陳 哲， 陳春暉， 劉一波， 徐燕軍， 劉 偉， 黃 霞， 李亞朋， 孔帥斐

(1. 鋼鐵研究總院， 北京 100081)

(2. 北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司， 北京 102200)

堆積磨料是一種由結(jié)合劑將許多細粒度磨料黏結(jié)在一起形成的具有一定形狀和強度的新型磨料[1-2]。其結(jié)合劑主要有樹脂、陶瓷和金屬結(jié)合劑，細粒度磨料主要有金剛石、立方氮化硼、碳化硅等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。堆積磨料中單顆粒磨料數(shù)量眾多，磨削過程中多個磨粒微刃同時參與磨削，所以金剛石堆積磨料磨削效率高。磨削過程中堆積磨料中結(jié)合劑逐漸磨損，使鈍化的磨料脫落，新的磨削刃露出，極大地提高了磨具的自銳性[3-5]。近年來，堆積磨料因自銳性好、磨削效率高、制備成本低，在難磨金屬、玻璃、陶瓷磨削加工領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

圖 1 球形金剛石堆積磨料結(jié)構(gòu)圖

堆積磨料的制備工藝簡單、成本低，特別適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，其造粒工藝主要有擠壓法、滾粒法、溶膠凝膠法、噴霧干燥法等[6-10]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對堆積磨料制品進行了大量探究。LUDWIG等[11]制備了陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料砂帶，將金剛石堆積磨料在非織造布中均勻排列，極大提高了砂帶的磨除率。SVENTEK等[12]制備了一種陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料磨頭，在磨削光學(xué)玻璃時，磨削效率高并且不易崩邊。王兆武等[13]制備了一種用于磨削鈦合金的樹脂結(jié)合劑金剛石堆積磨料砂帶,磨削效率較傳統(tǒng)磨料砂帶提高了2.35倍。凌順志等[14]將陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料應(yīng)用于固結(jié)磨料研磨墊，在精磨氧化鋯陶瓷、石英玻璃中獲得了較高的磨除率。常闖[15]采用壓力噴霧干燥法制備了陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料研磨液并用于大理石瓷磚拋光，拋光效率提高了41.94%，工件表面粗糙度降低了19.54%。

針對堆積磨料優(yōu)良的磨削性能，學(xué)者們對其磨削機理進行了深入分析，其中最具代表性的有堆積磨料高效去除機理[7]與堆積磨料微破碎理論[14]分析。高效去除機理建立材料表面去除率模型：假設(shè)每個堆積磨料中含有n個單顆粒磨料，則堆積磨料中每個磨粒所承受的磨削壓力為單顆粒磨料的n2倍，參與切削時對工件的切深為單顆粒磨料的n倍，效率則為單顆粒磨料的n倍，所以堆積磨料特殊的結(jié)構(gòu)使其在相同研磨條件下，獲得了更高的磨削效率。微破碎理論認為每一個堆積磨料都相當(dāng)于一個微型砂輪，磨削過程中獨立參與磨削，隨著堆積磨料中結(jié)合劑的磨損，新的磨削刃不斷露出，從而使磨粒保持自銳性。

綜上所述，金剛石堆積磨料因自銳性好、磨削效率高，在砂帶、固結(jié)磨料研磨墊、研磨拋光液等應(yīng)用中取得較好的磨削效果，其優(yōu)異的磨削性能使其在固結(jié)磨具中也具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前對金剛石堆積磨料在固結(jié)磨具中的應(yīng)用探究較少。為探究金剛石堆積磨料在樹脂結(jié)合劑固結(jié)磨具砂輪中的應(yīng)用，采用ZLB-60旋轉(zhuǎn)式制粒機制備陶瓷結(jié)合劑金剛堆積磨料，并制備金剛石堆積磨料樹脂結(jié)合劑砂輪，在自制磨削平臺上進行磨削測試，探究其磨削YG8硬質(zhì)合金磨削性能，以期提高樹脂結(jié)合劑砂輪的磨削效率與使用壽命。

