PDC加工用陶瓷金刚石砂轮性能的影响因素

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1 、前言

　　聚晶金刚石复合片（PDC）是指0.1至数毫米厚的金刚石微粉层与硬质合金基体在高压高温（ 5~7GPa 、1400 ~1700℃）条件下复合而成的超硬复合材料。它具有高硬度、高耐磨性、高弹性模量、各项同性和相对高的热导率等显着优点，近年来已成为高档机械加工刀具、地质及石油钻头、陶瓷磨具、石材加工工具、混凝土工具和阀座、阀芯等高耐磨设备的首选材料，也成为高科技新材料领域中最有生命力的支柱产品之一。目前国内外复合片生产厂家主要采用金刚石砂轮对复合片进行外圆磨削，达到所需的尺寸公差要求。树脂金刚石砂轮由于其加工效率和加工精度远小于陶瓷结合剂金刚石砂轮，故而在过去的几年中，复合片的外圆磨削加工基本上都开始采用陶瓷结合剂金刚石砂轮。目前，国内生产陶瓷结合剂金刚石砂轮的厂家较多，真正具备研发实力的公司却很少，产品的质量也是良莠不齐。为满足强大复合片外圆磨削加工市场对陶瓷金刚石砂轮的需求，安泰钢研超硬材料制品有限责任公司开展了复合片外圆磨削专用陶瓷结合剂金刚石砂轮的研究，通过和客户之间的合作，大大提高了复合片外圆磨削用陶瓷结合剂金刚石砂轮成套制备和应用技术。目前，公司生产的复合片外圆磨削用陶瓷结合剂金刚石砂轮性能已经达到国内领先水平。本文根据砂轮制备的体会，重点分析了主要影响砂轮性能的因素，旨在和广大同仁交流经验，共同进步，共同推进我国陶瓷结合剂砂轮的成套制备技术。

　　2 、实验过程简介

　　将市售金刚石磨料和自制陶瓷结合剂加入一定的润湿剂混匀，然后加压成型生成陶瓷块生坯，通过阶梯加热保温烧制成半成品砂轮块，最后将砂轮块粘接在铝合金基体上，通过后期的修整、平衡和回转测试，合格的产品进行打印标签、包装即为成品（1A1-400×50×10×203 D120）。采用制备的产品在外圆磨床上磨削1304PDC复合片，与市售树脂和陶瓷砂轮进行磨削实验对比，并通过一系列的实验来分析讨论砂轮性能的影响因素。

　　3 、实验结果与分析

　　3.1 陶瓷结合剂对砂轮的影响

　　本实验采用自制的Al-Si-B-Li-O低温陶瓷结合剂，实验中通过对砂轮节块进行磨耗比测试以及在PDC生产厂的磨削实验，得出砂轮中陶瓷结合剂含量对磨削效果的影响情况。实验过程中发现，陶瓷结合剂含量在22wt%~26wt%时，砂轮的寿命最高。砂轮中结合剂的含量主要对砂轮有三方面的影响：

　　（1）对砂轮硬度的影响。超硬材料砂轮的硬度是指超硬磨料从砂轮中脱落的难易程度，磨粒越难脱落表示砂轮硬度越高。一般而言，结合剂量越多，对磨料把持越强，磨粒脱落越困难，砂轮硬度越高。磨削时砂轮出刃不好，容易出现磨不动的现象，砂轮的寿命会有所增加，但是复合片表面很容易出现崩口，需要过一段时间将砂轮适当开刃处理，避免磨削中造成废品。

　　（2）对结合剂含量与金刚石磨料的结合强度的影响。复合片的硬度本身很高，在外圆磨削过程中，砂轮表面的金刚石受到很大磨削力和冲击力。如果陶瓷结合剂量太少，则陶瓷结合剂对金刚石的保持不够，导致部分金刚石没有完全发挥磨削作用就开始脱落，造成砂轮寿命变短。而当结合剂过多，砂轮硬度过大，锋利度不够，容易使复合片产生崩口，而造成废品率升高。

