劉曉玲,龐子瑞,魯濤,王宛山

(1.黃河水利職業(yè)技術學院河南開封475001;2.鄭州磨料磨具磨削研究所河南鄭州450013;3.東北大學遼寧沈陽110004)

國內外常用陶瓷cBN磨料的性能對比(上)①

劉曉玲1,龐子瑞1,魯濤2,王宛山3

(1.黃河水利職業(yè)技術學院河南開封475001;2.鄭州磨料磨具磨削研究所河南鄭州450013;3.東北大學遼寧沈陽110004)

文章根據(jù)cBN磨料在陶瓷砂輪中的作用,憑借單顆?？箟簭姸葍x、掃描電鏡、差熱分析儀等先進精密儀器對國內外有代表性的8種磨料進行了常溫性能、微觀形貌、高溫性能和耐腐蝕性能分析。實驗表明,國產部分單晶cBN磨料的常溫和高溫性能已達到相當高的水平,甚至超過了國外產品的性能;同時,由于cBN磨料高溫性能的提高,在陶瓷cBN砂輪制作過程中可以適當提高燒成溫度以增加砂輪貼塊的強度。

陶瓷砂輪;超硬磨具;cBN磨料;性能

0 引言

高速陶瓷cBN砂輪從它的原材料生產過程、制造過程、使用過程等來看,對資源和能源的消耗都是極低的,非常適合我國現(xiàn)階段及長遠發(fā)展。但不是每一品種cBN磨料都可以應用于陶瓷結合劑高速砂輪的制造,對于陶瓷cBN高速砂輪用的磨料一般要滿足以下要求:

(1)高溫穩(wěn)定性好;

(2)磨粒強度高且對溫度不明顯;

(3)具有一定的破碎性,磨粒鋒利;

(4)能和陶瓷結合劑形成高強度的結合橋。

國內外比較適合陶瓷結合劑砂輪的cBN磨料見表1[1,2]:

表1 適合陶瓷結合劑的cBN磨料Table 1 CBN abrasive sui Table for vitrified bond

從上表可以看出,適合陶瓷結合劑的cBN磨料的牌號很多,國外的cBN磨料開發(fā)得較早,品種齊全,質量較高。其中以美國GE公司和英國的DeBeers公司的產品最具有代表性。GE公司的cBNⅠ、cBN 400、cBN 500、cBN 510、cBN 550、TYPE I都是很有代表性的磨料。據(jù)GE公司介紹[3],cBNⅠ型在陶瓷結合劑中應用最為廣泛,其顆粒形狀成不規(guī)則塊狀,具有良好的修整性,砂輪壽命長;cBN 400型具有高強度、光滑晶面和鋒利較耐磨的切削刃,其在較長的高強度斷裂面上的可微控解理,有助于磨料在很長時間內保持鋒利切削刃。因此,該磨料廣泛應用在航空、軸承和工、模具等行業(yè);cBN 500是高強度的單晶牌號,廣泛應用于重負荷磨削;cBN 510型是表面鍍鈦的強韌性塊狀磨料,適用于控制磨粒與結合劑之間的化學反應;cBN 550是GE公司的專利產品——微晶磨料,Yokogaw a M.等人[4]在研究單晶cBN磨料(cBNⅠ)和微晶cBN磨料(cBN 550)時發(fā)現(xiàn),微晶cBN 550的強度比單晶的高,切削刃不宜大而使面積破壞。微晶cBN砂輪的磨削性能比單晶的好2～3倍,在最佳磨削條件下微晶砂輪的初始切向力與穩(wěn)態(tài)切向力之間沒有差別,這對磨削中精確的尺寸控制是非常有益的。TYPE I是GE最新產品,號稱萬能磨料。De Beers公司的ABN 200、ABN 615、ABN 800是其的主要拳頭產品。ABN 615是一種專為陶瓷結合劑磨具開發(fā)的鍍鈦磨粒,熱穩(wěn)定性很高,可以做成272%的高濃度,開辟了cBN磨削鐵族材料的新途徑。BaileyM.W.等人[5]在介紹ABN 800等磨料的性質時指出,該磨料具有高的抗壓強度和熱穩(wěn)定性,磨削時的解理很容易,破碎后保持尖銳多角狀切削刃,因而具有極佳的磨削性能,而且其強度在經受1100℃高溫仍能良好保持,熱穩(wěn)定極高。在磨削條件苛刻度增加的情況下,它仍具有優(yōu)秀的磨削性能。

