聚晶金剛石復(fù)合片非脆性去除磨削機理研究

賈 乾 忠， 李 嫚， 張 弘 弢， 董 海， 屈 福 政

( 大連理工大學 機械工程學院, 遼寧 大連 116024 )

聚晶金剛石復(fù)合片非脆性去除磨削機理研究

賈 乾 忠， 李 嫚， 張 弘 弢*， 董 海， 屈 福 政

( 大連理工大學 機械工程學院, 遼寧 大連 116024 )

聚晶金剛石(polycrystalline diamond，PCD)的磨削是PCD刀具制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，磨削參數(shù)的變化影響PCD的去除方式，進而決定刀具的切削性能．通過掃描電鏡觀察分析腐蝕后的PCD磨削表面微觀形貌，研究了金剛石砂輪磨削PCD中的刻劃作用、滑擦作用和熱化學反應(yīng)等非脆性去除機理，及其與磨削參數(shù)的關(guān)系．結(jié)果表明：刻劃作用僅在砂輪磨粒較鋒利時產(chǎn)生作用，多存在于濕磨初期；砂輪磨鈍后，滑擦作用和熱化學反應(yīng)是PCD的主要去除方式，且滑擦作用與熱化學反應(yīng)同時發(fā)生．通過設(shè)計一組特殊磨削試驗，間接證明了磨削后的PCD表面存在由熱化學反應(yīng)產(chǎn)生的軟化層．

聚晶金剛石；磨削；金剛石砂輪；刻劃；滑擦；熱化學反應(yīng)

0 引 言

聚晶金剛石(polycrystalline diamond，簡稱PCD)，是由少量金屬粉末催化劑混合在金剛石微粉中，在高溫高壓下燒結(jié)而成的一種超硬材料．在燒結(jié)過程中金剛石顆粒之間會形成牢固的C—C鍵，因此PCD具有接近單晶金剛石的硬度、耐磨性和較高的強度，是一種理想的刀具材料[1]．PCD復(fù)合片包括PCD層和硬質(zhì)合金層，是直接在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)而成[2]．PCD復(fù)合片集金剛石的高硬度與硬質(zhì)合金的良好韌性于一身．然而，因為PCD的高硬度和高耐磨性，PCD刀具的加工變得非常困難．目前，主要有4種加工PCD刀具的方法，包括電火花磨削加工、熱鑄鐵盤加工、超聲振動研磨和金剛石砂輪磨削[3-5]．其中，金剛石砂輪磨削技術(shù)相對比較成熟，工藝易于掌握，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于PCD刀具的實際生產(chǎn)中．但是金剛石砂輪磨削PCD的加工效率低，導(dǎo)致PCD刀具的加工成本較高，已經(jīng)嚴重妨礙了PCD刀具的推廣應(yīng)用．為了解決這一技術(shù)瓶頸問題，研究PCD材料的去除機理成為迫在眉睫之事．

通過深入研究PCD不同磨削參數(shù)下的去除率Qw和磨耗比Rg，德國學者Kenter提出了4種PCD磨削中磨粒去除的方式，包括滾壓、振動、滑擦和刻劃，其中起主要作用的是滑擦和刻劃．認為可能存在修銳后金剛石砂輪磨粒壓入PCD微小深度并形成切屑的狀態(tài)；也曾在PCD的刃口處發(fā)現(xiàn)了與磨削方向相同的少量劃痕[6-8]．但其研究以提高PCD的磨削效率為導(dǎo)向，側(cè)重于比較磨削參數(shù)對Qw和Rg的影響．研究中Kenter沒有給出化學去除存在的證據(jù)，對PCD去除機理的研究并不充分．張建華等對砂輪磨削PCD時的磨削區(qū)域溫度進行了估算和測量，認為PCD的去除機理分為3種：磨粒機械磨耗磨削，熱化學磨削，破碎磨削[9]．然而，其沒有對熱化學磨削進行充分驗證，僅從PCD磨削表面的SEM照片一個方面來判斷熱化學反應(yīng)的發(fā)生有失片面．研究中的PCD復(fù)合片中存在直徑達50 μm的金剛石晶粒，與當今市場主流PCD復(fù)合片的晶粒直徑相差較大．

