1、引言
由金剛石或立方氮化硼(CBN)磨料制作超硬磨料砂輪，因其優(yōu)良磨削性能，已廣泛用于磨削領(lǐng)域各個方面。
金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金、玻璃、陶瓷、寶石等高硬脆材料特效工具。近幾年來，隨著高速磨削超精密磨削技術(shù)迅速發(fā)展，對砂輪提出了更高要求，陶瓷樹脂結(jié)合劑砂輪已不能滿足生產(chǎn)需要，金屬結(jié)合劑砂輪因其結(jié)合強度高、成型性好、使用壽命長等顯著特性而生產(chǎn)得到了廣泛應(yīng)用。
金屬結(jié)合劑金剛石砂輪按制造方式不同主要有有燒結(jié)電鍍兩種類型。為了充分發(fā)揮超硬磨料作用，國外從20世紀90年代初開始用高溫釬焊工藝開發(fā)一種新型砂輪，即單層高溫釬焊超硬磨料砂輪，目前國內(nèi)這種砂輪還處于研制開發(fā)階段。
2、燒結(jié)型金剛石砂輪
燒結(jié)型金屬結(jié)合劑砂輪多以青銅等金屬作為結(jié)合劑，用高溫?zé)Y(jié)法制造，其結(jié)合強度高，成型性好，耐高溫，導(dǎo)熱性耐磨性好，使用壽命長，可承受較大負荷。因砂輪燒結(jié)過程不可避免地存著收縮及變形，所以使用前必須對砂輪進行整形，但砂輪修整比較困難。目前生產(chǎn)常用砂輪對滾整形方法不僅修整時費時費力，而且修整過程金剛石顆粒脫落較多，修整砂輪本身消耗很大，整形精度較低。
近年來各國學(xué)者相繼開展了應(yīng)用特種加工方法修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪研究工作，主要有電解修整法、電火花修整法復(fù)合修整法等。電解修整法速度快，但整形精度不高；電火花修整法整形精度高，既可整形又可修銳，但整形速度較慢；復(fù)合修整法有電解電火花復(fù)合修整法、機械化學(xué)復(fù)合修整法等，修整效果較好，但系統(tǒng)較復(fù)雜，因此燒結(jié)型金剛石砂輪修整問題仍然沒有得到很好解決。
此外，由于砂輪制造工藝決定了其表面形貌隨機，各磨粒幾何形狀、分布及切削刃所處高度不一致，因此磨削時只有少數(shù)較高切削刃切到工件，限制了磨削質(zhì)量磨削效率進一步提高。
3、電鍍金剛石砂輪
電鍍金剛石砂輪優(yōu)點：
①電鍍工藝簡單，投資少，制造方便；
②無需修整，使用方便；
③單層結(jié)構(gòu)決定了它可以達到很高工作速度，目前國外已高達250～300m/s；
④雖然只有單層金剛石，但仍有足夠壽命；
⑤對于精度要求較高滾輪砂輪，電鍍唯一制造方法。
正由于這些優(yōu)勢，電鍍砂輪高速、超高速磨削占據(jù)著無可爭議主導(dǎo)地位。電鍍金剛石砂輪存缺陷：鍍層金屬與基體及磨料結(jié)合面上并不存牢固化學(xué)冶金結(jié)合，磨料實際上只被機械包埋鑲嵌鍍層金屬，因而把持力小，金剛石顆粒負荷較重高效磨削易脫落(或鍍層成片剝落)而導(dǎo)致整體失效；為增加把持力就必須增加鍍層厚度，其結(jié)果磨粒裸露高度容屑空間減小，砂輪容易發(fā)生堵塞，散熱效果差，工件表面容易發(fā)生燒傷。目前國內(nèi)電鍍砂輪制造尚未實現(xiàn)按加工條件要求而優(yōu)化設(shè)計出砂輪最佳地貌，單層電鍍金剛石砂輪這些固有弊端必然會大大限制它高效磨削應(yīng)用。
4、單層釬焊金剛石砂輪