但是,這些國外磨料價格昂貴,市面也很難買到。而現(xiàn)在國產cBN磨料品種有了長足的發(fā)展,價格僅是國外進口磨料的近十分之一,且近幾年國產cBN磨料質量提升很快,為了考察國產磨料和國外磨料的質量差別,我們重點選取了有代表性的幾家公司的cBN磨料進行了較系統(tǒng)的研究。

1 實驗檢測設備

(1)單顆?？箟簭姸葴y定儀;

(2)CYCJ-91A型沖擊韌性測定儀;

(3)QUAN TA 600型掃描電子顯微鏡,美國FE I公司產品,分辨率3.5nm;

(4)荷蘭伯納克公司的X Pert Pro X射線衍射儀;

(5)德國N ET ISCH公司的STA 409-CD熱分析儀;

(6)KSY-36D-18可控硅電阻爐;

(7)氫氟酸液;

(8)實驗用量杯、匙子、蒸餾水等;

(9)真空干燥箱。

2 cBN磨料常溫性能及微觀實驗分析

我們分別對8種有代表性的cBN磨料進行了單顆?？箟簭姸群蜎_擊韌性測試。單顆?？箟簭姸仁前凑認B/T 7988.1-1999的規(guī)定在單顆?？箟簭姸葍x上求出的100顆粒的100個載荷的算術平均值得出的。沖擊韌性是參照國外標準在2000次/分鐘的沖擊頻率下,沖擊2000次、篩分,計算篩上物質量與原始質量之比獲得的[6]。表2為8種cBN磨料常溫下測得的性能值。

從表2可以看出,我國cBN磨料的常溫性能,除了5#磨料較差外,其他磨料的沖擊韌性都不比國外的差,有的甚至超過了國外品牌的性能。在靜壓強度方面,8#磨料(ABN 800)很高,雖然國產4#磨料的靜壓強度沒有ABN 800大,但是該磨料的粒度比ABN 800小,所以抗靜壓破碎的力較低,但是,8#磨料的粒度相比1#、2#磨料粗兩個粒度號,其靜壓強度達到50.6,還是很有優(yōu)勢的。沖擊韌性方面,國產磨料除5#外都優(yōu)于國外的磨料,即對于磨料的沖擊韌性,國產優(yōu)于國外的;而沖擊韌性是衡量磨料性能最重要的一個指標。所以,從檢測數(shù)據(jù)來說,國產磨料的常溫綜合性能并不比國外的差。國產磨料制作的陶瓷cBN砂輪在磨削性能和壽命方面競爭不過國外產品的原因,筆者認為“結合劑和砂輪工藝的優(yōu)化選擇應是主要因素”。

表2 cBN磨料的常溫性能Table 2 Perform ance of cBN ab rasive at room tem peratu re

2.1 cBN磨料常溫微觀分析

cBN磨料在合成、粉碎、分揀的過程中,由于工藝和手段的不同,各品種cBN磨料有著不同的微觀形貌。其形貌不僅表示其組成晶體的特征狀態(tài),而且,與磨料的粉碎方法、分揀方法和設備有關。而且,cBN磨料的微觀形貌不但對磨料的性能有重要影響,還對磨料與結合劑的結合強度有重要的影響。其參數(shù)主要有:顆粒規(guī)整度、顆粒棱角性、表面光滑性等。圖1是利用美國FE I公司的QUAN TA 600型掃描電鏡對8種磨料掃描的電子照片。