1 試驗方法

1.1 金剛石堆積磨料制備

如圖2所示，采用ZLB-60旋轉(zhuǎn)式制粒機制備陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料。先按表1配方將陶瓷結(jié)合劑與金剛石混合均勻，再加入適量臨時黏結(jié)劑，在三維混料機中混料0.5 h；將混好的物料投入制粒機料筒，啟動制粒機，得到初始磨粒；將磨粒在電熱鼓風(fēng)干燥箱中120 ℃下干燥30 min，取出過30#～60#篩(孔徑尺寸為250～590 μm)，輕輕按壓使磨粒全部通過30#篩而不過60#篩，得到粒度尺寸范圍為250～590 μm的磨粒；將初始磨粒與耐火粉混合，裝入燒舟，在燒結(jié)爐中710 ℃燒結(jié)8 h，制得陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料。所用陶瓷結(jié)合劑為本公司現(xiàn)有陶瓷結(jié)合劑砂輪專用Ⅰ型結(jié)合劑，結(jié)合劑密度為2.6 g/cm3，初始金剛石的粒度代號為M50/70 RVD金剛石微粉。

圖 2 ZLB-60旋轉(zhuǎn)式制粒機示意圖

Tab. 1 Formula of ceramic bond diamond agglomerate abrasive

1.2 樹脂結(jié)合劑砂輪制備

樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪制備工藝與傳統(tǒng)樹脂結(jié)合劑砂輪的制備工藝基本相同，根據(jù)現(xiàn)有模具與試驗條件，制備金剛石濃度為100%的砂輪，尺寸為150 mm×10 mm×10 mm，根據(jù)金剛石堆積磨料單顆粒強度測試結(jié)果，選取單顆粒強度最佳的濃度為200%的金剛石堆積磨料，先按表2配方將所有原料在三維混料機中混合均勻，將混好的物料均勻鋪入鋼模中，在YTX- 200油熱循環(huán)熱壓機中熱壓成型，熱脫模后在電熱鼓風(fēng)干燥箱中180 ℃下固化10 h，制備工藝如表3。

表 2 樹脂結(jié)合劑砂輪環(huán)配方

表 3 樹脂結(jié)合劑砂輪環(huán)制備工藝

1.3 彎曲強度和微觀結(jié)構(gòu)特征

采用LY-007金剛石強度測定儀檢測不同濃度陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料單顆粒強度，每種濃度磨料選取20粒粒度均勻的磨粒，取其單顆粒強度平均值為陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料的單顆粒強度值。在掃描電鏡下觀察顯微結(jié)構(gòu)、組織、金剛石分布、氣孔以及金剛石與結(jié)合劑結(jié)合情況。

制備的樹脂砂輪為4組，分別含有不同體積分數(shù)的金剛石堆積磨料。在洛氏硬度儀上測每組砂輪洛氏硬度。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，每組砂輪測5次，取5次結(jié)果平均值為其砂輪硬度。如圖3所示，在自制磨削平臺上通過磨削YG8硬質(zhì)合金對砂輪進行測試。將砂輪環(huán)固定在圓形轉(zhuǎn)盤上，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，YG8硬質(zhì)合金塊固定在載荷為20 N的荷載上，每組試驗?zāi)ハ鲿r間為1 h，每組試驗進行3次，取三次試驗平均值作為最終磨削結(jié)果。

圖 3 磨削平臺結(jié)構(gòu)簡圖

2 結(jié)果與分析

2.1 陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料單顆粒靜壓強度

3種金剛石堆積磨料單顆粒靜壓強度如圖4所示。由圖4可知：3種金剛石堆積磨料的單顆粒靜壓強度分別為61 N、65 N、36 N。金剛石濃度低于200%時，隨著金剛石濃度的增加，金剛石堆積磨料單顆粒強度略微增加；金剛石濃度高于200%時，隨著金剛石濃度的增加，金剛石堆積磨料單顆粒強度快速降低，當(dāng)金剛石濃度為250%時，單顆粒強度為36 N，降為金剛石濃度為200%時的單顆粒強度的55.4%。

