鑄鐵干式加工過程中釬焊金剛石圓鋸片磨損機(jī)理

劉思幸，肖 冰，張子煜，陳雨果

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鑄鐵干式加工過程中釬焊金剛石圓鋸片磨損機(jī)理

劉思幸，肖 冰，張子煜，陳雨果

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016)

采用Ni-Cr合金活性釬料，在高真空爐中實(shí)現(xiàn)金剛石與鋼基體牢固的釬焊連接。借助掃描電鏡、能譜分析儀和X射線衍射儀闡述真空釬焊金剛石的釬焊機(jī)理和界面特征，分析釬焊金剛石圓鋸片在干式加工鑄鐵過程中磨粒的磨損特性。結(jié)果表明：在鑄鐵管加工方面，釬焊金剛石圓鋸片表現(xiàn)出優(yōu)越的高效切割性能，磨粒磨損主要以破碎為主，磨削高溫引起切屑粘附在破碎磨粒表面；揭示在鑄鐵干式加工過程中金剛石磨粒表面出現(xiàn)輕微的石墨化磨損等現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)表明磨粒的強(qiáng)度依然能滿足加工要求。研制出適用鑄鐵材料高效加工用的高鋒利度、高強(qiáng)度、安全的釬焊金剛石切割片。

金剛石圓鋸片；鑄鐵管；真空釬焊；磨損機(jī)理；干式加工

傳統(tǒng)的電鍍、燒結(jié)和樹脂結(jié)合劑等磨料工具的磨料與結(jié)合劑之間通過物理結(jié)合作用連接，在重負(fù)荷加工過程中磨粒易從母體材料層中脫落，直接影響工具的加工效率、使用壽命和操作安全性等。鑒于釬焊金剛石工具在焊接機(jī)理方面實(shí)現(xiàn)了磨粒、活性釬料與鋼基體之間的化學(xué)冶金結(jié)合，顯著提高了結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持強(qiáng)度，能夠滿足高強(qiáng)度、重負(fù)荷、高效加工的要求[1?3]。本課題組成員及國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在釬焊超硬磨料工具的機(jī)理研究方面所涉及的界面微觀結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理、釬焊工藝等方面開展了大量深入研究[4?12]，其應(yīng)用領(lǐng)域包括硬脆材料、陶瓷材料與有色金屬等材料的加工等。

黑色金屬由于其優(yōu)越的力學(xué)性能在機(jī)械、建筑、交通、橋梁、船舶和石油化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，相關(guān)結(jié)構(gòu)件的磨切削加工目前多采用樹脂基磨料砂輪、鋸片等工藝，雖然可以滿足加工要求，但加工效率低、安全性低。天然單晶金剛石作為切削刀具材料在常規(guī)條件下因其磨損速率太快而不能用于黑色金屬的切削[13]，TANAKA和IKAWA等[14]通過化學(xué)熱腐蝕試驗(yàn)，提出了金剛石切削刀具熱化學(xué)腐蝕機(jī)理。LANE和DOW等[15]建立了熱化學(xué)磨損分析模型，研究了單晶金剛石刀具在切削低碳鋼時(shí)的刀面磨損形式。涉及黑色金屬材料的應(yīng)用加工過程中釬焊金剛石磨料工具的磨損分析還未見深層次的報(bào)道[16]。關(guān)于立方氮化硼(CBN)磨料釬焊工具在黑色金屬加工應(yīng)用方面少有研究，所用釬料多為銅基或銀基合金，釬焊溫度為900~950 ℃，釬料的強(qiáng)度低于鎳基釬料的，而且銀基釬料較鎳基釬料成本高，CBN較金剛石成本高，故基于拓寬金剛石磨料工具的應(yīng)用范圍、工具的耐用性和性價(jià)比等為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)CBN釬焊工具在黑色金屬加工方面不做相關(guān)的對(duì)比研究[4, 17?19]。

本文作者通過對(duì)釬焊金剛石圓鋸片切割鑄鐵過程中磨粒表面的形貌進(jìn)行觀察，深入研究了磨粒表面碳化物的形貌、磨損方式和磨損機(jī)理，以期對(duì)釬焊金剛石工具在黑色金屬(大型工程、建筑鋼和軌道交通等結(jié)構(gòu)件)的切割應(yīng)用領(lǐng)域做一些有益的探索嘗試。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件和工藝過程

