六方氮化硼含量對(duì)鐵基金剛石磨具性能的影響*

韓志靜, 徐三魁, 韓 平，鄒文俊

( 河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 鄭州 450000)

鐵基金剛石磨具由于具有高效、低成本、高質(zhì)量、高強(qiáng)度、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)而受到人們的關(guān)注，但鐵基金剛石磨具在打磨鋼軌等材料時(shí)存在自銳性差、易燒傷等現(xiàn)象[1]。由于鐵基結(jié)合劑性脆，結(jié)合劑本身自銳性差，金剛石磨料不易出刃，從而使磨具與工件之間的摩擦力變大，長(zhǎng)期打磨溫度易升高而造成工件燒傷。為了解決此類問(wèn)題，可采用摩擦系數(shù)低、磨損量高的材料[2]。

減小磨具與對(duì)磨件之間摩擦力的方法之一是在磨具中添加具有良好潤(rùn)滑作用的無(wú)機(jī)潤(rùn)滑材料，如二硫化鉬(MoS2)，石墨(C)、六方氮化硼(hBN)、硼酸(H3BO3)等[3-4]。這些材料有相似的層狀結(jié)構(gòu)，層間是弱的范德華力，當(dāng)受到一個(gè)外界平行于層間的力時(shí)很容易被剪切，從而起減小摩擦作用[5-6]。這些材料添加量不同，對(duì)鐵基胚體金剛石磨具的摩擦系數(shù)、磨耗比及工件的燒傷情況影響不同。特別是hBN潤(rùn)滑材料，由于其具有化學(xué)惰性，且在燒結(jié)溫度1 200 ℃時(shí)仍保持穩(wěn)定，是應(yīng)用較多的無(wú)機(jī)潤(rùn)滑材料[7]。

為此，在鐵基結(jié)合劑中加入hBN固體潤(rùn)滑劑來(lái)降低磨具的摩擦系數(shù)，從而改善磨具的自銳性、耐磨性及燒傷情況。研究hBN不同添加量對(duì)鐵基金屬結(jié)合劑磨具抗彎強(qiáng)度、硬度和沖擊韌性等力學(xué)及機(jī)械性能的影響，以及磨削過(guò)程中磨具的摩擦系數(shù)、鋒利度、耐磨性及試樣磨削后的燒傷變化情況等。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原料

實(shí)驗(yàn)以鐵基結(jié)合劑為研究對(duì)象，添加不同體積分?jǐn)?shù)的hBN，采用熱壓成型工藝進(jìn)行燒結(jié)。實(shí)驗(yàn)所用的主要原料及規(guī)格如表1所示。

表1 主要原料及規(guī)格Tab. 1 Main raw materials and specifications

(1)結(jié)合劑原料：Fe粉、Cu-Sn合金粉、W粉由有研新材料(北京)股份有限公司生產(chǎn),其在結(jié)合劑配方中的體積分?jǐn)?shù)分別為 63% 、32%和5% ;

(2)磨料: 金剛石，由河南黃河旋風(fēng)股份有限公司生產(chǎn)，加入的體積分?jǐn)?shù)為 25% ；

(3)潤(rùn)濕劑：造粒粉、異丙醇、丙酮，由天津市永大化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),其在潤(rùn)濕劑配方中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為64%、16%、20%；

(4)潤(rùn)滑劑：hBN粉，由有研新材料(北京)股份有限公司生產(chǎn)，加入的體積分?jǐn)?shù)分別為 0% 、3% 、8%和11% 。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及方法

實(shí)驗(yàn)工藝過(guò)程如圖 1所示。

圖 1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在鐵基金屬結(jié)合劑配方和金剛石磨料含量不變的前提下，分別在4組混合粉料中加入體積分?jǐn)?shù)為 0% 、3% 、8% 、11% 的hBN微粉，測(cè)試4組試樣的抗彎強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、硬度、摩擦系數(shù)并觀察試樣磨削后的形貌。

1.3 試樣制備

按照需求精確稱量4組配方實(shí)驗(yàn)原料，在表2的熱壓工藝下采用RYJ-2002Z型真空燒結(jié)壓機(jī)熱壓燒結(jié)規(guī)格為50 mm×6 mm×6.5 mm的試樣條。

表2 熱壓工藝Tab. 2 Hot-pressing process

1.4 性能測(cè)試

用HR-150A型洛氏硬度計(jì)(上海材料試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn))測(cè)試樣品的硬度；用三點(diǎn)彎曲法在CMT-4504型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(甘肅天水三思有限公司生產(chǎn))上測(cè)定其抗彎強(qiáng)度；采用ZBC-1254-1型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(江蘇天源實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn))測(cè)定其沖擊強(qiáng)度；采用MMW-1型L立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南普業(yè)機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn))測(cè)量其摩擦系數(shù)；用Inscept S50型掃描電子顯微鏡(SEM)(美國(guó)FEI有限公司生產(chǎn))觀察試樣的表面形貌；用高精度多功能密度測(cè)試儀(北京儀特諾電子科技有限公司生產(chǎn))測(cè)量樣品的密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