為了充分發(fā)揮金剛石作用，要設(shè)法增大結(jié)合劑對金剛石把持力，提高砂輪結(jié)合強度。單層高溫釬焊超硬磨料砂輪能克服電鍍砂輪缺點，可以實現(xiàn)金剛石、結(jié)合劑、金屬基體三者之間化學(xué)冶金結(jié)合，具有較高結(jié)合強度，僅需將結(jié)合層厚度維持磨粒高度20%～30%就能大負荷高速高效磨削牢固地把持住磨粒，使釬焊砂輪磨粒裸露高度可達70%～80%，因而增大了容屑空間，砂輪不易堵塞，磨料利用更加充分。
與電鍍砂輪相同加工條件下，單層高溫釬焊超硬磨料砂輪磨削力、功率損耗、磨削溫度更低，意味著可達到更高工作速度，這300～500m/s以上超高速磨削有著特殊意義。單層高溫釬焊無鍍膜金剛石砂輪加Cr銀基釬料單層釬焊砂輪利用高頻感應(yīng)釬焊方法，用添加有CrAg-Cu合金作為釬料，780℃空氣釬焊35s，自然冷卻，可實現(xiàn)金剛石與鋼基體間牢固連接。經(jīng)X射線能譜及X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，Cr與金剛石之間形成Cr3C2，與鋼基體之間形成(FexCry)C，經(jīng)與不加Cr釬料對比實驗證明，這實現(xiàn)合金層與金剛石及鋼基體間都具有較高結(jié)合強度主要因素，并通過磨削實驗證實了金剛石確有較高把持強度。
該工藝優(yōu)點釬焊溫度低，對金剛石損傷小。缺點銀基釬料熔點較低，耐磨削高溫性能較差，高效重負荷磨削應(yīng)用受到限制。
Ni-Cr合金單層釬焊砂輪國外金剛石釬焊工藝：首先用氧乙炔焊炬鋼基體上火焰噴涂上一層Ni-Cr合金層，這層活性金屬可作為釬料直接釬焊金剛石磨粒，然后1080℃氬氣感應(yīng)釬焊30s。
火焰噴涂合金層過程，由于鋼基體表面易氧化，釬焊后結(jié)合劑層厚度一致性磨料排布均勻性尚難于有效控制。
武志斌等將金剛石磨粒直接排布Ni-Cr合金片或粉末上，用陶瓷塊壓住金剛石磨粒，然后真空高頻感應(yīng)機上釬焊30s，釬焊溫度為1080℃；或者氬氣保護輻射加熱爐內(nèi)進行釬焊，適當(dāng)控制釬焊溫度、保溫時間冷卻速度。
利用掃描電鏡X射線能譜及X射線衍射結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，釬焊過程，Ni-Cr合金Cr元素分離出來金剛石表面形成富Cr層，并與金剛石表面-元素反應(yīng)生成Cr3C2Cr7C3，合金層與金剛石良好浸潤同時與鋼基體反應(yīng)生成(FexCry)C碳化物，因此這種釬焊工藝可以確保合金層與金剛石及鋼基體之間都能獲得較高結(jié)合強度。
通過重負荷磨削實驗證明了金剛石為正常磨損，沒有整顆金剛石脫落。這種工藝優(yōu)點：Ni-Cr合金本身強度高，釬焊后可獲得比銀基合金釬焊更高結(jié)合強度；Ni-Cr合金熔點高，耐磨削高溫性能好。但它仍有一定局限性，因釬焊溫度高(1080℃)，易造成金剛石熱損傷而降低金剛石強度，采用真空條件或氬氣保護進行釬焊可盡量減小金剛石熱損傷氧化。
馬楚凡等選用NiCr13P9合金為活性釬料，同時加入少量Cr粉，真空爐內(nèi)加壓加熱到950℃進行釬焊，研制了牙科專用單層高溫釬焊金剛石砂輪。
利用掃描電鏡觀察顯示金剛石周圍有銀白色合金包繞，X射線衍射分析證實有Cr3C2生成，正這個碳化物層實現(xiàn)了金剛石與鋼基體間較高結(jié)合強度。磨削實驗也證實金剛石確有高把持強度，單層高溫釬焊金剛石砂輪壽命及磨削效率較電鍍砂輪有了明顯提高。
