(jié)合力較強(qiáng)。由于磨料與結(jié)合劑之間有很高的界面能,一般結(jié)合劑與磨料之間較難形成化學(xué)結(jié)合,而是以機(jī)構(gòu)鑲嵌作用為主,其結(jié)果是結(jié)合劑對磨料沒有足夠的把持力,使用過程中磨粒容易脫落、流失,這不但縮短了工具的使用壽命,而且影響加工效率[2,3]。

結(jié)合劑的強(qiáng)度通常用抗拉強(qiáng)度表示,材料的抗拉強(qiáng)度由結(jié)合劑的組分、結(jié)構(gòu)和密度決定。為了保證磨具的安全使用,選擇足夠強(qiáng)度的結(jié)合相是十分必要的。由于磨具在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作,要產(chǎn)生極大的離心拉應(yīng)力,因此結(jié)合相的強(qiáng)度必須大于這種拉應(yīng)力,磨具使用才會安全。同時結(jié)合劑的強(qiáng)度越高對磨粒的機(jī)械鑲嵌力也越高。在制備過程中可以調(diào)整結(jié)合劑的用量,即磨具的密度,來調(diào)整結(jié)合劑對磨粒的機(jī)械鑲嵌力[4]。

2 把持力力學(xué)模型

為了計算化學(xué)結(jié)合力對實際情況進(jìn)行的理想化處理,假設(shè)在抗拉實驗過程中金剛石強(qiáng)度足夠大,拉伸過程中不斷裂;胎體是均質(zhì)的;金剛石顆粒視為球體。

圖1 外力作用下磨粒受力模型Fig.1 Force model of abrasives tool sample

圖1所示是不考慮表面附著力的磨粒受力模型。在外力的作用下單個磨粒受力脫離結(jié)合劑有兩種形式,一種是外力克服了結(jié)合劑對磨粒的表面作用力,即化學(xué)結(jié)合力和物理附著力,然后脫離結(jié)合劑,如圖2所示。另一種是在外力作用下,克服了表面作用力和機(jī)械鑲嵌力后脫落,如圖3所示。這兩種情形出現(xiàn)的數(shù)量可以通過顯微鏡觀察試驗樣品的斷面來確定。

第一種脫落情況磨粒受力情況如圖2所示。單個顆粒受拉力f1和表面結(jié)合力σ1作用。受力平衡方程式如公式(1)所示。

式中:f1—單顆磨粒受力;d—磨粒直徑;σ1—表面結(jié)合力。

第二種脫落情況磨粒受力情況如圖3所示。單個顆粒受拉力f2和表面結(jié)合力σ1和結(jié)合劑的作用力σ2作用。受力平衡方程式如公式2所示。

式中:f2—單顆磨粒受力;d—磨粒直徑;σ1—表面結(jié)合力;σ2—結(jié)合劑抗拉強(qiáng)度。

圖2 在外力的作用下單個磨粒脫落方式之一Fig.2 The first falling out model of diamond grain

圖3 在外力的作用下單個磨粒脫落方式之二Fig.3 The second falling outmodel of diamond grain

3 把持力的計算

抗拉試驗試樣斷裂時,斷面上的受力平衡方程式如公式(3)所示。推導(dǎo)后得出結(jié)合劑對磨粒的化學(xué)結(jié)合力σ1如公式(4)所示。

式中:n1,n2—磨料顆數(shù);f1,f2—單顆磨粒受力;試樣斷面面積;A0-氣孔面積;σ2—結(jié)合劑抗拉強(qiáng)度。

式中結(jié)合劑的抗拉強(qiáng)度σ2可以通過結(jié)合劑抗拉試驗確定,n1、n2可以通過試驗樣品的斷面顯微鏡圖像分析軟件統(tǒng)計確定。磨粒直徑可以采用粒度試驗計算出的d50值。

4 把持力軟件計算流程

因為本文探討的把持力計算方法為間接法測量,因此計算量很大,為了提高計算的準(zhǔn)確性和效率,通過計算機(jī)軟件可以輔助實現(xiàn)快捷的數(shù)值計算。軟件計算流程如圖4所示。

圖4 把持力計算機(jī)計算流程Fig.4 Data flowdiagram of the soft ware

5 結(jié)論

本文探討了金剛石工具把持力的測試方法,試圖解決因金剛石工具的把持力無法直接測量帶來的困境。通過對結(jié)合劑試樣和磨具試樣的抗拉強(qiáng)度試驗、斷面顯微圖片分析試驗、激光力度試驗,根據(jù)建立的陶瓷結(jié)合劑對金剛石把持力測試方法的數(shù)學(xué)模型,可以通過軟件計算出把持力。但是建立在理想化假設(shè)基礎(chǔ)上的計算值與實際有偏差,還要通過進(jìn)一步試驗通過修正系數(shù)對理論公式進(jìn)行修正。

[1] 戴秋蓮,徐西鵬,王永初.金屬結(jié)合劑對金剛石把持力的增強(qiáng)措施及增強(qiáng)機(jī)制評述[J].材料科學(xué)與工程,2002(03).

[2] 郭鐵峰.金剛石表面金屬化方法[J].吉林地質(zhì),1995,(04).

[3] 郭然,沈劍云,徐西鵬.金剛石表面鍍覆技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].珠寶科技,2003(01).

[4] 高濤,彭偉,姚春燕.金剛石表面處理的應(yīng)用和發(fā)展[J].金剛石與磨料磨具工程,2004(03).

[5] 王明智,王艷輝,關(guān)長斌,臧建兵.金剛石表面的T i、M o、W鍍層及界面反應(yīng)對抗氧化性能的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報,1996(02).

[8] 陳艸凡,呂海波,王四清.石材切割鋸片結(jié)合劑中鐵含量對金剛石把持力的影響[J].金剛石與磨料磨具工程,1997(02).