在之前的研究中，曾發(fā)現(xiàn)金剛石砂輪加工PCD干磨和濕磨的去除機理存在較大差異[5]．干磨時主要是熱化學去除和機械熱去除，基本不發(fā)生疲勞脆性去除；濕磨時則主要是疲勞脆性去除，同時也存在局部熱化學去除．通過進一步探討金剛石砂輪磨削PCD時的脆性去除機理，提出PCD的脆性去除方式包括微細破碎、沿晶破碎和疲勞解理破碎[10]．然而，對于PCD磨削中的刻劃作用、滑擦作用和熱化學反應(yīng)等非脆性去除方式缺少深入的研究．本文試驗中，對不同磨削條件下的PCD樣本進行腐蝕，并對其磨削表面微觀形貌進行觀察分析，探討金剛石砂輪磨削PCD中的刻劃作用、滑擦作用，及其與熱化學反應(yīng)之間的關(guān)系．

1 試驗條件

試驗選用Element Six公司生產(chǎn)的3種PCD復(fù)合片，SYNDITE CTB002、CTB010、CTB025(粒度分別是2、10、25 μm)，其PCD層厚度均為0.75 mm．磨削試驗在PCD&PCBN刀具專用磨床FC-200D上進行，磨床工作臺調(diào)定壓力為129 N．選用3種杯型砂輪，分別為用于粗磨的陶瓷結(jié)合劑砂輪W40和W14，型號為6A2 150×40×15×5 V100；用于精磨的金屬結(jié)合劑砂輪W7，型號為6A2 150×40×15×5 M100．試驗中，固定參數(shù)如下：砂輪修銳時間20 s，擺頻40 次/min，擺幅20 mm．磨削試驗參數(shù)如表1所示．其中，濕磨中的磨削液為含1%TSM-1水劑的水溶液．磨削后的PCD用王水進行腐蝕，然后用JSM-6360LV型掃描電鏡觀察分析試樣的表面微觀形貌．

表1 磨削試驗參數(shù)Tab.1 Parameters in the grinding experiments

2 試驗結(jié)果及分析

圖1為磨削后的PCD表面微觀形貌SEM照片．其中圖1(a)未腐蝕，圖中白色區(qū)域由原子序數(shù)較高的Co元素富集而成，灰色區(qū)域為金剛石顆粒，灰黑色剝落坑則是磨削過程中形成的．圖1(b)為用王水腐蝕2 min后得到的磨削表面形貌．從圖中可以看到，腐蝕后的磨削表面更清晰，黏結(jié)物和黏結(jié)劑Co被去除，金剛石固架依然保持完整．這是因為王水在常溫下對金剛石幾乎沒有腐蝕作用，而對黏結(jié)劑Co卻有較強的腐蝕能力．

金剛石砂輪磨削加工PCD與傳統(tǒng)磨削加工方式相差很大，其實質(zhì)是砂輪中的金剛石磨粒與PCD中的金剛石顆粒相互作用的過程．磨削中，砂輪既繞其軸線做旋轉(zhuǎn)運動vc，也做徑向擺動vr；PCD復(fù)合片受切向力Ft、徑向力Fr和法向力Fn的共同作用，如圖2所示．相對于較平滑的PCD表面，金剛石砂輪上既有比較尖銳的磨粒(磨粒1)，也有較為平滑的磨粒(磨粒2)．一般而言，磨削前期，砂輪經(jīng)過修銳，磨粒多處于磨粒1的尖銳狀態(tài)；隨著磨削的進行，磨粒逐漸磨損，磨削后期很多磨粒會變得如同磨粒2般平滑，這也將導(dǎo)致PCD的磨削機理發(fā)生變化．

(a) CTB025，W40，700 r/min，濕磨

(b) CTB025，W7，700 r/min，干磨

圖1 PCD磨削表面顯微照片

Fig.1 Micrographs of ground PCD surface

圖2 金剛石砂輪磨粒運動示意圖Fig.2 Schematic of wear particles movement in diamond wheel

2.1 刻劃作用

刻劃作用是指金剛石砂輪中的磨粒壓入PCD并形成劃痕的過程．

圖3與4是在試驗中發(fā)現(xiàn)的PCD磨削表面上因刻劃作用而形成的劃痕(箭頭所指的方向為磨削方向)．其中，圖3較清晰，且劃痕位于PCD刃口附近．圖3中劃痕是在濕磨狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)的，且長度都很短，這與Kenter的研究結(jié)果吻合[8]．圖4為PCD刃口50 μm以下，磨削表面上刻劃作用留下的劃痕．其中，圖4(b)是圖4(a)中橢圓區(qū)域的放大圖．可以發(fā)現(xiàn)，A處劃痕很短，在局域放大的SEM照片上才較為明顯．除了輕微劃痕，圖4(b)中PCD表面B處為微細破碎而生成的剝落坑，說明磨削中多種去除方式共同發(fā)生．與Kenter 的發(fā)現(xiàn)不同的是，圖3與4上的劃痕都是在CTB010型復(fù)合片上發(fā)現(xiàn)的，未在CTB025試樣上觀察到刻劃作用留下的劃痕，這與CTB025較高的硬度和耐磨性有關(guān)．陳石林研究了2～25 μm粒度范圍的PCD，發(fā)現(xiàn)PCD的硬度和耐磨性隨其粒度的增大而提高[11]．

