磨料表面微氧化對(duì)cBN磨具磨削性能的影響

鮑崇高,宋奕僑,侯書增,楊興化,楊建鋒,姚文靜

(1.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,710065,西安)

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磨料表面微氧化對(duì)cBN磨具磨削性能的影響

鮑崇高1,宋奕僑2,侯書增1,楊興化1,楊建鋒1,姚文靜2

(1.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,710065,西安)

為了解決陶瓷結(jié)合劑cBN磨具在高速磨削的過(guò)程中易發(fā)生斷裂以至于失效的問(wèn)題,提高cBN磨具材料的磨削性能,采用微氧化技術(shù)對(duì)cBN磨粒進(jìn)行了表面處理,研究了cBN磨粒表面微氧化對(duì)cBN磨具中磨粒與結(jié)合劑間界面結(jié)合方式、界面結(jié)合力、磨具強(qiáng)度以及磨具磨削磨損的影響規(guī)律,并分析了磨具磨削磨損失效機(jī)制。結(jié)果表明:表面微氧化后的cBN磨粒表面氧化膜的成分是B2O3;因B2O3與結(jié)合劑組分發(fā)生反應(yīng)致使結(jié)合面兩側(cè)產(chǎn)生元素互擴(kuò)散,使得陶瓷結(jié)合劑與cBN磨粒界面間的機(jī)械結(jié)合方式轉(zhuǎn)為化學(xué)結(jié)合方式;與cBN磨粒未經(jīng)過(guò)氧化的磨具相比,經(jīng)過(guò)表面氧化的cBN磨粒制備的磨具中陶瓷結(jié)合劑與cBN磨粒結(jié)合面剪切力提高了2.5倍,磨具抗彎強(qiáng)度提高了18%,且磨削磨損性能提高了2.6倍;cBN磨粒與結(jié)合劑結(jié)合力的提高可以使磨具強(qiáng)度提高,磨具磨削磨損時(shí)隨著磨削力增大磨粒不易脫落,并逐漸發(fā)生自銳,從而降低磨具的損耗,提高磨削效率。

磨粒;磨具;微氧化;界面結(jié)合強(qiáng)度;磨削;磨損

立方氮化硼(cBN)硬度很高,具有耐熱性高、導(dǎo)熱性好及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)越性能。利用cBN磨粒制備的陶瓷結(jié)合劑cBN磨具是一種新型復(fù)合材料,與其他類型磨具相比具有磨削效率高、磨削溫度低、使用壽命長(zhǎng)、易于修整且磨削質(zhì)量好等優(yōu)越性能,被認(rèn)為是高速、高效、高精、低污染的高性能磨具,非常適合鐵族金屬材料的磨削加工[1-2]。近年來(lái),陶瓷結(jié)合劑cBN磨具的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,用量不斷增長(zhǎng)[3],已成為磨削工具研究開發(fā)的熱點(diǎn)[4-5]。陶瓷結(jié)合劑cBN磨具由于其高速高效[4]的磨削特點(diǎn),在磨削過(guò)程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生大量磨削熱,因此在制備過(guò)程中有意識(shí)引入氣孔,可以起到在高速磨削過(guò)程中貯存大量冷卻液及磨屑的作用,避免工件磨削過(guò)程中產(chǎn)生磨削燒傷,提高磨削效率[6-7]。然而,作為多孔復(fù)合材料,較高的氣孔率會(huì)大幅度降低磨具中結(jié)合劑與cBN磨粒的結(jié)合面積,削弱陶瓷結(jié)合劑與cBN磨粒之間的界面結(jié)合力,使得磨具在高速磨削的過(guò)程中易發(fā)生斷裂以至于失效,且斷裂面往往處于陶瓷結(jié)合劑與cBN磨粒的結(jié)合面(如圖1所示),因此,如何提高結(jié)合劑與cBN磨粒的結(jié)合力,是本研究工作的重點(diǎn)。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者在提高陶瓷結(jié)合劑與cBN磨粒的界面結(jié)合強(qiáng)度方面做了大量研究[8-9],過(guò)去的研究重點(diǎn)多集中于對(duì)cBN磨粒表面進(jìn)行鍍鈦,通過(guò)陶瓷結(jié)合劑與鈦層之間因晶體結(jié)構(gòu)相似而能相互擴(kuò)散來(lái)提高界面結(jié)合力,但該方法操作難度大、成本高,難以借鑒。對(duì)于通過(guò)cBN磨粒表面微氧化改善陶瓷結(jié)合劑與cBN磨粒間結(jié)合性能的研究,目前還未查到有關(guān)報(bào)道。本文采用cBN表面氧化處理工藝使cBN磨粒表面預(yù)先包覆一層氧化膜,利用氧化膜與陶瓷結(jié)合劑間因?yàn)榛瘜W(xué)鍵類型相似[10-11]從而能夠?qū)崿F(xiàn)原子互擴(kuò)散的特性來(lái)提高陶瓷結(jié)合劑與cBN磨粒界面的結(jié)合力;對(duì)界面結(jié)合方式、界面結(jié)合力進(jìn)行了分析測(cè)定;通過(guò)對(duì)比磨削試驗(yàn),研究了cBN磨粒表面氧化對(duì)cBN磨具磨削性能的影響。