基體采用30CrMo不銹鋼，活性釬料選用Ni-Cr合金粉末，其熔化溫度為980 ℃，主要成分如表1所列。金剛石選用黃河旋風(fēng)牌HSD90等級(jí)，磨料的平均顆粒直徑為0.55 mm。分別選用不同粒徑的碳化硅顆粒對(duì)基體頂端進(jìn)行噴丸打磨處理，用工業(yè)酒精等有機(jī)溶劑對(duì)其表面進(jìn)行清洗。金剛石磨料浸在配有工業(yè)酒精的容器中進(jìn)行超聲清洗，然后烘干去除磨粒表面的油污。通過樹脂基環(huán)保粘結(jié)劑將釬料均勻布置在鋼基體表面，在釬料表面排布金剛石磨粒。將制作完畢的試件放入高真空爐中進(jìn)行釬焊，加熱溫度為1035 ℃，保溫適宜時(shí)間，然后隨爐自然冷卻。

表1 Ni-Cr合金釬料的成分

釬焊制作完畢的金剛石工具，以外徑355 mm的圓鋸片的形式對(duì)燃?xì)夤艿烙么笮丸T鐵管道進(jìn)行切割試驗(yàn)，鑄鐵管的尺寸為外徑1800 mm、內(nèi)徑1764 mm，與其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比的樹脂砂輪鋸片外徑為508 mm。

1.2 測(cè)試方法

加工試驗(yàn)后進(jìn)行取樣：沿著鋸片刀頭磨粒表面的垂直面進(jìn)行線切割，斷面分別用不同目數(shù)的碳化硅砂紙進(jìn)行打磨；粘附切屑的刀頭磨粒表面用油石修整，清除磨粒表面殘留的熔融鐵屑；用王水對(duì)刀頭磨粒進(jìn)行腐蝕，取出金剛石磨粒。上述試驗(yàn)樣品在配有丙酮等工業(yè)有機(jī)溶劑的容器中進(jìn)行超聲清洗，烘干以去除表面殘留雜質(zhì)。通過Hitachi S?3400型掃描電鏡、EDAX能譜儀和XD-3A型X射線Cu靶衍射儀，觀察金剛石與釬料的釬焊接頭界面的微觀形貌和金剛石磨粒的界面生成物微觀形貌，對(duì)C、Cr、Fe、Si等元素進(jìn)行線掃描分析，并對(duì)釬焊接頭進(jìn)行X射線衍射相譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 釬焊金剛石界面微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1所示分別為在高真空釬焊爐中空燒后的金剛石磨粒和釬焊后經(jīng)王水腐蝕后的金剛石磨粒的顯微照片?？諢蠼饎偸睦饨俏窗l(fā)生破碎、表面折射率正常、磨粒的強(qiáng)度損傷幅度較小(見圖1(a))；而釬焊后的金剛石表面存在一層明顯的反應(yīng)物，如同粘附了一層膠糊狀物質(zhì)(見圖1(b))。

圖2所示為金剛石與Ni-Cr合金釬料的釬焊連接顯微照片。從圖2(a)觀察可得釬料對(duì)金剛石表面有較好的潤(rùn)濕性，且界面結(jié)合完好；沿其釬焊界面處白線進(jìn)行線掃描分析可得存在元素C和Cr的相互擴(kuò)散(見圖2(b))。圖2(a)中界面生成物的局部放大如圖2(c)所示，觀察可得柱狀化合物以一定方式沿界面規(guī)律的排列，從圖中觀察可得柱狀化合物的外徑為0.2~4 μm不等，分別沿圖2(c)中的白線進(jìn)行選定點(diǎn)的能譜分析和線掃描。