CTB010，W14，1 947 r/min，濕磨圖3 PCD刃口附近的劃痕Fig.3 Scratch marks near the cutting edge of PCD

圖4 PCD表面刻劃作用留下的劃痕

Fig.4 Scratch marks on the PCD surface formed by scoring effect

理論上，因為砂輪中金剛石磨粒和PCD中金剛石顆粒的任意取向性，磨削過程中必然會存在砂輪中的金剛石磨粒硬度大于PCD中的金剛石顆粒硬度的狀態(tài)，刻劃作用隨之發(fā)生．然而，實際觀察中，在PCD的磨削表面很難看到因刻劃作用留下的劃痕．Kenter只在CTB002型PCD的刃口處發(fā)現(xiàn)了少量較明顯的劃痕，在刃口50 μm以下則沒有發(fā)現(xiàn)任何劃痕[8]．這種現(xiàn)象的出現(xiàn)有以下兩個原因：一是由于硬度接近，金剛石磨粒不可能壓入PCD過深，形成不了較深的劃痕；二是因為PCD較硬，砂輪上的磨粒磨損非?？欤芸赡茉谂cPCD接觸后很短時間內(nèi)就因磨損而變得平滑(如圖2中的磨粒2)，結(jié)果就很難在PCD上留下劃痕．所以，刻劃作用僅能在磨削初期磨粒鋒利時發(fā)生，當砂輪磨損以后將變得不太明顯．濕磨比干磨更有利于保持磨粒的鋒利度，這也是Kenter和本文試驗中的劃痕都是在濕磨條件下發(fā)現(xiàn)的原因．

2.2 滑擦作用與熱化學反應(yīng)

圖5為滑擦作用示意圖．金剛石砂輪中的磨粒在磨鈍后不足以產(chǎn)生刻劃作用，其在PCD表面產(chǎn)生的局部應(yīng)力也不能使PCD產(chǎn)生微細破碎時，磨粒在PCD上只能起到摩擦作用，導(dǎo)致PCD磨耗式去除，稱為滑擦作用[12]．

圖5 滑擦作用示意圖Fig.5 Schematic of sliding effect

圖6為滑擦作用形成的典型PCD磨削表面．因為滑擦作用導(dǎo)致的PCD磨耗去除非常緩慢，最終會形成非常光滑的PCD磨削表面．圖1(b)中的光滑表面，也主要是由滑擦作用形成的．因為金剛石砂輪中的磨粒磨損很快，在磨削PCD的過程中，滑擦作用是廣泛存在的．采用金剛石砂輪磨削PCD時，在以下3種情況下滑擦作用都會發(fā)生：金剛石磨粒已經(jīng)磨鈍；PCD中的金剛石顆粒硬度超過金剛石砂輪中的磨粒硬度；砂輪磨粒與PCD表面的接觸應(yīng)力不足以造成PCD的微細破碎．

CTB025，W40，700 r/min，干磨圖6 滑擦作用形成的典型PCD磨削表面Fig.6 Typical ground surface of PCD formed by sliding effect

在PCD的磨削過程中，肯定不是一種磨削去除機理發(fā)生作用，往往是多種去除方式同時作用．當砂輪被磨鈍以后，伴隨滑擦作用必將產(chǎn)生大量的摩擦熱，使磨削區(qū)域的溫度升高．而PCD中的Co在磨削壓力與高溫作用下具有較高的化學活性，很可能會促使PCD在磨削過程中產(chǎn)生金剛石的氧化、石墨化、無定形碳化等熱化學反應(yīng)．王適等對3種PCD復(fù)合片熱穩(wěn)定性進行了研究，發(fā)現(xiàn)CTB002、CTB010、CTB025在空氣中的熱穩(wěn)定性表征溫度分別是650、690、720 ℃[13]．張建華等發(fā)現(xiàn)當金剛石磨削速度為15 m/s時，磨削區(qū)溫度的變化范圍是200～500 ℃，當磨削速度提高至30 m/s時，磨削區(qū)域的溫度可高達900 ℃[9]．本文試驗中的磨削速度介于5.5 m/s與15.3 m/s之間，然而，PCD的熱化學反應(yīng)不僅與溫度有關(guān)，黏結(jié)劑Co的含量、PCD的質(zhì)量、磨削應(yīng)力以及磨床振動等都可能對熱化學反應(yīng)過程產(chǎn)生影響．這就使PCD砂輪磨削時的熱化學反應(yīng)過程變得非常復(fù)雜．