(a)磨具表面裂紋

(b)裂紋放大形貌圖1 磨具的斷裂表面裂紋形貌

1 試驗(yàn)原理與方法

取適量顆粒粒徑為150～200 μm的cBN磨粒在930 ℃下進(jìn)行表面氧化處理,處理時(shí)間為1～2 h。將經(jīng)過(guò)表面氧化和未氧化的cBN磨粒通過(guò)模壓成型后,在低溫空氣氣氛下燒結(jié)制成直徑為10 mm的柱狀cBN塊體,同時(shí)將結(jié)合劑通過(guò)模壓方式制成直徑為20 mm的坯體置于cBN塊體表面;然后將兩者放入空氣爐中,加熱到740～780 ℃下保溫1～2 h制得剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣。陶瓷結(jié)合劑與cBN塊體間的剪切強(qiáng)度采用多功能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試,圖2為剪切力測(cè)試示意圖。

圖2 剪切力測(cè)試示意圖

將表面氧化和未氧化的cBN磨粒分別與陶瓷結(jié)合劑混合壓制成外徑50 mm、內(nèi)徑40 mm、高10 mm的陶瓷結(jié)合劑cBN磨具,置于空氣爐中,在740～780 ℃下燒結(jié)1～2 h,cBN磨粒與結(jié)合劑質(zhì)量比(砂結(jié)比)為6∶4。采用未經(jīng)表面氧化處理的cBN磨粒制備的磨具標(biāo)記為1#,采用經(jīng)過(guò)表面氧化處理cBN磨粒制備的磨具標(biāo)記為2#。采用GCr15作為被磨金屬,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Na2CO3水溶液作為冷卻液,將2種磨具分別置于自制的銷環(huán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上開刃后進(jìn)行對(duì)比磨削試驗(yàn),圖3為磨削試驗(yàn)示意圖。試驗(yàn)載荷P分別為5、15、25和35 N,試驗(yàn)時(shí)間為30 min。采用X射線衍射儀(XRD)分析了cBN磨粒表面氧化膜的物相成分;采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)2種磨粒表面形貌進(jìn)行了觀察,并對(duì)采用未氧化處理cBN磨粒所制備磨具的表面裂紋進(jìn)行了分析。

圖3 cBN磨具磨削金屬試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 cBN磨粒氧化對(duì)陶瓷結(jié)合劑與cBN磨粒界面性能的影響

圖4為氧化前、后的cBN磨粒的表面SEM形貌。從圖4中可以看出,經(jīng)過(guò)表面氧化的cBN磨粒邊緣變得圓滑且表面覆蓋一層白色物質(zhì),對(duì)該種白色物質(zhì)進(jìn)行XRD物相檢測(cè),結(jié)果見圖5。從圖中可以看出,經(jīng)過(guò)氧化的cBN磨粒表面生成的白色物質(zhì)為B2O3。

(a)cBN磨粒氧化前

(b)cBN磨粒氧化后圖4 氧化前、后cBN磨粒的表面形貌

圖5 cBN表面白色物質(zhì)的XRD圖譜

經(jīng)測(cè)定,cBN磨粒表面氧化前、后與陶瓷結(jié)合劑界面的剪切力分別為416 N和1 060 N。試驗(yàn)結(jié)果表明:與cBN磨料氧化前相比,經(jīng)氧化處理后的cBN磨料塊體與陶瓷結(jié)合劑間的剪切力大幅度上升,提高了2.5倍。由于結(jié)合劑對(duì)2種磨粒塊體的潤(rùn)濕面積基本相同,而剪切力的大幅增加,充分說(shuō)明氧化后的磨粒與結(jié)合劑之間的結(jié)合力大幅增大。

