趙亞慶,何方

(河南工業(yè)大學(xué),材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南鄭州450001)

孔隙率對(duì)多孔金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊性能的影響

趙亞慶,何方

(河南工業(yè)大學(xué),材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南鄭州450001)

以碳酸氫銨為造孔劑,采用真空熱壓燒結(jié)法制備了多孔銅基結(jié)合劑金剛石節(jié)塊。隨著碳酸氫銨含量的增加,金剛石節(jié)塊的孔隙率逐漸升高,抗彎強(qiáng)度逐漸降低,自銳性提高。用不同孔隙率的金剛石節(jié)塊磨削硬質(zhì)合金,觀察了磨削后金剛石節(jié)塊的表面狀況,研究了孔隙率與磨削比的關(guān)系。結(jié)果表明:當(dāng)孔隙率為20%左右時(shí),金剛石節(jié)塊的磨削比最高。

碳酸氫銨;多孔金剛石節(jié)塊;孔隙率;自銳性;磨削比

1 引言

金屬結(jié)合劑金剛石砂輪以其強(qiáng)度高、耐磨性好、形狀穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在硬質(zhì)合金工具、工程陶瓷、玻璃、石材等硬脆難加工材料的磨削加工中[1]。為了提高金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持能力,常將砂輪的致密度作為衡量砂輪性能的重要指標(biāo)。由于金剛石層具有高的致密度,致使金剛石層出現(xiàn)氣孔率低、容屑空間不足、自銳性差等問題,難以滿足難加工材料高效磨削的要求[2]。另外,金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的修整修銳問題也是限制其磨削性能進(jìn)一步提高的關(guān)鍵問題[3]。陶瓷結(jié)合劑砂輪屬于多孔砂輪,但結(jié)合劑脆性大,抗沖擊強(qiáng)度差。因此,我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖?在金屬結(jié)合劑金剛石砂輪中引入孔隙結(jié)構(gòu),制備多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪,以期解決其自銳性差、整形修銳困難的問題。

目前,采用高溫分解或揮發(fā)物[4]、可溶性鹽類物質(zhì)[5]、陶瓷或玻璃空心球[6]、超臨界萃取有機(jī)物造孔劑[7]等方法可以制備出具有一定孔隙率和強(qiáng)度的多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪。日本學(xué)者采用熱等靜壓法、真空燒結(jié)法和通電燒結(jié)法等[8,9]制備鑄鐵基多孔砂輪,工藝復(fù)雜,成本較高,生產(chǎn)效率較低;國內(nèi)南京航空航天大學(xué)、華僑大學(xué)等高校學(xué)者采用Ni-Cr釬料[10]、Cu-Sn-Ti釬料[11]等制備高溫釬焊多孔金剛石砂輪,但釬焊溫度高,對(duì)金剛石的熱損傷嚴(yán)重。而本實(shí)驗(yàn)擬采用高溫分解物碳酸氫銨做造孔劑,利用低成本、高效率的真空熱壓燒結(jié)法制備銅基多孔金剛石砂輪節(jié)塊,并研究了不同孔隙率下,金剛石節(jié)塊性能的變化。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)主要原材料

Cu粉、Ni粉、Fe粉、Ti粉、Sn粉和Zn粉等,粒度300目;造孔劑為碳酸氫銨,粒度80目;金剛石粒度50/60,濃度50%。

2.2 多孔金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊的制備

實(shí)驗(yàn)采用RYJ2000Z型真空熱壓燒結(jié)機(jī)燒結(jié)制備32 mm×4.5 mm×3 mm金剛石節(jié)塊,燒結(jié)溫度780℃,壓力3 MPa,保溫時(shí)間3 min。

圖1 多孔金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊的制備工藝流程圖Fig.1 The preparation process of porous metal-bonded diamond blocks

圖2 燒結(jié)工藝曲線Fig.2 The curve of sintering process

2.3 性能檢測

(2)在CMT4504電子多功能試驗(yàn)機(jī)上采用三點(diǎn)彎曲法測量樣條抗彎強(qiáng)度,跨距20 mm,加載速度1 mm/min;

(3)使用HR150洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試;