圖 4 金剛石堆積磨料單顆粒強度

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，在陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪中，隨著金剛石濃度的增加，陶瓷結(jié)合劑砂輪的燒結(jié)溫度升高。本試驗中3種濃度金剛石堆積磨料的燒結(jié)工藝相同，溫度為710 ℃時，可能造成濃度為150%的金剛石堆積磨料過燒，濃度為200%的金剛石堆積磨料燒結(jié)適中，濃度為250%的金剛石堆積磨料欠燒；另外，由于金剛石濃度為250%時，結(jié)合劑含量過少，金剛石堆積磨料中結(jié)合劑的體積分數(shù)僅為37.5%，所含結(jié)合劑不足以完全包覆金剛石，而且結(jié)合劑含量減少使金剛石與結(jié)合劑之間的弱結(jié)合增多，導(dǎo)致磨料單顆粒強度快速降低。

2.2 陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料顯微結(jié)構(gòu)

圖5為3種濃度金剛石堆積磨料不同放大比例下的顯微結(jié)構(gòu)圖。

如圖5所示：圖5a中的結(jié)合劑能夠完全包覆金剛石且金剛石均勻分布于陶瓷結(jié)合劑中，從圖5b中可以清楚看到磨粒中出現(xiàn)較多孔，這是由于燒結(jié)溫度過低，金剛石堆積磨料欠燒造成的，孔的出現(xiàn)造成了陶瓷磨粒單顆?？箟簭姸绕停粓D5c中金剛石分布均勻且結(jié)合劑與金剛石接觸較好，圖5d的磨粒中沒有發(fā)現(xiàn)較大孔，表明結(jié)合劑燒結(jié)情況較好，所得磨粒單顆粒抗壓強度較高；圖5e中出現(xiàn)明顯的金剛石團聚現(xiàn)象，結(jié)合劑含量過少不能完全包覆金剛石，圖5f中可以清楚地看到磨粒中金剛石表面沒有與結(jié)合劑結(jié)合，且由于燒結(jié)溫度過低造成磨料中孔的出現(xiàn)，所以250%濃度時磨粒的單顆粒強度最低。

2.3 樹脂結(jié)合劑類多晶金剛石砂輪性能

選取金剛石濃度為200%的陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料制備φ150 mm砂輪，砂輪濃度為100%，4組砂輪中金剛石堆積磨料的體積分數(shù)分別為0、20%、30%、40%，并在自制磨削平臺上對砂輪磨削YG8硬質(zhì)合金磨削性能進行探究。

用洛氏硬度儀檢測每組砂輪洛氏硬度，結(jié)果如圖6所示，金剛石堆積磨料體積分數(shù)為0時，砂輪硬度最低為71.0 HRB，隨著金剛石堆積磨料體積分數(shù)的增大，砂輪硬度先升高后降低，當(dāng)金剛石堆積磨料體積分數(shù)為30%時，砂輪硬度最高為84.2 HRB，較金剛石堆積磨料體積分數(shù)為0時的硬度提高了18.6%。在樹脂結(jié)合劑砂輪中，樹脂起主要黏結(jié)作用，結(jié)合劑對磨料的把持力由樹脂對磨料的包覆情況決定。金剛石堆積磨料體積分數(shù)為0時，砂輪中磨料全部由細粒度金剛石磨料組成，磨料比表面積相對于加入金剛石堆積磨料的比表面積大，樹脂結(jié)合劑不能完全包覆金剛石；隨著金剛石堆積磨料的加入，比表面積變小，樹脂結(jié)合劑對磨料的包覆能力較強，把持力增強，所以隨著金剛石堆積磨料體積分數(shù)的增大，砂輪硬度提高。當(dāng)金剛石堆積磨料體積分數(shù)過大時，過多金剛石堆積磨料的加入可能破壞了砂輪中樹脂結(jié)合劑結(jié)構(gòu)，降低了樹脂結(jié)合劑的黏接性能，導(dǎo)致結(jié)合劑硬度降低，所以在樹脂結(jié)合劑砂輪中，金剛石堆積磨料的體積分數(shù)不可過高，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實際磨削情況確定金剛石堆積磨料體積分數(shù)。

