多孔CBN/Cu-Sn-Zn堆積磨料在鋼軌打磨砂輪中的應(yīng)用

姚 煜，劉鵬展，鄒文俊，彭 進(jìn)，簡(jiǎn)亞溜，韓 平

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

（2.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004）

隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鋼軌在使用過程中出現(xiàn)的軌頭裂紋、塌陷、剝離、肥邊以及鋼軌擦傷等問題需要得到更快更好的解決[1-2]。在鋼軌打磨維護(hù)技術(shù)中，砂輪起到了重要的作用。在鋼軌打磨砂輪研發(fā)方面，砂輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝以及性能調(diào)整一直是研發(fā)的重點(diǎn)。傳統(tǒng)鋼軌打磨砂輪采用普通磨料樹脂復(fù)合的重負(fù)荷砂輪，多使用鋯剛玉磨料，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性能優(yōu)異的特點(diǎn)。但在磨削過程中也存在著污染環(huán)境、易燒傷鋼軌、使用壽命過低且鋯剛玉磨削鋒利度不夠等問題，導(dǎo)致鋼軌磨削效率過低[3]。為解決上述問題，研究人員在砂輪磨料種類、粒度組合、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面做了大量的工作。ZHANG 等[4]研究了磨料粒度對(duì)鋼軌磨削的影響，研究表明，隨著磨料粒度的減小，鋼軌磨削后可以獲得更低的表面粗糙度及殘余應(yīng)力。WANG 等[5]研究了鋯剛玉砂輪硬度對(duì)鋼軌磨削的影響，通過磨削試驗(yàn)證明，與純樹脂砂輪相比，新型復(fù)合砂輪的打磨溫度峰值下降10%左右，工件表面粗糙度下降9%以上。WU 等[6]制備了單層開槽釬焊CBN 砂輪用于鋼軌打磨，在獲得類似加工質(zhì)量的情況下，比剛玉砂輪加工效率提高7 倍。YUAN等[7]制備了不同孔隙的砂輪用于鋼軌的打磨，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)纳拜喛紫督Y(jié)構(gòu)可以降低其磨削時(shí)引起的預(yù)疲勞，提高磨削效率，降低磨削熱。

上述研究中磨料多采用普通磨料或超硬磨料單一體系，不能很好地兼顧磨削效率、磨削質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益三者的關(guān)系，而磨料的復(fù)合使用可以較好地兼顧這三者。針對(duì)鋼軌打磨砂輪中使用的鋯剛玉沖擊韌性好、硬度低、鋒利度不夠，而立方氮化硼(CBN)硬度高、沖擊韌性略差的特點(diǎn)，將兩者復(fù)合使用，使CBN 的高硬度與鋯剛玉的高韌性結(jié)合起來(lái)，更好地提高鋼軌打磨砂輪的綜合性能。此外CBN 與金屬結(jié)合劑可以較好地結(jié)合，對(duì)鋼軌打磨可以起到很好的磨削效果[6]。所以將CBN 與金屬結(jié)合劑復(fù)合，制備CBN 金屬基堆積磨料，并在其表面設(shè)計(jì)合適的孔隙結(jié)構(gòu)，借以提高堆積磨料與樹脂結(jié)合劑間的機(jī)械把持力。

試驗(yàn)使用Cu-Sn-Zn 結(jié)合劑及CBN 磨料，制備了一種外表多孔而內(nèi)部緊實(shí)的堆積多孔磨料，然后將其應(yīng)用在鋼軌打磨砂輪中。并對(duì)制備CBN 堆積磨料使用的Cu-Sn-Zn 結(jié)合劑的力學(xué)性能、堆積磨料的力學(xué)性能及形貌進(jìn)行了測(cè)試與表征。此外，通過鋼軌打磨試驗(yàn)，對(duì)添加堆積磨料前后的砂輪的磨削效果進(jìn)行了表征與討論。

1 試驗(yàn)

1.1 多孔CBN/Cu-Sn-Zn 堆積磨料的制備

試驗(yàn)所用主要原料包括：CBN，基本粒徑尺寸為425～850 μm；Cu 粉、Sn 粉和Zn 粉，粒徑為48 μm；造孔劑NaCl，粒徑尺寸為710～1 180 μm；酚醛樹脂粉和液(工業(yè)級(jí))；鋯剛玉，基本粒徑尺寸為850～1 400 μm。