圖2、圖3給出了不同hBN體積分?jǐn)?shù)下試樣的密度和硬度。由圖2、圖3可知：hBN含量增加，試樣的密度和硬度下降。試樣密度由不添加hBN時(shí)的6.57 g/cm3下降到添加hBN體積分?jǐn)?shù)11%時(shí)的5.31 g/cm3，下降幅度達(dá)19.2%；試樣硬度由不添加hBN時(shí)的85.5 HRB下降到添加hBN體積分?jǐn)?shù)11%時(shí)的44.5 HRB，下降幅度達(dá)48.0%。

圖2 不同hBN含量時(shí)試樣的密度

圖3 不同hBN含量時(shí)試樣的硬度

這是因?yàn)閔BN本身占據(jù)一定體積，加入到鐵基胎體后，由于其密度2.18g/cm3小于鐵基金屬粉的密度8.11 g/cm3，使得壓坯密度減小[8]。此外，由于hBN是化學(xué)惰性材料，對(duì)所有熔融金屬都呈化學(xué)惰性，并能在1 200攝氏度時(shí)保持穩(wěn)定，所以其在760 ℃燒結(jié)時(shí)仍是游離態(tài)，不與鐵基元素形成合金，阻礙了金屬的合金致密化，降低了試樣的密度和硬度；同時(shí)hBN是一種固體潤(rùn)滑劑，在鐵基材料中有潤(rùn)滑作用，也導(dǎo)致了胎體密度和硬度下降。

由于hBN體積分?jǐn)?shù)為11%時(shí)試樣的硬度為44.5 HRB，與打磨件45錳鋼的硬度接近，能滿足鋼材的打磨需求；而當(dāng)hBN添加體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，試樣的硬度下降到26.5 HRB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此類鋼材的硬度，打磨此類材料已無(wú)使用價(jià)值，故hBN添加量體積分?jǐn)?shù)以11%為界。

圖4、圖5給出了不同hBN含量時(shí)試樣的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度。由圖4、圖5可看出：隨著hBN含量增加，試樣的抗彎強(qiáng)度由不添加hBN時(shí)的253 MPa降低到添加hBN體積分?jǐn)?shù)11%時(shí)的103 MPa，下降了59.3%；試樣的抗沖擊強(qiáng)度從不添加hBN時(shí)的113.0 J/mm2降低到添加hBN體積分?jǐn)?shù)11%時(shí)的99.5 J/mm2，下降了11.9%。

圖4 不同hBN含量試樣的抗彎強(qiáng)度

圖5 不同hBN含量試樣的抗沖擊強(qiáng)度

產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：hBN均布于胎體中的金屬粉末之間，阻礙了金屬與金屬之間的結(jié)合，降低了金屬胎體的結(jié)合強(qiáng)度，使胎體的缺陷增多；隨著hBN含量增大，缺陷越來(lái)越多，胎體組織變得疏松，抗彎強(qiáng)度逐漸下降。一般情況下胎體的此種缺陷經(jīng)常出現(xiàn)在hBN與金屬界面處，呈狹長(zhǎng)的扁孔狀[9]，容易造成應(yīng)力集中，會(huì)降低試樣的抗彎強(qiáng)度；另外，缺陷的承載力為0，hBN增多缺陷增多，試樣的有效承載面積下降，塑性變形所吸收的能量降低，也導(dǎo)致其抗彎強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度下降[10]，而使其脆性提高。當(dāng)受外力作用時(shí)，由缺陷尖端所引起的應(yīng)力集中可能形成微裂紋，促使應(yīng)力集中加劇，裂紋迅速擴(kuò)展，使材料受到外力沖擊時(shí)易斷裂，所以抗沖擊強(qiáng)度也逐漸下降。

由圖4、圖5還可以看出：hBN固體潤(rùn)滑劑增多，試樣的抗彎強(qiáng)度變化明顯，下降幅度較快，尤其當(dāng)hBN添加量從0%增加到3%時(shí)下降最快；而抗沖擊強(qiáng)度下降并不明顯，說(shuō)明添加少量hBN對(duì)提高金屬胎體的脆性作用顯著。因此，添加少量hBN在保證鐵基金屬胎體在抵御外界沖擊能力基本不變的同時(shí)，可以改善鐵基胎體的脆性，這對(duì)金屬超硬磨具是極其重要的。提高磨具的脆性可以使磨削過(guò)程中的金剛石很好地出刃，從而提高磨具的鋒利度，同時(shí)又保證了磨具的耐磨性。

2.2 磨削實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 磨耗比分析

磨耗比是衡量材料耐磨性，控制產(chǎn)品質(zhì)量和研究摩擦磨損機(jī)理的一個(gè)重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)根據(jù)對(duì)磨件45錳鋼與試樣對(duì)磨前后的質(zhì)量變化的比值來(lái)計(jì)算試樣的磨耗比，以此衡量金屬結(jié)合劑金剛石磨具的耐用性及鋒利度。用4種不同hBN含量的試樣，分別制備3條樣條進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)，取其平均值為最終值，對(duì)磨時(shí)主軸轉(zhuǎn)速為200 r/s，對(duì)磨時(shí)間500 s，對(duì)磨壓力10 N。磨耗比實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 不同hBN含量試樣的磨耗比 Tab. 3 Abrasion ratio of samples with different hBN content