單層高溫釬焊鍍膜金剛石砂輪由于金剛石熱穩(wěn)定性差，800℃時就會發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，所以較高釬焊溫度勢必會造成金剛石熱損傷而使金剛石強度下降；同時結(jié)合劑有害元素會使金剛石腐蝕石墨化，因此可金剛石表面先鍍上一層活性金屬及其合金后再進行釬焊。超硬磨料鍍覆技術(shù)主要有化學(xué)氣相沉積、離子鍍、熱蒸鍍、真空微蒸發(fā)鍍等。
化學(xué)氣相沉積Cr、真空微蒸發(fā)鍍Ti等可有效改善金剛石表面性能。釬焊過程，憑借鍍層介作用，除了更易實現(xiàn)金剛石與結(jié)合劑間強力冶金化學(xué)結(jié)合外，由于鍍層對熱空氣氧阻隔作用而使金剛石表面碳原子與氧反應(yīng)速度大大降低，同時鍍層強碳化物形成元素與金剛石表面碳原子反應(yīng)生成碳化物，封閉了金剛石表面懸鍵，增大了氧化反應(yīng)阻力，從而抑制了結(jié)合劑Fe、Co、Ni等元素對金剛石腐蝕金剛石本身石墨化過程，使釬焊后磨料仍能保持原來強度晶型。
釬焊時首先鋼基體上預(yù)鍍覆一層Ni-P合金(熔點為880℃)，然后將鍍膜金剛石排布合金層上，1050℃氬氣釬焊5min，再冷卻至室溫。磨削試驗表明，由于鍍膜金剛石與結(jié)合劑良好浸潤性，有效地避免了磨粒脫落，大大改善了砂輪磨削性能，實現(xiàn)了砂輪壽命加工效率大幅度提高。
但應(yīng)指出，由于鍍膜金剛石與結(jié)合劑間存著適應(yīng)性問題，因此只有合適結(jié)合劑工藝才能使鍍膜金剛石達到最佳物理力學(xué)性能。單層高溫釬焊砂輪存問題及應(yīng)對措施國內(nèi)外對單層高溫釬焊砂輪研究雖已取得了較好實驗結(jié)果，但其制造工藝還有待于進一步完善。目前存問題主要表現(xiàn)為：一采用何種釬料釬焊工藝才能使金剛石結(jié)合界面上產(chǎn)生具有較高結(jié)合強度化學(xué)冶金結(jié)合；二結(jié)合劑層適宜厚度與均勻性控制；三磨料合理有序排布。對于提高金剛石與釬料結(jié)合強度來說，其關(guān)鍵釬焊過程金剛石、釬料、金屬基體三者間能夠產(chǎn)生化學(xué)冶金結(jié)合，因此合金釬料應(yīng)含有強碳化物形成元素，(如Ti、Cr、V等)，并爭取較低溫度下進行釬焊，盡量減小對金剛石損傷。
研制合理釬料合金配方開發(fā)單層釬焊砂輪應(yīng)首先解決問題。工業(yè)化生產(chǎn)釬焊砂輪過程，嚴格控制結(jié)合劑層厚度及均勻性十分必要。釬焊前應(yīng)對金屬基體表面進行去氧化膜處理，對金剛石釬料應(yīng)去油去污。釬料含有強碳化物形成元素并添加適量BSi可降低釬料熔點，提高釬料流動性浸潤性；采用粉狀釬料，真空條件(或惰性氣體保護)下進行釬焊。
釬焊前磨料有序排布釬料布料厚度一致性對提高釬焊后結(jié)合劑層厚度均勻性亦十分重要。砂輪工作面上磨料合理有序排布一直磨具行業(yè)致力追求目標，并有望單層超硬磨料砂輪上實現(xiàn)。
開發(fā)釬焊砂輪過程，首先按照加工條件要求，優(yōu)化設(shè)計出砂輪最佳地貌，然后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果排布磨料就有可能使開發(fā)出釬焊砂輪磨削性能達到更高水平。模板上加工出孔徑與金剛石磨粒直徑相當(dāng)、深度為金剛石高度70%有規(guī)律排布孔，按孔排布好金剛石，合金釬料熔化后厚度約為金剛石高度30%。這種利用孔模板來實現(xiàn)釬焊工藝不僅可以保證磨粒有序排布(等高性好)，而且還可保證金剛石有70%出露高度。但其工業(yè)生產(chǎn)推廣應(yīng)用尚需進一步研究。 |