多孔堆積磨料制備流程如圖1所示。首先將造孔劑均勻黏附在模板內(nèi)壁，隨后把金屬粉和CBN 磨料按比例混合均勻，CBN 濃度為100%，投入模具中。采用真空熱壓燒結(jié)法制備成形，燒結(jié)溫度為680 ℃，成形壓力為4 MPa，試樣尺寸為60 mm × 3 mm × 2 mm。將試樣置于水浴鍋(80 ℃)中至造孔劑完全溶解。取出烘干后挑選出孔隙結(jié)構(gòu)合適的試樣，通過XQJ-25 型懸臂式切粒機(jī)切割造粒，過篩后選擇形狀良好、粒徑尺寸為850～1 700 μm的堆積磨料用于后續(xù)砂輪的制備。

圖1 多孔堆積磨料制備工藝流程Fig.1 Process flow chart of porous stacked abrasive preparation

其中試樣孔隙率η可由公式(1)計(jì)算可得：

式中：ρ0-堆積磨料理論密度，g/cm3；ρ-堆積磨料實(shí)際密度，g/cm3。

1.2 鋼軌打磨砂輪的制備

采用酚醛樹脂結(jié)合劑體系制備2 種磨料組成的砂輪：（1）鋯剛玉砂輪。其組成如下：鋯鋼玉體積分?jǐn)?shù)為70%～80%，CBN 堆積磨料體積分?jǐn)?shù)為0，樹脂液體積分?jǐn)?shù)為1%～2%，F(xiàn)eS2體積分?jǐn)?shù)為3%～8%，酚醛樹脂粉體積分?jǐn)?shù)為5%～15%；（2）堆積磨料砂輪。其組成如下：鋯鋼玉體積分?jǐn)?shù)為60%～70%，CBN 堆積磨料體積分?jǐn)?shù)為10%～20%，樹脂液體積分?jǐn)?shù)為1%～2%，F(xiàn)eS2體積分?jǐn)?shù)為3%～8%，酚醛樹脂粉體積分?jǐn)?shù)為5%～15%。將磨料、填料與結(jié)合劑混合均勻后，均勻投放到模具中。采用平板硫化機(jī)進(jìn)行熱壓成形，溫度設(shè)置為185 ℃，預(yù)熱3 min，卸壓放氣，加壓保溫45 min，隨后自然冷卻后卸模。最后將坯體置于烘箱中升溫固化。2 種砂輪的砂輪形狀均為平形砂輪，砂輪尺寸均為80 mm × 10 mm ×20 mm，密度均為3.0 g/cm3。普通砂輪的磨料種類是鋯剛玉，堆積磨料砂輪的磨料種類是鋯剛玉和CBN/Cu-Sn-Zn 堆積磨料，2 種砂輪總的磨料體積分?jǐn)?shù)相同。

1.3 磨削試驗(yàn)

鋼軌打磨按磨具是否有動(dòng)力而分為主動(dòng)打磨與被動(dòng)打磨2 種方式。主動(dòng)打磨通過給磨具一定的磨削壓力和磨削速度，對(duì)鋼軌的截面進(jìn)行磨削。這是目前主流的打磨方式，但存在磨削修復(fù)去除量大、打磨效率低等問題。被動(dòng)打磨具有鋼軌去除量小、打磨效率高的特點(diǎn)，是一種新興的打磨方式。磨具本身不帶有動(dòng)力，通過與鋼軌預(yù)設(shè)一定的夾角，在打磨車的拖動(dòng)和壓力作用下使其相對(duì)鋼軌運(yùn)動(dòng)從而起到磨削的作用。目前針對(duì)鋼軌被動(dòng)打磨的研究較少，LIU 等[8]設(shè)計(jì)了一種模擬鋼軌被動(dòng)打磨方式的試驗(yàn)平臺(tái)，可用于被動(dòng)打磨方面的研究。

采用上述研發(fā)的鋼軌被動(dòng)打磨砂輪，以被動(dòng)打磨的形式，在磨削轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、磨削壓力為240 N，以干磨的形式對(duì)添加CBN 堆積磨料前后的砂輪做1 組對(duì)照鋼軌打磨試驗(yàn)[8-9]。所用鋼軌工件參數(shù)如表1所示，鋼軌打磨試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

表1 打磨的鋼軌工件元素成分Tab.1 Element compositions of the ground rail workpiece

圖2 鋼軌打磨試驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Rail grinding experiment platform