(4)使用日本日立S-4800場發(fā)射掃描電鏡觀察節(jié)塊斷口形貌及孔隙微觀形貌;

(5)使用MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 造孔劑含量對(duì)金剛石節(jié)塊孔隙率和抗彎強(qiáng)度的影響

隨著造孔劑含量(體積分?jǐn)?shù))的增加,金剛石節(jié)塊的孔隙率逐漸增大,抗彎強(qiáng)度逐漸降低。造孔劑含量從0增加到40%,金剛石節(jié)塊的孔隙率從5.6%增加到39.99%;金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度從401.99 MPa降低到58.7 MPa(圖3)。

3.2 孔隙率對(duì)金屬結(jié)合劑胎體和金剛石節(jié)塊抗彎強(qiáng)度的影響

圖3 不同造孔劑含量下金剛石節(jié)塊的孔隙率和抗彎強(qiáng)度Fig.3 The porosity and the flexural strength of diamond blocks under different content of pore-forming agent

圖4 不同孔隙率下金屬結(jié)合劑胎體和金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度Fig.4 The flexural strength of metal bond matrix and diamond blocks under different porosity

由圖4可知,在低孔隙率區(qū),金屬結(jié)合劑胎體和金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度隨著孔隙率的增加急劇降低,當(dāng)孔隙率超過40%以后,抗彎強(qiáng)度隨孔隙率的升高變化相對(duì)平緩。通過兩條曲線的對(duì)比,金屬結(jié)合劑胎體的抗彎強(qiáng)度高于金剛石節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度,而隨著孔隙率的升高,兩者之間的差值越來越小。這是因?yàn)榻饘俳Y(jié)合劑與金剛石之間主要靠機(jī)械鑲嵌結(jié)合,因此結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力較弱,當(dāng)金剛石加入之后,會(huì)降低節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度,即在低孔隙率區(qū),金剛石是影響金剛石節(jié)塊抗彎強(qiáng)度的主要因素;但當(dāng)孔隙率達(dá)到一定數(shù)值之后,孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)節(jié)塊抗彎強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)高于對(duì)金剛石的影響,孔隙結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)橛绊懡饎偸?jié)塊抗彎強(qiáng)度的主要因素。

3.3 不同孔隙率金剛石節(jié)塊的斷口形貌

從圖5可以看出,當(dāng)孔隙率為9.87%時(shí),在金屬結(jié)合劑橋的斷裂面上,存在塑性斷裂明顯的韌窩(如圖5(b)標(biāo)示1處)。結(jié)合劑與金剛石之間存在明顯的縫隙,說明結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持主要靠機(jī)械鑲嵌力,金剛石節(jié)塊的斷裂主要發(fā)生在結(jié)合劑與金剛石的接觸界面;當(dāng)孔隙率為26.89%時(shí),從圖5(d)可以明顯看出,在金剛石節(jié)塊斷口上,胎體組織較疏松,結(jié)合劑胎體中存在很多孔隙,這使得結(jié)合劑對(duì)金剛石的實(shí)際結(jié)合面積減少,大大降低了結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力,使金剛石節(jié)塊的強(qiáng)度急劇降低,只有131 MPa。金屬結(jié)合劑胎體斷面表現(xiàn)出了明顯的脆性斷裂特征,由此也可以說明孔隙率較高時(shí),孔隙成為金剛石節(jié)塊斷裂的主要因素。

圖5 多孔金剛石節(jié)塊斷口SEM圖Fig.5

3.4 磨削試驗(yàn)

磨削試驗(yàn)采用不同孔隙率的金剛石節(jié)塊在MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上磨削硬質(zhì)合金材料。磨削實(shí)驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)如表1所示:

表1 磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table.1 The parameters of grinding experiments

3.4.1 孔隙率與金剛石節(jié)塊損耗量、硬質(zhì)合金磨除量和磨削比的關(guān)系

由圖6可知,經(jīng)過500 s磨削實(shí)驗(yàn)之后,金剛石節(jié)塊損失的質(zhì)量隨著孔隙率的升高而逐漸增加。這是因?yàn)殡S著孔隙率的增加,金屬結(jié)合劑橋的體積逐漸減少,對(duì)金剛石的把持力逐漸減弱,金剛石更容易脫落,當(dāng)金剛石脫落之后,組織疏松的結(jié)合劑胎體耐磨性也會(huì)降低,因此孔隙率越高,金剛石節(jié)塊的耐磨性越低,損耗的質(zhì)量也會(huì)越多。