圖1 金剛石磨粒的顯微照片

表2所列為圖2(c)中、、、各點(diǎn)界面能譜分析結(jié)果。由表2可知，Ni、Cr、C元素都具有明顯的擴(kuò)散，其中靠近金剛石表面點(diǎn)的Cr元素有較高的濃度分布，達(dá)到50%(摩爾分?jǐn)?shù))，高于釬料中Cr的含量(10%)；而Ni元素的濃度僅為1.15%，遠(yuǎn)低于釬料中Ni的含量(72%)，而遠(yuǎn)離界面上點(diǎn)的Cr含量(僅為0.98%)。由此推測(cè)可得，C和Cr在界面相互擴(kuò)散，結(jié)合C-Cr相圖可知，界面處發(fā)生了Cr和C的化學(xué)冶金結(jié)合，易生成CrC化合物，反應(yīng)層的長(zhǎng)度約為15 μm，為形成牢固的冶金結(jié)合提供了依據(jù)[1, 7, 11]。圖2(d)所示為圖2(c)界面處沿白線的線掃描分析，從分布趨勢(shì)可以看到C、Cr兩種元素在界面處存在明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，其擴(kuò)散幅度在10 μm，這一結(jié)果與定點(diǎn)能譜分析結(jié)果相吻合。由此可以認(rèn)為，C與Cr元素之間所形成的碳化物使得金剛石與合金釬料牢固結(jié)合。分別通過圖1(a)、圖2(a)觀察可得，空燒及釬焊后出露部分的金剛石晶體棱角沒有明顯的破碎現(xiàn)象、表面折射率正常，也未出現(xiàn)明顯的晶體腐蝕、剝落等石墨化現(xiàn)象。在自然環(huán)境下，金剛石晶體在800℃左右因氧化作用會(huì)發(fā)生石墨化現(xiàn)象，會(huì)顯著降低磨粒的強(qiáng)度。在高真空環(huán)境中，氧分子的含量極少，經(jīng)過高溫作用僅在金剛石表面出現(xiàn)金剛石從共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)向石墨狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，從而有輕微的表面石墨化現(xiàn)象，對(duì)金剛石造成的熱損傷不影響其強(qiáng)度在機(jī)械加工中的應(yīng)用。上述結(jié)論與本課題組陳燕發(fā)表在焊接學(xué)報(bào)的結(jié)論相符[20]。

圖2 金剛石釬焊界面微觀形貌

表2 選定點(diǎn)的元素能譜射線分析

釬焊金剛石表面化合物的微觀形貌，如圖3所示。圖3(a)所示為單顆磨粒表面化合物形貌，可見表面生成一層柱狀化合物；圖3(b)~(d)所示分別為其逐級(jí)放大圖。借助掃描電鏡觀察可見化合物的形狀呈規(guī)則的條狀沿一定方向規(guī)律的排列，如圖3所示。條狀生成物外徑的差異是不同晶粒成分導(dǎo)致，對(duì)其進(jìn)行能譜分析可得組成可能為Cr7C3，Cr3C2[1, 7]，采用X射線衍射分析證實(shí)上述假設(shè)。

2.2 鑄鐵管高效切割實(shí)驗(yàn)

圓鋸片切割鑄鐵管道(壁厚18 mm)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)如圖4(a)所示；圖4(b)所示為連續(xù)切割一定數(shù)量的鑄鐵管后鋸片的刀頭數(shù)碼照片，觀察可得殘留的切屑覆蓋住部分磨粒的表面，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因與切割過程中的切削高溫及切屑的強(qiáng)度有關(guān)。采用樹脂砂輪片和釬焊片切割鑄鐵管的對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖5所示。由圖5中可得，當(dāng)進(jìn)給速率小于0.3 mm/s時(shí)樹脂砂輪片的切割效率低于釬焊片的，高于此進(jìn)給速率時(shí)樹脂片無(wú)法正常工作，而釬焊片卻充分發(fā)揮了其高效切割的優(yōu)勢(shì)，切割效率和進(jìn)給速率呈正相關(guān)。其原因是釬焊過程中通過結(jié)合劑和金剛石的冶金結(jié)合將金剛石磨粒牢固的把持在鋼基體表面，金剛石出露高度高，從而能滿足大切深高負(fù)荷工作的要求，樹脂片的磨粒是通過樹脂材料將其機(jī)械固定，結(jié)合強(qiáng)度低，磨粒出露高度低，無(wú)法高效切割。