圖2a 中：1 為電機(jī)主軸；2 為鋼軌工件；3 為鋼軌打磨砂輪；4 為軸承裝置；5 為固定臺(tái)；6 為三維傳感器；7為工作臺(tái)。

1.4 試驗(yàn)表征

針對(duì)上述試驗(yàn)，采用WDW-50 電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)Cu-Sn-Zn 結(jié)合劑、CBN/Cu-Sn-Zn 堆積磨料試樣、砂輪試樣等進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測(cè)試；采用TY-4021A 型沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)對(duì)Cu-Sn-Zn 結(jié)合劑、CBN/Cu-Sn-Zn 堆積磨料試樣、砂輪試樣等進(jìn)行沖擊強(qiáng)度測(cè)試；采用HRD150 洛氏硬度計(jì)對(duì)Cu-Sn-Zn 結(jié)合劑進(jìn)行硬度測(cè)試；采用Inspect F50 型掃描電子顯微鏡對(duì)多孔CBN 堆積磨料進(jìn)行微觀形貌表征；采用ZeGage 型白光干涉儀對(duì)磨削前后鋼軌工件表面質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試表征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 多孔CBN/Cu-Sn-Zn 堆積磨料制備與討論

2.1.1 Zn 對(duì)Cu-Sn 結(jié)合劑力學(xué)性能的影響

Cu-Sn 金屬結(jié)合劑體系在超硬磨具燒結(jié)制品中應(yīng)用廣泛[10]。本試驗(yàn)采用Cu80Sn20體系作為基礎(chǔ)結(jié)合劑，通過添加Zn 進(jìn)一步改善Cu-Sn 的力學(xué)性能。Cu80Sn20結(jié)合劑彎曲強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度變化如圖3所示，硬度變化如圖4所示。

圖3 Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Cu-Sn 結(jié)合劑力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of Zn mass fraction on mechanical properties of Cu-Sn bond

少量的Zn 可以提高結(jié)合劑的彎曲強(qiáng)度，但繼續(xù)提高Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)合劑的彎曲強(qiáng)度便開始一直下降，硬度一直提高。Sn 與Zn 都是銅基結(jié)合劑中常用的金屬元素，都可以提高銅基結(jié)合劑的脆性。在Cu-Sn-Zn 結(jié)合劑燒結(jié)過程中，Sn 與Zn 分別在231.00 ℃和419.58 ℃時(shí)產(chǎn)生液相，形成階段式液相燒結(jié)，使更多的Cu 參與反應(yīng)。在Cu80Sn20體系中，Cu 與Sn 形成硬脆的δ 相，強(qiáng)度、硬度較高。當(dāng)Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)低時(shí)，Zn 與Cu 形成固溶體α 相，α 相塑性大，彎曲強(qiáng)度略有提高，但Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)提高，Cu-Zn 合金變軟，結(jié)合劑脆性進(jìn)一步提高，強(qiáng)度降低[10-11]。磨具用金屬結(jié)合劑既需要一定的力學(xué)性能，也要有較高的脆性來(lái)保持磨料的自銳性。如圖3和圖4所示，當(dāng)Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，結(jié)合劑彎曲強(qiáng)度為385.0 MPa，抗沖擊強(qiáng)度為59.6 kJ/m2，洛氏硬度為86.08 HRB，此時(shí)的金屬結(jié)合劑適宜用于堆積磨料的制備。

圖4 Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Cu-Sn 結(jié)合劑硬度的影響Fig.4 Effect of Zn mass fraction on hardness of Cu-Sn bond

2.1.2 孔隙率對(duì)多孔CBN/Cu-Sn-Zn 堆積磨料力學(xué)性能和微觀形貌的影響

孔隙結(jié)構(gòu)是多孔堆積磨料的重要組成部分，適當(dāng)?shù)目紫督Y(jié)構(gòu)不僅可以提高樹脂結(jié)合劑對(duì)堆積磨料的把持力，還可以提高堆積磨料的自銳性。通過控制造孔劑添加量從而獲得不同的孔隙率[12-13]。

圖5為堆積磨料宏觀形貌，從圖5可以看出：隨著造孔劑體積分?jǐn)?shù)的不斷提高，堆積磨料表面的孔隙明顯增大，整體形貌也越來(lái)越不規(guī)則。

圖5 不同體積分?jǐn)?shù)的造孔劑堆積磨料宏觀形貌Fig.5 Macro-morphologies of agglomerated abrasive with different volume concentrations of pore forming agent