由圖7可知,經(jīng)過500 s磨削實(shí)驗(yàn)之后,金剛石節(jié)塊磨除的硬質(zhì)合金的質(zhì)量隨著孔隙率的升高表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。在孔隙率為27%左右時(shí),硬質(zhì)合金磨除量達(dá)到最大。這是因?yàn)榭紫堵瘦^低時(shí),金剛石磨鈍之后不能及時(shí)脫落,金剛石節(jié)塊的自銳性差,磨削過程容易堵塞,導(dǎo)致磨除的硬質(zhì)合金質(zhì)量較低,磨削效率也較低;隨著孔隙率的升高,金剛石的出露率升高,金剛石節(jié)塊的自銳性變好,磨削過程更加鋒利,因此磨除掉的硬質(zhì)合金質(zhì)量增加,磨削效率隨之增加;但當(dāng)孔隙率過高時(shí),結(jié)合劑與金剛石的結(jié)合強(qiáng)度大大降低,又會(huì)導(dǎo)致金剛石過早脫落,硬質(zhì)合金的磨除量因此又會(huì)降低,磨削效率也降低。

圖6 不同孔隙率金剛石節(jié)塊耗損質(zhì)量Fig.6 The wear mass of diamond blocks under different porosity

圖7 不同孔隙率金剛石節(jié)塊磨掉的硬質(zhì)合金質(zhì)量Fig.7 The wear mass of cemented carbide under different porosity of diamond blocks

圖8 不同孔隙率金剛石節(jié)塊的磨削比Fig.8 The grinding ratio of diamond blocks under different porosity

由8可知,隨著孔隙率的升高,金剛石節(jié)塊的磨削比表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)孔隙率在20%左右時(shí),磨削比達(dá)到最大。這是金剛石節(jié)塊磨削效率和耐磨性共同作用的結(jié)果。

3.4.2 磨削試驗(yàn)后不同孔隙率金剛石節(jié)塊表面形貌

圖9為金剛石節(jié)塊磨削硬質(zhì)合金后表面的形貌圖。由圖可以看出,沒有添加造孔劑的,孔隙率為5.6%時(shí),未出露的金剛石較多;隨著孔隙率的升高,金剛石出露的越來越多,在孔隙率高于20.88%后,在金剛石節(jié)塊的表面能看到較多的氣孔和金剛石脫落坑,說明金剛石節(jié)塊的自銳性逐漸變好,磨削更加鋒利。

圖9 磨削試驗(yàn)后金剛石節(jié)塊表面形貌圖(100×)Fig.9 The surface morphology of diamond blocks after grinding experiments(100×)

4 結(jié)論

孔隙結(jié)構(gòu)的存在影響金剛石節(jié)塊的力學(xué)性能和磨削性能,主要?dú)w納如下:

(1)隨著造孔劑含量的增加,金剛石節(jié)塊的孔隙率逐漸增加,而抗彎強(qiáng)度逐漸降低;

(2)在低孔隙率區(qū),金剛石是影響金剛石節(jié)塊強(qiáng)度的主要因素,在高孔隙率區(qū),孔隙成為影響金剛石節(jié)塊強(qiáng)度的主要因素;

(3)隨著孔隙率的增加,金剛石節(jié)塊的自銳性提高,在孔隙率為20%左右時(shí),磨削比達(dá)到最大。

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EWAG金剛石刀具的“一站式”激光精密加工

LASER LINE PRECISION是EWAG推出的一款全新激光加工機(jī)床,它是現(xiàn)代化刀具制造激光技術(shù)方面的最佳入門級(jí)機(jī)床。