圖1 常溫下的cBN磨料的微觀形貌Fig.1 The micro-topography of cBN abrasives at normal temperature

從圖1可以看出,3#、4#、8#料的表面比較光滑,磨料的棱角性較好,形狀較規(guī)整。所以,這三種料的抗壓強度都較高,沖擊韌性除8#料外均很高。這充分說明表面光滑、規(guī)整的磨料機械性能好。8#料的沖擊韌性相對低的原因可能是磨料中有個別磨料的形貌不好引起的;也可能是國外合成技術的要求,因為,沖擊韌性低的磨料其破碎性、自銳性好。而1#、2#、6#、7#料的顆粒規(guī)整度都很好,但是,磨料棱角性和表面光滑性較3#、4#、8#料差,所以,這四種料的機械性能也比3#、4#、8#料差。5#磨料的顆粒規(guī)整度、棱角性、光滑性等微觀形貌最差,所以,5#料的機械性能也最差。同時也可以看出,國外磨料的整體沖擊韌性都不高,但是,國外磨料制成砂輪的磨削性能又都優(yōu)于國產磨料。我們想,除了砂輪生產工藝問題外,對于磨料性能的評價標準應該值得再商榷。比如,目前國內對cBN磨料性能檢測,因沖擊韌性尤其熱沖擊韌性更接近磨料實際的工作環(huán)境,所以,不太考究磨料靜壓強度的檢測,而注重沖擊韌性的檢測。但是,表2檢測的數(shù)據(jù)表明,經實踐證明有著良好磨削性能的磨料ABN 800、ABN 200、TYPE1的沖擊韌性并不高,這充分說明了單純用沖擊韌性高低來評價cBN磨料性能的高低是不太合適的。而且,因磨削的典型特征是法向磨削力遠大于切向磨削力,所以,筆者認為:“cBN磨料單顆粒靜壓強度指標的檢測還是很重要的。”

2.2 cBN磨料的能譜分析

為了進一步考察cBN磨料抗壓強度、沖擊韌性等機械性能的差異原因,我們利用掃描電鏡攜帶的能譜儀對八種cBN磨料進行了能譜分析。分析的結果見圖2。

圖2 常溫下的cBN磨料的能譜分析Fig.2 EDAX of CBN abrisives at room temperature

從圖中可以看出,國產cBN磨料中的2#、3#、4#磨料的純度高,1#、5#磨料純度稍差,雜質較高,尤其是5#磨料,雜質中鎂的含量很高。所以,5#磨料的靜壓強度和沖擊韌性低的原因也得到磨料純度的印證。而TYPE I、ABN 200、ABN 800三種國外磨料的純度都非常高。通過對比可以得出純度高的cBN磨料性能更優(yōu)越。此外,三種國外磨料的純度高,但其沖擊韌性、抗壓強度不高的原因可能與其合成技術有關,希望磨料生產企業(yè)能引起注意。

2.3 cBN磨料的X射線衍射分析

為了驗證上面能譜分析的結果,我們利用荷蘭伯納克公司的X Pert Pro X射線衍射儀對八種cBN磨料又進行了衍射分析,分析的結果見圖3。

圖3 常溫下的cBN磨料的XRD分析Fig.3 XRD curves of cBN abrisives at room temperature

從圖中可以看出,雖然每種cBN磨料的主相都是立方氮化硼,但是,主相的強度不同。同樣可以看出TYPE I、ABN 800兩種磨料的強度最高,ABN 200磨料的主相強度和2#、3#、4#磨料的強度相差不大,這說明部分國產磨料的合成純度能達到或超過某些國外牌號磨料的水平。同時,也可以看出,5#cBN磨料中有M gO相,這說明該磨料合成得不夠完全,因為M g是cBN合成時常用的觸媒。所以,從磨料的衍射曲線上也解釋了5#cBN磨料常溫性能較差的原因。