圖6為堆積磨料的SEM 圖像。從圖6可以看出：當(dāng)造孔劑體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，CBN 磨料部分裸露；造孔劑體積分?jǐn)?shù)提高到10%時(shí)，CBN 磨料裸露情況良好；繼續(xù)提高造孔劑體積分?jǐn)?shù)，所得孔隙太多導(dǎo)致磨料裸露過多，金屬結(jié)合劑對(duì)部分CBN 磨料界面結(jié)合區(qū)域過少，界面結(jié)合強(qiáng)度下降，有些CBN 磨料甚至直接脫落，在堆積磨料表面留下更大的孔洞，這些也直接影響著堆積磨料自身的強(qiáng)度。

圖6 不同造孔劑體積分?jǐn)?shù)下堆積磨料微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructures of agglomerated abrasive with different volume concentrations of pore forming agent

堆積磨料試樣的力學(xué)性能隨造孔劑體積分?jǐn)?shù)提高的變化如圖7所示。當(dāng)造孔劑體積分?jǐn)?shù)從5%提高至20%時(shí)，試樣的彎曲強(qiáng)度從87.0 MPa 下降至45.0 MPa，抗沖擊強(qiáng)度從12.0 kJ/m2下降至2.9 kJ/m2，強(qiáng)度大大降低。從CBN 堆積磨料自身強(qiáng)度及界面結(jié)合強(qiáng)弱來(lái)看，當(dāng)造孔劑體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，所制備的多孔結(jié)合劑試樣更適宜制備成磨料，此時(shí)試樣彎曲強(qiáng)度為78.5 MPa，抗沖擊強(qiáng)度5.5 kJ/m2，孔隙率在30%～40%。

圖7 造孔劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)堆積磨料試樣力學(xué)性能的影響Fig.7 Effect of pore forming agent volume concentrations on mechanical properties of agglomerated abrasive

2.1.3 多孔CBN/Cu-Sn-Zn 堆積磨料表面形貌

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的表面多孔而內(nèi)部緊實(shí)的多孔CBN 堆積磨料如圖8所示，其中金屬結(jié)合劑為Cu76Sn19Zn5，占堆積磨料整體體積分?jǐn)?shù)的55%～70%，CBN 濃度為100%。圖8a 為堆積磨料宏觀形貌，表面呈多孔狀，可以更好地提高堆積磨料在樹脂結(jié)合劑中的把持力；圖8b 為堆積磨料斷面形貌圖，內(nèi)部的CBN 磨料由金屬結(jié)合劑緊緊包裹。

圖8 多孔CBN 堆積磨料形貌Fig.8 Porous CBN stacked abrasive morphology

2.2 砂輪磨削試驗(yàn)

2.2.1 堆積磨料加入前后砂輪力學(xué)性能對(duì)比

對(duì)于樹脂鋼軌打磨砂輪，砂輪的抗折強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度直接影響砂輪的磨削性能和耐用度。當(dāng)堆積磨料體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，將砂輪制備成50 mm × 10 mm ×10 mm 的試樣，測(cè)定堆積磨料添加前后砂輪彎曲強(qiáng)度與抗沖擊強(qiáng)度變化，結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出：堆積磨料加入后砂輪試樣的彎曲強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度分別為34.8 MPa 和2.3 kJ/m2，相比加入前的砂輪試樣的彎曲強(qiáng)度（30.5 MPa）和抗沖擊強(qiáng)度（1.5 kJ/m2）分別提高了14.1%和53.3%。堆積磨料表面的多孔形貌使其與樹脂結(jié)合劑界面的結(jié)合力和界面面積都有所增加，樹脂結(jié)合劑對(duì)堆積磨料有更好的把持力，砂輪力學(xué)性能進(jìn)一步提高。

圖9 堆積磨料添加前后砂輪試樣力學(xué)性能Fig.9 Before and after adding agglomerated abrasive

2.2.2 堆積磨料加入前后砂輪磨削性能對(duì)比

鋼軌打磨砂輪的磨削效率、磨削比及磨削后鋼軌表面質(zhì)量，都是評(píng)價(jià)鋼軌打磨砂輪磨削性能的重要指標(biāo)。鋼軌在單位時(shí)間內(nèi)的磨削損失量定義為砂輪的磨削效率，鋼軌與砂輪的質(zhì)量損失比定義為砂輪的磨削比。通過測(cè)量磨削前后鋼軌工件的去除量及砂輪的磨耗量，得出砂輪的磨削效率及磨削比，結(jié)果如圖10所示。堆積磨料添加前后鋯剛玉砂輪磨削效率從60.1 mg/s提高至109.9 mg/s，磨削比也從8.2 提高至16.9。