所使用的最新短脈沖激光處于532納米的綠色波長范圍,能高效加工常規(guī)金剛石切削材料,如:cBN、PCD和CVD-D。使用LASER LINE PRECISION能毫不費(fèi)力地加工直徑不超過200毫米且長度不超過250毫米的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱刀具以及內(nèi)接圓直徑大于3毫米且外接圓直徑不超過50毫米的可轉(zhuǎn)位刀片。

獨(dú)一無二的Laser Touch Machining?加工工藝受專利保護(hù),借助它能使表面質(zhì)量達(dá)到最佳,即使是具有復(fù)雜幾何形狀的刀具也不在話下。僅需一次裝夾就能完成任意切削刃輪廓、后角以及導(dǎo)屑幾何形狀的3維加工。在LASER LINE PRECISION中,所形成的煙氣和被氣化的材料將通過集成在機(jī)床中的抽吸裝置直接抽出并輸送至相關(guān)抽吸/過濾系統(tǒng)。

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澳研究:鉆石或在檢測早期癌癥中扮演重要角色

據(jù)澳大利亞“新快網(wǎng)”10月11日?qǐng)?bào)道,最新研究顯示,鉆石可能在檢測最初期階段的癌癥方面扮演至關(guān)重要的角色。

據(jù)報(bào)道,悉尼大學(xué)的物理學(xué)家已設(shè)想出一種方式,在磁共振成像(MRI)機(jī)器中點(diǎn)燃納米級(jí)人造鉆石,作為癌癥的指路明燈。

鉆石無法在MRI掃描中自燃,但經(jīng)過某些操作,它們可以被檢測到。論文首席作者雷哲(Ewa Rej)說:“我們?cè)诩{米金剛石里磁化了原子,令它們能在MRI掃描中燃燒?！?/p>

經(jīng)處理的鉆石隨后會(huì)被依附到用來針對(duì)癌癥的特定化學(xué)物質(zhì)上,并注射到體內(nèi),在病人身體中穿行時(shí)受到追蹤。如果患癌,化學(xué)物質(zhì)會(huì)被吸引到相應(yīng)的區(qū)域,鉆石則在MRI掃描時(shí)發(fā)揮燈塔作用。

研究者希望用這個(gè)發(fā)現(xiàn)來揪出初期難以被檢測到的癌癥,例如腦癌和胰腺癌。澳大利亞癌癥協(xié)會(huì)(Cancer Australia)的CEO佐巴斯(Helen Zorbas)對(duì)此表示歡迎。她說:“腦癌和胰腺癌屬于最致命的癌癥?！?/p>

據(jù)報(bào)道,未來幾周研究者將在老鼠身上進(jìn)行試驗(yàn)。不過,人體試驗(yàn)還得等上幾年。用鉆石可能被認(rèn)為代價(jià)昂貴,但研究者聲稱合成粒子相對(duì)便宜。 (環(huán)球網(wǎng)綜合報(bào)道)

Influence of Porosity on the Performances of Porous Metal-bonded Diamond Blocks

ZHAO Ya-qing,HE Fang
(College of Material Science and Engineering,Henan University of Technology)

Ammonium bicarbonate was used as the pore forming agent and the porous Cumatrix bond diamond blocks were prepared by the method of vacuum hot pressing sintering.With the increasing content of ammonium bicarbonate,the porosity of diamond blocks increased,but flexural strength decreased and self sharpness improved.The blocks with different porosity were used to grinding cemented carbide,The surface condition of diamond blocks were observed after grinding and the relationship between the porosity and grinding ratio was studied.The results showed that when the porosity was about 20 %,the grinding ratio attained the maximum.

Ammonium bicarbonate;Porous diamond block;Porosity;Self sharpness; Grinding ratio

TQ164

A

1673-1433(2015)05-0018-06

2015-07-19

趙亞慶(1990-),男,漢族,河南工業(yè)大學(xué)碩士研究生,研究方向:超硬材料制品。

鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目,單層金剛石釬焊研究(074SSG24110-1)

何方(1968-),男,教授,從事納米孔輕質(zhì)材料、粉末冶金的研究。E-mail:hefangmail@aliyun.com。

趙亞慶,何方.孔隙率對(duì)多孔金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊性能的影響 [J].超硬材料工程,2015,27(5):18-23.