圖6為cBN磨粒氧化前、后所制成的剪切試樣的斷口形貌圖。由圖6可以看出:深色突出物為部分未脫落的磨粒,淺色部分則為結(jié)合劑;剪切完成后,2幅圖中均存在由于部分磨粒脫落而在結(jié)合劑上形成的坑狀形貌;剪切方向均為從左向右的方向。由于未氧化的磨粒與結(jié)合劑之間為單純機(jī)械潤(rùn)濕結(jié)合,結(jié)合強(qiáng)度較低,故磨粒在受到向右的剪切力時(shí)首先在磨粒與結(jié)合劑的左側(cè)結(jié)合界面處發(fā)生斷裂,之后磨粒將其右側(cè)的部分結(jié)合劑推出形成如圖6a的形貌,并且磨粒大部分均脫落。由圖6b可以看出,在相同力的作用下,磨粒并不脫落,由于經(jīng)微氧化后的磨粒與結(jié)合劑之間的結(jié)合力上升,在剪切力進(jìn)一步增大時(shí),磨粒才會(huì)從脫落,但未形成如圖6a中明顯的磨粒脫落的邊緣,而是在磨粒脫落時(shí)連帶掉部分結(jié)合劑,形成如圖6b中的形貌,且磨粒脫落的量較氧化前較少。

(a)氧化前

(b)氧化后圖6 磨粒氧化前、后試驗(yàn)材料的剪切斷口形貌

陶瓷結(jié)合劑的成分如表1所示。硼鋁硅系的玻璃存在一個(gè)常見的基本反應(yīng)

(1)

玻璃粉體表面是玻璃的脆性薄弱點(diǎn),一般傾向于有多余的堿金屬離子富集[12-13]。在磨粒與結(jié)合劑的界面處,結(jié)合劑表面的堿金屬離子與cBN表面的B2O3結(jié)合后,由于元素濃度的差異會(huì)發(fā)生相互擴(kuò)散。這一互擴(kuò)散過(guò)程可能實(shí)現(xiàn)磨粒與結(jié)合劑之間結(jié)合力的增強(qiáng)。圖7為磨粒與結(jié)合劑之間結(jié)合界面元素線掃描結(jié)果。從圖中可以看出,B、O、Al、Si、K、Na元素從結(jié)合劑到cBN磨粒是漸變分布的,說(shuō)明cBN磨粒表面的B2O3確實(shí)與結(jié)合劑發(fā)生了元素互擴(kuò)散和上述反應(yīng)。

2.2 cBN磨粒氧化對(duì)cBN磨具氣孔率和強(qiáng)度的影響量

對(duì)2種磨具試樣氣孔率和強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果列于表2。由表2可以看出,2種磨具的氣孔率均為40%左右,然而2#磨具的抗彎強(qiáng)度明顯高于1#磨具高,提高約18%。

(d)Al元素 (e)Si元素 (f)K元素 (g)Na元素

抗彎強(qiáng)度上升的主要原因如圖1所示,未氧化的cBN磨粒制備的磨具因?yàn)榻缑娼Y(jié)合力較低,因此兩者結(jié)合面往往成為磨具微觀結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中點(diǎn),磨具斷裂時(shí)往往趨向于在界面結(jié)合處斷裂,而經(jīng)過(guò)表面氧化的cBN磨粒制備的磨具因?yàn)榇蠓忍岣吡私Y(jié)合劑與cBN磨粒界面結(jié)合力,因而提高了cBN磨具整體抗彎強(qiáng)度。

表2 磨粒氧化前后試驗(yàn)材料氣孔率和強(qiáng)度的 測(cè)試結(jié)果

材料編號(hào)氣孔率/%抗彎強(qiáng)度/MPa1#3913152#402373

2.3 cBN磨粒氧化對(duì)cBN磨具磨削性能的影響

圖8是2種磨具在不同載荷下磨削GCr15軸承鋼30 min后的金屬磨除量。從圖8中可以看出,經(jīng)表面氧化的cBN磨粒制備的2#磨具在各個(gè)載荷下,被磨金屬的體積磨損量均達(dá)到1#磨具的2.6倍以上,磨削效率提高明顯,且試驗(yàn)完畢后未發(fā)現(xiàn)裂紋。而未經(jīng)過(guò)氧化的磨粒制備的磨具因?yàn)榻Y(jié)合劑與cBN磨粒之間結(jié)合力較低,因而在35 N的載荷下磨削完畢后產(chǎn)生裂紋。