圖10 堆積磨料添加前后砂輪磨削效率和磨削比Fig.10 Grinding efficiency and grinding ratio of grinding wheel

采用白光干涉儀對(duì)磨削前后固定區(qū)域形貌進(jìn)行表征，結(jié)果如圖11所示，圖11中的Sa表示工件表面粗糙度，Sz表示最大磨削深度。

對(duì)比圖11a、11b、11c 可知：堆積磨料的使用使打磨工件表面磨粒切削留下的磨痕進(jìn)一步平整，Sa與Sz更低，鋼軌工件表面質(zhì)量進(jìn)一步提高。

圖11 鋼軌打磨前后表面粗糙度Fig.11 Surface roughness of rail before and after grinding

由以上可知，在鋼軌打磨砂輪中，使用堆積磨料代替部分鋯剛玉磨料，堆積磨料的性能及結(jié)構(gòu)使砂輪的磨削效率和磨削質(zhì)量進(jìn)一步提高。在鋼軌打磨過程中，大顆粒的鋯剛玉磨料和堆積磨料進(jìn)行第1 道磨削，初步磨除掉鋼軌表面的缺陷等；隨后堆積磨料中的細(xì)粒度CBN 磨料進(jìn)行第2 道磨削，使鋼軌表面的磨痕進(jìn)一步平緩。磨削中樹脂結(jié)合劑砂輪及金屬結(jié)合劑超硬砂輪都會(huì)發(fā)生黏附現(xiàn)象，而后者由于成形密度大、自銳性差、磨削溫度更高等原因，黏附現(xiàn)象更加嚴(yán)重。而制備的堆積磨料表面的多孔結(jié)構(gòu)不僅降低了堆積磨料的成形密度，而且降低了它的強(qiáng)度，提高了堆積磨料自身的自銳性，從而改善了堆積磨料在磨削過程中表面出現(xiàn)的黏附堵塞現(xiàn)象，保證了鋼軌打磨砂輪的磨削效率。同時(shí)，堆積磨料內(nèi)部緊實(shí)的結(jié)構(gòu)，也增強(qiáng)了堆積磨料內(nèi)部金屬結(jié)合劑對(duì)CBN 磨料的把持力，將CBN 磨料牢牢固定在堆積磨料中，使CBN 磨料在磨削過程中主要以層狀磨損的方式被破壞，如圖12的砂輪磨削后表面形貌所示，減少了因樹脂結(jié)合劑磨損過快而導(dǎo)致CBN磨料脫落造成的破壞。

圖12 磨削后砂輪中堆積磨料表面形貌Fig.12 Surface morphology after grinding of agglomerated abrasive in grinding wheel

3 結(jié)論

通過將CBN 磨料與Cu-Sn-Zn 結(jié)合劑復(fù)合制備了一種表面多孔但內(nèi)部緊實(shí)的多孔堆積磨料，并與鋯剛玉混合使用制備了復(fù)合鋼軌打磨砂輪，進(jìn)行了鋼軌打磨試驗(yàn)，討論了堆積磨料添加前后對(duì)鋼軌磨削質(zhì)量的影響。得出以下結(jié)論：

(1)Zn 可以進(jìn)一步提高Cu-Sn 結(jié)合劑的脆性，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，結(jié)合劑彎曲強(qiáng)度為385.0 MPa，抗沖擊強(qiáng)度為59.6 kJ/m2，洛氏硬度為86.08 HRB，此時(shí)具有一定的力學(xué)性能和較好的脆性。

(2)制備了一種表面多孔但內(nèi)部緊實(shí)的CBN/Cu-Sn-Zn堆積磨料，最佳的堆積磨料試樣的孔隙率在30%～40%，此時(shí)試樣的彎曲強(qiáng)度為78.5 MPa，抗沖擊強(qiáng)度為5.5 kJ/m2，制備的堆積磨料具有較好的力學(xué)性能和良好的孔隙結(jié)構(gòu)，適宜應(yīng)用在鋼軌打磨砂輪中。

(3)CBN/Cu-Sn-Zn 堆積磨料的應(yīng)用可以提高鋯剛玉樹脂重負(fù)荷砂輪的磨削效率和磨削質(zhì)量，當(dāng)堆積磨料體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，鋼軌打磨砂輪磨削效率為109.9 mg/s，磨削比為16.9，普通鋯剛玉砂輪磨削效率為60.1 mg/s，磨削比為8.2。