圖6所示為兩種鋸片切割鑄鐵管過程中產(chǎn)生的切屑采集樣本，觀察可得樹脂片產(chǎn)生的切屑為規(guī)則的熔球型切屑，粒度范圍為50~100 μm(見圖6(a))；釬焊片產(chǎn)生的切屑為條形狀剪切屑，長(zhǎng)度尺寸范圍為300~450 μm(見圖6(b))。其原因是樹脂片采用酚醛樹脂做結(jié)合劑將磨料混合均勻后在模具內(nèi)加熱加壓后制得，磨料粒度較小且出露高度低，在工作過程中單顆磨粒鋸切深度小，切屑厚度小，磨粒之間的熔屑空間小，切屑容易斷裂，排屑困難使得弧區(qū)摩擦增大而升高切削溫度，相關(guān)研究表明切屑形成溫度為1500 ℃[21]，如此高的溫度下自然很容易形成熔球型的切屑。釬焊片的磨粒結(jié)合強(qiáng)度大，磨粒出露高，容屑空間大，切屑的厚度大，散熱性能好，鋸切弧區(qū)的溫度較樹脂片切割時(shí)要小，因此不容易形成熔球屑而是以剪切屑為主。然而在圖6(b)中存在部分小顆粒的切屑，近似熔球屑，分析其原因是隨磨粒磨損的加劇，磨粒發(fā)生破碎，磨粒韌角鈍化，強(qiáng)度低的切屑粘附在磨粒周圍，降低了容屑空間，降低了磨粒的鋒利度，導(dǎo)致弧區(qū)溫度升高，切屑斷裂，高溫下形成了部分近似熔球屑的碎屑，同時(shí)在磨粒周圍也粘附了一層切屑(見圖4(b))。在切割區(qū)域的高溫作用下，切屑與金剛石磨粒的接觸，懷疑有切屑中的Fe元素和金剛石表面的腐蝕擴(kuò)散現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致金剛石在觸媒元素Fe的作用下發(fā)生石墨化，下面將對(duì)其進(jìn)行深入分析。

圖3 釬焊金剛石表面生成化合物的微觀形貌

圖4 鑄鐵管切割實(shí)驗(yàn)

圖5 釬焊片與樹脂片切割效率對(duì)比

圖6 鑄鐵管切割時(shí)產(chǎn)生的切屑

2.3 金剛石磨料磨損腐蝕機(jī)理分析

對(duì)圖4(b)所示的切割鑄鐵后表面粘附有鐵屑的金剛石磨粒用油石進(jìn)行修復(fù)得出其表面形貌，結(jié)果如圖8所示。從圖8觀察可得，金剛石出現(xiàn)了磨損、破碎和斷裂等現(xiàn)象，金剛石周圍粘附部分切屑。對(duì)其表面進(jìn)行能譜分析表明成分主要是C元素，F(xiàn)e元素的含量極少，由此可以判斷在工作過程中的切削溫度沒有達(dá)到Fe元素急劇擴(kuò)散的臨界點(diǎn)，金剛石表面受到Fe的催化作用僅發(fā)生輕微的石墨化腐蝕現(xiàn)象。在干式加工鑄鐵的過程中，釬焊鋸片在切削過程中接觸面所產(chǎn)生的高溫時(shí)間短、散熱性好，準(zhǔn)確測(cè)量磨粒點(diǎn)及弧區(qū)溫度的難度較大，本實(shí)驗(yàn)中從多方面探究磨粒磨損腐蝕現(xiàn)象，測(cè)量磨粒及弧區(qū)溫度這一因素作為衡量指標(biāo)之一，在綜合常用測(cè)溫方法的基礎(chǔ)上選用非接觸手持式紅外測(cè)溫法(HCJYET-HT?8965型)和接觸式半人工熱電偶測(cè)溫法(選用NI?6211數(shù)據(jù)采集卡)。上述兩種方法的測(cè)試結(jié)果存在一定誤差，起到相互補(bǔ)充的作用，測(cè)溫結(jié)果如圖7所示。圖7(a)所示為手持式紅外測(cè)溫法所得數(shù)據(jù)結(jié)果，采用瞬時(shí)測(cè)量切削弧區(qū)溫度的方法選取平均值。圖7(b)所示為半人工熱電偶測(cè)溫，對(duì)采集卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出切削弧區(qū)溫度，其外包絡(luò)線為磨粒溫度，內(nèi)包絡(luò)線為切削弧區(qū)工件溫度。從圖中可以得出接觸區(qū)瞬間溫度范圍在500~750 ℃左右，對(duì)比圖6中的切屑可得切削磨?；^(qū)溫度沒有達(dá)到使得金剛石嚴(yán)重石墨化的程度。但隨著局部磨粒的逐漸破碎、容屑空間的減小，切削弧區(qū)會(huì)發(fā)生瞬時(shí)高溫，圖7(a)也體現(xiàn)出隨著切削行程的增加，切削弧區(qū)溫度有增加的趨勢(shì)。因此金剛石磨粒表面輕微的石墨化在所難免，但是并不會(huì)出現(xiàn)特別嚴(yán)重的石墨化現(xiàn)象，圖8可以充分的闡述上述解釋。