　　（3）对砂轮组织结构的影响。由于所用的结合剂粒度细于金刚石粒度，且在烧制过程中，结合剂会致密化。砂轮中结合剂含量增加，砂轮组织越致密，砂轮容易发生堵塞，磨不动，经常需要用普通砂轮对超硬材料砂轮进行开刃处理，去除多余结合剂，使新的金刚石出刃参与下一次的磨削，从而降低了砂轮的工作效率。

　　3.2 烧结温度对砂轮性能的影响

　　陶瓷结合剂烧制温度的控制直接影响砂轮的使用性能，这主要与超硬磨料及陶瓷结合剂本身的性质有关。在空气中，CBN可耐1400℃~1600℃的高温，能承受高韧性难加工材料的磨削热；而金刚石的热稳定性差，在800℃即开始氧化磨损，即便在惰性气体中，1100℃时也开始石墨化。本文采用的公司自行研制的Li-Al-B-Si-O系低温陶瓷结合剂，DSC曲线分析出陶瓷结合剂的烧结温度在660℃~800℃范围内都能满足陶瓷砂轮块的烧制。从本文分析得出，陶瓷结合剂烧制温度范围内，超硬磨料基本不会发生烧损。因此，本文所提及的低温陶瓷结合剂是指烧制温度低于超硬磨料发生烧损的最低温度。

　　从公司现生产的陶瓷工具产品情况中发现，在烧结范围内，提高砂轮块的烧结温度，砂轮块的强度也相应增加。目前公司生产的低温陶瓷结合剂金刚石砂轮采用的烧制温度为680℃~760℃，具体根据金刚石砂轮的使用要求确定砂轮烧制温度。低温陶瓷结合剂CBN砂轮块烧制过程中还应该注意，升温和降温速率不能太高，如果速率大于6℃/min砂轮容易出现微裂纹和表面裂纹。公司项目组制备低温陶瓷结合剂金刚石砂轮时采用的升温速率为2℃/min,降温速率为3℃/min.

　　3.3 金刚石浓度对砂轮性能的影响

　　超硬磨具的浓度定义为1cm?中含4.4ct的超硬磨料浓度为100%,实验中分别采用100%、150%、200%、210%浓度的陶瓷结合剂金刚石砂轮进行了外圆磨削1304复合片的实验。实验结果如表3所示。

　　从实验数据看，不难发现浓度越高，其寿命越长，且高浓度砂轮的寿命比低浓度砂轮寿命的性价比高。随着金刚石浓度的增加，砂轮使用寿命的幅度增加更大。我们认为对于复合片外圆磨削加工，高浓度陶瓷金刚石砂轮中参与磨削的金刚石磨粒增加，在结合剂强度满足要求的条件下能起到合力的作用。

　　3.4 所研制砂轮与国内市售陶瓷砂轮及树脂砂轮的对比

　　本文采用自制陶瓷结合剂砂轮与国内市售的陶瓷金刚石砂轮以及树脂金刚石砂轮磨削1304复合片，其中，我司生产的砂轮在磨削过程中，明显感觉噪音要小（锋利度越高，磨削力越小，产生的噪音越少），且磨削时间短。实验得出，陶瓷砂轮比树脂砂轮寿命能提高2~3倍，单件复合片磨削效率也能提高30%左右；所研制的砂轮锋利度、寿命及磨削效率都略高于市售陶瓷砂轮，同等条件下砂轮的综合性能较市售陶瓷砂轮性能提高约10%.可见，所研制的陶瓷金刚石砂轮已经达到同类中的领先水平。

　　4 、结论

　　通过对复合片（1304）外圆磨削用陶瓷结合剂金刚石砂轮的研究，得出结论如下：（1）自制Li-Al-B-Si-O系低温陶瓷结合剂适合于复合片外圆磨削用陶瓷结合剂金刚石砂轮；当结合剂含量在22%~26%时，砂轮的综合性能达到最佳；（2）砂轮浓度越高，使用效果越好，随着砂轮浓度的增加，砂轮的性价比逐渐提高；当浓度达到210%时，砂轮的寿命达到最高；（3）陶瓷砂轮比树脂砂轮的寿命提高2~3倍，且单件复合片的磨削效率提高约30%,并具有较高的性价比。(超硬天地）