3 cBN磨料高溫性能及微觀實驗分析

3.1 差熱分析

cBN磨料的抗高溫氧化性是磨料的重要性能之一。正像前面分析磨削熱所描述的那樣,磨料高速磨削工件時的瞬時溫度很高,能達到鋼鐵的融化溫度。所以,這就對磨料的抗高溫氧化性能有很高的要求。另外,陶瓷cBN砂輪燒結過程中也對磨料的高溫氧化性能有很高的要求,所以,磨料的抗氧化性也是超高速cBN砂輪制造中重點參考的指標之一。為了考察八種磨料抗高溫氧化性能,我們把各組磨料逐次放入進口氧化鋁坩堝內,在真空條件下,以5℃/min的速率加熱,并利用N ET ISCH公司的STA 409-CD熱分析儀進行了抗氧化差熱分析,分析結果見圖4。

從圖4可以看出1#磨料開始氧化的溫度是1000℃,2#磨料開始氧化的溫度是1150℃,3#磨料開始氧化的溫度是1220℃,4#磨料開始氧化的溫度是1300℃,5#磨料的氧化溫度為790℃,6#磨料的氧化溫度為1020℃,7#磨料的氧化溫度為1200℃,8#磨料的開始氧化溫度為1220℃。對比可知國產4#cBN磨料的抗氧化性最好,3#磨料與ABN 800的抗氧化性能相當,國產磨料中除5#磨料外都能耐1000℃以上的高溫。

圖4 八種cBN磨料差熱分析的氧化溫度Fig.4 The DTA oxidation temperature of eight type cBN abrasives

(下期續(xù)完)

[1] 宋貴亮.超高速磨削技術及機理的若干基礎研究[D].沈陽:東北大學,1997,1-10.

[2] 龐子瑞,李健壯,蔡光起.基于超高速磨削的砂輪特性選擇[J].機械制造,2007:(2).

[3] 李志宏.陶瓷結合劑cBN磨具的研究[D].天津:天津大學,1996.

[4] Yokogaw aM.,Yokogaw a K.grinding properties of monocrystalline and microcrystalline cBN grinding wheels[J].In t.J.Japan Soc.Prec.Eng.,1992,26(1)20-26.

[5] Bailey M.W.,Juchem H.O.Characterization of ABN 800[J].Industrial diamond Review,1996,56(568):6-9.

[6] 中國標準出版社,全國磨料磨具標準化技術委員會.磨料磨具標準匯編[M].北京:中國標準出版社,2007,10.

Study on abrasive performance of vitrified cBN grinding wheel

LIU Xiao-ling1,PANG Zi-rui1,LU Tao2,WANGW an-shan3
(1.Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng,Henan 475001;2.Zhengzhou Research Institute for Abrasives&grinding,Zhengzhou,Henan 450013;3.School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastern University,Shenyang,Liaoning 110004)

In th is paper,considering the effect of cBN abrasive in vitrified grinding wheel,eight kinds of cBN abrasives were analyzed for its room performance,microcosmic crystal photographs,high temperature performance,cautery-resistant performance by some advanced apparatuses such as single grain pressure-resistan TiN tensity apparatus,SEM,DTA and so on.The test results indicated that performance of some domestic single crystal cBN has reached and even exceeded overseas product.Simultaneity,experiment data indicated tha TiN creasing suitably sintering temperature could enhance in tensity of grinding wheel because of high temperature performance of domestic cBN single crystal.

vitrified grinding wheel;superhard grinding tool;cBN abrasives;performance

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0052-05

2010-08-17

劉曉玲(1974-),工學碩士,黃河水利職業(yè)技術學院機電系講師,研究方向:高速、高效cBN砂輪磨削和壓電傳感器等方面的研究。

國家自然科學基金項目(50975043)