圖7 鑄鐵干式切削區(qū)溫度測(cè)量結(jié)果

對(duì)圖8中的金剛石采用化學(xué)腐蝕的方法得到磨粒，其微觀形貌如圖9所示。從圖9(a)中可以看出，金剛石顆粒中有破碎、斷裂及細(xì)小顆粒的金剛石存在，分析其原因?yàn)榍懈钸^程的金剛石破碎所致，而非整個(gè)顆粒從基體脫落。圖9(b)和(c)所示分別為其中某顆破碎幅度較小的高倍率顯微形貌。從圖中可看出，金剛石表面生成的化合物磨損較為嚴(yán)重。圖9(d)所示為斷裂一半的金剛石磨粒，可以看出金剛石表面有微小的小孔，究其原因可能是所生成的條狀碳化物與磨粒表面的接觸部分為碳化物和磨粒的牢固冶金結(jié)合提供了可能，而此時(shí)條狀碳化物因磨損使得小孔漏出。對(duì)圖9(d)中金剛石的棱角部位進(jìn)行能譜分析，元素分布結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，其中含有輕微的觸媒元素Fe和Cr等，其余主要成分是C元素，而從其表面形貌觀察可得磨粒的棱角明顯，晶面完整，可以得出金剛石表面未發(fā)生嚴(yán)重的石墨化腐蝕現(xiàn)象，切屑溫度也沒有達(dá)到石墨化溫度的極值點(diǎn)，不影響切割過程的正常工作，對(duì)以往金剛石磨料加工黑色金屬易發(fā)生嚴(yán)重石墨化的觀念提出了質(zhì)疑，圖4中所示的鑄鐵管的切割實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。

圖8 切割后刀頭金剛石形貌

3 結(jié)論

1) 采用Ni-Cr合金釬料在高真空爐中將金剛石磨粒牢固地焊接在鋼基體上，界面處生成的碳化物如Cr7C3及Cr3C2呈現(xiàn)規(guī)則的柱狀形狀并整齊的排列在磨粒周圍將其牢牢把持住，能夠充分滿足釬焊切割片高負(fù)荷工作的要求。

圖9 切割鑄鐵管后金剛石界面微觀結(jié)構(gòu)

圖10 圖9(d)中P點(diǎn)的能譜分析

2) 釬焊金剛石切割片在高效加工鑄鐵管道等黑色金屬材料較傳統(tǒng)的樹脂砂輪片有明顯優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)在高效率、安全操作等方面。

3) 加工鑄鐵管道過程中金剛石磨料的磨損主要表現(xiàn)為磨粒的破損和斷裂，磨粒和工件接觸區(qū)的表面溫度等因素不足以引起金剛石磨粒產(chǎn)生嚴(yán)重石墨化腐蝕磨損等現(xiàn)象，對(duì)以往認(rèn)為金剛石工具加工黑色金屬時(shí)容易出現(xiàn)嚴(yán)重石墨化的觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑，拓寬釬焊金剛石工具在黑色金屬加工領(lǐng)域中應(yīng)用，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯 龍懷中)

Wear mechanism of brazed diamond saws during dry-cutting cast iron

LIU Si-xing, XIAO Bing, ZHANG Zi-yu, CHEN Yu-guo

(Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-manufacturing Technology, College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Diamond grains were brazed onto steel (0.45%C) matrix in high vacuum furnace using Ni-Cr active powder filler alloy. Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray diffracometry (XRD) techniques were applied to investigate the interface characteristics of brazing diamond abrasive crystals to steel substrate and the wear characteristics in dry cutting cast iron process. The results show that the brazing diamond saws have obvious advantages in terms of high efficiency cutting cast iron. The main wear of the grains is grits fracture from the brazed combined zone. The iron chips are adhered to the surface of the broken grains at high grinding temperature. The graphitization of diamond grits slightly occurred and the diamond strength is enough to meet the requirements of machining process when dry-cutting cast iron. The super sharp, high strength and safety brazed diamond saw was developed for the high efficiency machining cast iron materials.

diamond saws; cast iron pipe; vacuum brazing; wear mechanism; dry-cutting

Projects(BY2014003-02, BY2014003-18, BY2014003-11, BY2013003-14, BY2013003-04 and BY2013003-15) supported by the Industry-University-Research Cooperation Research Project of Jiangsu Province, China

2015-05-06; Accepted date: 2016-01-20

XIAO Bing; Tel: +86-25-84892901; E-mail: xbxiao@263.net

1004-0609(2016)-07-2166-08

TG732；TG743

A

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2014003-02，BY2014003-18，BY2014003-11，BY2013003-14， BY2013003-04，BY2013003-15)

2015-05-06；

2016-01-20

肖 冰，教授，博士；電話：025-84892901；E-mail：xbxiao@263.net