目前還沒有公認的研究結(jié)果來解釋金剛石砂輪磨削PCD時熱化學反應(yīng)的具體過程，文獻中也缺少令人信服的證據(jù)．因此，本文對PCD復(fù)合片的磨削順序進行設(shè)計，以期能發(fā)現(xiàn)熱化學反應(yīng)在PCD磨削表面產(chǎn)生的軟化層．

2.3 PCD表面軟化層

首先，用W7砂輪將試樣CTB002和CTB010在1 200 r/min轉(zhuǎn)速下干磨成鏡面；其次，在1 947 r/min轉(zhuǎn)速下，用修銳后的W14砂輪在各試樣一半寬度處進行少于5 s的短時間濕磨；然后，用SEM觀察PCD干濕磨分界線上下的表面微觀形貌．

圖7顯示了試樣干磨與濕磨界面處微觀形貌，其中下部為干磨后的鏡面，上部為W14砂輪再次濕磨后的表面．從圖中可以看到，不僅在CTB002和CTB010的干濕磨分界線處存在清晰的劃痕，還可以在上部濕磨后的PCD表面上發(fā)現(xiàn)較長的劃痕．在圖7(b)中的上部可以清晰地看到，數(shù)條較粗的劃痕穿過多個金剛石顆粒，該劃痕顯然是由同一顆磨粒因犁溝效應(yīng)而生成．反觀圖3和4，因刻劃作用形成的劃痕長度很短、深度也很淺，與圖7中發(fā)現(xiàn)的長劃痕明顯不同．在討論刻劃作用時，知道砂輪上的磨粒磨損非?？欤Ｇ闆r下不會出現(xiàn)圖7中的長劃痕．由此可以斷定，W7砂輪在1 200 r/min的轉(zhuǎn)速下將CTB002和CTB010干磨成鏡面時，PCD表面發(fā)生了熱化學反應(yīng)，并形成了軟化層．因為軟化層的硬度比金剛石砂輪中的磨粒硬度低，用修銳后的W14砂輪對PCD進行磨削時，磨粒壓入軟化層，在犁溝作用下形成了圖7中的長劃痕．

圖7 干磨與濕磨界面處顯微照片

Fig.7 Micrograph of the boundary between dry grinding and wet grinding

3 結(jié) 論

(1)研究了金剛石磨削PCD過程中的非脆性去除方式機理，包括刻劃作用、滑擦作用和熱化學反應(yīng)．

(2)刻劃作用僅在磨削初期砂輪磨粒較鋒利的時候發(fā)揮作用，且多存在于濕磨PCD的刃口附近．

(3)當砂輪磨鈍以后，刻劃作用很難發(fā)生，而滑擦作用與熱化學反應(yīng)成為PCD的主要去除方式．

(4)通過設(shè)計特殊的磨削試驗，間接證明了PCD磨削表面由熱化學反應(yīng)產(chǎn)生的軟化層的存在．

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Study of non-brittle removal mechanism in grinding of polycrystalline diamond compact

JIA Qian-zhong, LI Man, ZHANG Hong-tao*, DONG Hai, QU Fu-zheng

( School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Grinding of polycrystalline diamond (PCD) is an important process in PCD cutter manufacturing. The grinding parameters can strongly influence the removal form of PCD, and determine the performance of the cutting tool. Non-brittle removal mechanism of PCD including scoring effect, sliding effect and thermochemical reaction, as well as their relations with grinding parameters, are investigated by examining the surface micro-morphology of pre-etched PCD specimens using scanning electron microscopy. The experimental results indicate that scoring effect, which is functional in the initial stage of wet grinding, happens only when the wear particles of diamond wheel are sharp. On the contrary, sliding effect and thermochemical reaction, which happen simultaneously, are the main removal mechanisms when wear particles of diamond wheel are blunt. At last, a special group of grinding experiments are carried out and the existence of a softened layer caused by thermochemical reaction on the ground surface of PCD is confirmed indirectly.

polycrystalline diamond (PCD); grinding; diamond wheel; scoring; sliding;thermochemical reaction

1000-8608(2015)03-0281-05

2015-02-12；

2015-03-16．

賈乾忠(1982-)，男，博士生，E-mail:jqzh@mail.dlut.edu.cn；張弘弢*(1952-)，男，教授，E-mail:zhanght@dlut.edu.cn.

TG580.11

A

10.7511/dllgxb201503008