圖8 1#與2#磨具在不同載荷下的金屬磨除量

在磨具磨削加工過(guò)程中,當(dāng)工件剛性和進(jìn)給速度一定時(shí),磨具彎曲強(qiáng)度越大則磨削力趨于穩(wěn)定時(shí)的值越大,磨削效率越高[4]。在本研究磨削試驗(yàn)中,磨削載荷的增加導(dǎo)致磨削進(jìn)給速度增大,磨削力增大。未進(jìn)行表面氧化的cBN磨粒因?yàn)榕c結(jié)合劑結(jié)合能力差,磨具彎曲強(qiáng)度低,彈性變形程度小,因而在磨削力增大程度較小時(shí)很快就從結(jié)合劑橋上脫落,增大了磨具的損耗,同時(shí)降低磨削效率;經(jīng)過(guò)表面氧化的cBN磨具因?yàn)榻Y(jié)合力增加,提高了磨具的彎曲強(qiáng)度和彈性變形程度,使得在切削金屬的過(guò)程中,磨削力可以增大到較大值而磨粒不脫落,并更趨向于磨削力達(dá)到穩(wěn)定時(shí),cBN磨粒在磨削力的反復(fù)作用下不斷形成新的磨削刃,即磨粒發(fā)生自銳,在繼續(xù)發(fā)揮其切削作用的同時(shí)降低了磨具的損耗,提高了磨削效率。本研究制備的磨粒經(jīng)過(guò)氧化的磨具其結(jié)合劑與磨粒之間的結(jié)合力是未氧化的2.5倍,大幅度提高了相同磨削工藝條件下磨具的磨削力,因而磨粒經(jīng)過(guò)氧化的磨具其金屬磨除量也大幅度增加?？梢?cBN磨粒表面氧化改性可以提高磨粒與結(jié)合劑之間的結(jié)合力,提高磨具整體的抗彎強(qiáng)度,進(jìn)而提高了磨具在高載荷下的磨削效率。

3 結(jié) 論

(1)cBN磨粒經(jīng)過(guò)表面微氧化后,結(jié)合劑與磨粒之間的結(jié)合力提高近2.5倍,主要原因是由于氧化后磨粒表面的B2O3與結(jié)合劑中的K、Na、B元素發(fā)生反應(yīng),將結(jié)合劑與磨粒之間的界面結(jié)合由機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)結(jié)合,從而提高了二者之間的結(jié)合力。

(2)與未經(jīng)過(guò)氧化的cBN磨粒所制得的磨具相比,采用微氧化后的磨粒制得的磨具強(qiáng)度提高約18%,微觀上磨粒與結(jié)合劑之間結(jié)合力的增大使得磨具整體強(qiáng)度增大。

(3)cBN磨粒經(jīng)過(guò)表面微氧化后制得的磨具在各載荷下其金屬磨除量均達(dá)到了未經(jīng)過(guò)氧化的磨粒制備的磨具的2.6倍。cBN磨粒表面氧化改性有效提高了磨粒與結(jié)合劑之間的結(jié)合力,使其在具有較高氣孔率的同時(shí)具有較高的強(qiáng)度,在切削金屬的過(guò)程中,磨削力可以增大到較大值而磨粒不脫落,并更趨向于磨削力達(dá)到一定時(shí),磨粒發(fā)生自銳,降低了磨具的損耗的同時(shí)提高了磨削效率。

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(編輯 劉楊)

Effect of the cBN Grit Surface Oxidation on Grinding Performance of the Vitrified cBN Tool

BAO Chonggao1,SONG Yiqiao2,HOU Shuzeng1,YANG Xinghua1, YANG Jianfeng1,YAO Wenjing2

(1. State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

The surfaces of cBN abrasive particles are treated by micro-oxidation to solve the ceramic bond cBN grinding tool fracture failure problem that occurs during high-speed grinding and to improve the grinding performance of the cBN grinding tool material. The influence of cBN abrasive particles surface micro-oxidation to the interfacial bonding method, the interfacial bonding strength, the cBN tool strength and the cBN tool grinding performance are studied. And the wear failure mechanism of the cBN tool is analyzed. The results show that the oxide film component on cBN abrasive particle surface is B2O3. Element mutual diffusion at the interface occurs through the react between B2O3and binder components, and the interface bonding between vitrified bonds and cBN abrasive is transformed from mechanical bond to chemical bond. Comparisons with the grinding tool without abrasive particle oxidation show that the interface shear stress of the grinding tool with abrasive particle oxidation increases 2.5 times while the bending strength has a 18% increase and the grinding wear resistance improves 2.6 times. The improvement of the combination between cBN abrasive particle and binding agent could make abrasive self-sharpening happen rather than shedding when grinding force increases. In that way, the loss of grinding tools decreases while the grinding efficiency increases.

grit; grinding tool; micro-oxidation; interface bonding strength; grinding; wear

2014-07-16。

鮑崇高(1966—),男,教授,博士生導(dǎo)師。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51372194,50872108)。

時(shí)間:2014-11-28

10.7652/xjtuxb201502021

TB332

A

0253-987X(2015)02-0124-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141128.1611.004.html