圖 6 金剛石堆積磨料體積分數(shù)對砂輪硬度的影響

圖7為4組砂輪在自制磨削平臺上的磨削比與磨削效率圖。由圖7a可知：隨著砂輪中金剛石堆積磨料體積分數(shù)的增大，砂輪磨削YG8硬質(zhì)合金的磨削比先增大后減小，分別為57.53、104.92、145.11、66.14；類多晶磨體積分數(shù)為30%時，砂輪磨削比最高，較單顆粒金剛石砂輪磨削比提高了152%，金剛石堆積磨料體積分數(shù)為40%時，樹脂砂輪的磨削比下降為30%時的46%。

隨著金剛石堆積磨料體積分數(shù)的增大，樹脂結(jié)合劑砂輪中單顆粒金剛石數(shù)量減少，金剛石堆積磨料數(shù)量增多。由于出刃高度較單顆粒磨料高，在磨削過程中隨著金剛石堆積磨料體積分數(shù)的增大，樹脂結(jié)合劑與磨削工件的表面接觸面積和磨削力減小，磨削熱對樹脂結(jié)合劑的燒傷減少，降低了樹脂結(jié)合劑分解速度，提高了砂輪的耐熱性，所以磨削比隨著金剛石堆積磨料體積分數(shù)的增大而增大；當(dāng)金剛石堆積磨料的體積分數(shù)超過30%時，隨著金剛石堆積磨料體積分數(shù)的繼續(xù)增大，樹脂結(jié)合劑對磨料的包覆效果變差，把持力降低，磨削過程中金剛石堆積磨料更容易整體從砂輪中拔出，所以類多晶體積分數(shù)超過30%時，砂輪磨削比減小[7]。

由圖7b可知：4組砂輪的磨削效率分別為9.78 g/h、13.06 g/h、13.64 g/h、9.26 g/h，隨著金剛石堆積磨料體積分數(shù)增大，樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削效率先升高后快速降低。當(dāng)金剛石堆積磨料體積分數(shù)低于30%時，隨著金剛石堆積磨料體積分數(shù)的增大，樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的磨削比增大，金剛石堆積磨料體積分數(shù)為30%時，砂輪磨削效率最高，達到13.64 g/h，較單顆粒金剛石砂輪磨削效率提高了40%，這是由于隨著金剛石堆積磨料體積分數(shù)的增大，參與磨削的有效磨粒數(shù)增多，磨削比升高[7]；當(dāng)金剛石堆積磨料體積分數(shù)高于30%時砂輪磨削效率快速降低，當(dāng)金剛石堆積磨料體積分數(shù)為40%時，樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的磨削效率僅為9.26 g/h，這可能是由于隨著金剛石堆積磨料的體積分數(shù)的增大，樹脂結(jié)合劑結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)合劑對磨料的把持力降低所致。

3 結(jié)論

(1)濃度為150%、200%、250%的類多晶單顆粒靜壓強度分別為61 N、65 N、36 N，隨著金剛石濃度的增大，陶瓷結(jié)合劑金剛石堆積磨料的單顆粒靜壓強度先升高后降低，當(dāng)金剛石濃度為200%時，金剛石堆積磨料單顆粒靜壓強度最高。

(2)4組樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的硬度分別為71.0、82.2 、84.2和79.6 HRB，隨著金剛石堆積磨料體積分數(shù)的增大，砂輪硬度先升高后降低，當(dāng)金剛石堆積磨料體積分數(shù)為30%時，砂輪硬度最高。

(3)磨削YG8硬質(zhì)合金結(jié)果顯示，樹脂結(jié)合劑砂輪中金剛石堆積磨料的體積分數(shù)為30%時，其磨削比最大、磨削效率最高，分別為145.11和13.64 g/h,分別較單顆粒金剛石砂輪提高了152%和40%。

(4)金剛石堆積磨料應(yīng)用于樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪中有效提高了砂輪的磨削效率與磨削比。