由表3可以看出：在相同的對(duì)磨條件下，隨著hBN增多，試樣的自身磨耗量增大。說(shuō)明加入hBN后鐵基結(jié)合劑的自銳性提高；且試樣的磨耗比也增大，說(shuō)明hBN增多可使鐵基金剛石磨具的耐用度增大。同時(shí)，加入hBN可以提高鐵基胎體材料的脆性(圖4、圖5)。磨具的脆性提高，在一定的磨削壓力下可以促使金剛石和金屬結(jié)合劑同步消耗，提高磨具的自銳性，即金剛石磨料可以更好地出刃，從而提高磨具的鋒利度，使磨削過(guò)程中相同條件下對(duì)工件的去除量增多，磨削比增大，磨具的使用壽命延長(zhǎng)。

2.2.2 摩擦系數(shù)分析

不同hBN含量下試樣的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示，圖6只畫(huà)出對(duì)磨時(shí)間500 s內(nèi)曲線的其中一段。圖6中對(duì)磨時(shí)間增加，各摩擦系數(shù)基本近似在一條直線上，說(shuō)明磨具的摩擦學(xué)性能基本穩(wěn)定；相同的對(duì)磨條件下，hBN添加量增加，摩擦系數(shù)逐漸下降，由不添加hBN時(shí)的平均值0.30降低到添加hBN體積分?jǐn)?shù)11%時(shí)的平均值0.15，降低了50%。這是因?yàn)閔BN有優(yōu)異的固體潤(rùn)滑能力，潤(rùn)滑效果明顯使對(duì)磨摩擦減少所致。

圖6 不同hBN含量下試樣的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化 Fig. 6 Variation of friction coefficients of samples with time

圖7為不同hBN含量試樣磨削后的燒傷情況，試樣的燒傷情況用試樣表面的灼燒顏色變化(深淺)來(lái)評(píng)估。由圖7可知：hBN含量增加，磨削后試樣的燒傷情況逐漸減輕。不添加hBN時(shí)(圖7a)，試樣基本全部燒傷，金剛石基本不出刃；hBN添加體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)(圖7b)，試樣約80%燒傷，有出刃的金剛石；hBN添加體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí)(圖7c)，試樣約40%燒傷，金剛石出刃明顯；hBN添加體積分?jǐn)?shù)為11%時(shí)(圖7d)，試樣基本無(wú)燒傷，金剛石出刃更明顯。

這是因?yàn)椋阂环矫骐S著固體潤(rùn)滑劑hBN增加，其足夠的濃度可以為樣條與打磨工件提供有效的接觸隔離和擦傷保護(hù)；另一方面，由圖2～圖5及表3進(jìn)一步分析可知：不添加hBN時(shí)磨具硬度高、脆性小、磨耗比小、自銳性差，造成了圖7a中的試樣條金屬結(jié)合劑不易消耗，金剛石不易出刃，而產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)齻F(xiàn)象；隨著固體潤(rùn)滑劑hBN增加，磨具的脆性增加，金屬結(jié)合劑易消耗，金剛石容易出刃，則磨耗比增大，使圖7b、圖7c、圖7d中的燒傷情況逐步減輕，磨具的整體鋒利度及耐磨性得以提高。

(a) hBN體積分?jǐn)?shù)0% hBN with 0% volume fraction(b)hBN體積分?jǐn)?shù)3% hBN with 3% volume fraction (c)hBN體積分?jǐn)?shù)8%hBN with 8% volume fraction(d)hBN體積分?jǐn)?shù)11%hBN with 11% volume fraction圖7 不同hBN含量試樣磨削后的燒傷情況Fig. 7 Burn of samples with different hBN content after grinding

3 結(jié) 論

(1)在鐵基金屬結(jié)合劑配方組分及金剛石不變的前提下，添加hBN使磨具樣品的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度下降，分別由不添加hBN時(shí)的6.57 g/cm3、85.5 HRB、253 MPa、113 J/mm2分別下降到添加hBN體積分?jǐn)?shù)為11%時(shí)的5.31 g/cm3、44.5 HRB、103.0 MPa、99.5 J/mm2，分別下降了19.2%、48.0%、59.3%、11.9%。

(2)在相同的磨削條件下，添加hBN能有效降低磨具的摩擦系數(shù)，提高磨具的耐用度及金剛石的出刃率，進(jìn)而大幅度減輕磨具的燒傷情況。

(3)hBN在鐵基金剛石磨具中具有很好的潤(rùn)滑作用。本實(shí)驗(yàn)條件下，在hBN添加體積分?jǐn)?shù)為11%時(shí)磨具的磨削效果最佳。