摘要　通過(guò)添加陶瓷空心球并采用普通熱壓燒結(jié)法制備金屬結(jié)合劑試樣和金剛石砂輪，探討了陶瓷空心球的形狀、粒度及添加量對(duì)金屬結(jié)合劑和砂輪性能的影響。結(jié)果表明：添加陶瓷空心球后，金屬結(jié)合劑胎體試樣的抗彎強(qiáng)度和硬度均有所下降，但其受陶瓷空心球粒度的影響很?。缓饎偸奶ンw與金屬結(jié)合劑試樣相比，抗彎強(qiáng)度降低了0.84~7.01Mpa，約為1%~8%。胎體試樣的斷口形貌顯示陶瓷空心球體形狀規(guī)則，均為圓形，能較均勻的分布在金屬結(jié)合劑胎體之中，可以為金屬結(jié)合劑胎體提供一定的孔隙；添加適量的陶瓷空心球能提高砂輪的磨削效率，磨削YG8硬質(zhì)合金工件時(shí)能提高8%~43%，其中含質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.75%陶瓷空心球的砂輪磨削效率最高，相比于致密砂輪提高了43%。

　　隨著高速磨削和超精密磨削技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)應(yīng)用對(duì)金剛石砂輪提出了更高的要求^[1]。為提高砂輪的性能，很多研究采取等靜壓燒結(jié)技術(shù)、真空熱壓燒結(jié)法、金屬結(jié)合劑的預(yù)合金化、金剛石的表面鍍覆、磨料的有序排列等新技術(shù)和新工藝使金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的性價(jià)比得到很大的優(yōu)化[2]。然而，傳統(tǒng)的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪都為致密型，砂輪的自銳性較差，容易堵塞，因此，向金屬結(jié)合劑中引入孔隙結(jié)構(gòu)，提升砂輪的氣孔率，從而改善砂輪等磨具的性能具有實(shí)際應(yīng)用意義。早在1992年日本學(xué)者就提出將多孔陶瓷結(jié)合劑砂輪的孔隙結(jié)構(gòu)引入金屬結(jié)合劑砂輪[3]，這為改善金屬結(jié)合劑砂輪的性能指出了研究的方向。左宏森等[4]研究了NaCl、K₃PO₄等可溶性鹽造孔劑對(duì)金屬結(jié)合劑金剛石磨具力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)造孔劑原料形狀越規(guī)則，試樣中孔的形狀就越規(guī)則，對(duì)試樣強(qiáng)度和硬度下降的影響就越小。廖翠嬌等[5]試圖采用普通熱壓燒結(jié)法，在青銅基結(jié)合劑中加入低熔點(diǎn)物質(zhì)為造孔材料，研究孔隙率與造孔劑含量之間以及孔隙率與抗彎強(qiáng)度之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為實(shí)際生產(chǎn)多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的配方提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。王少武等[6]采用普通熱壓燒結(jié)法，通過(guò)選用合適的造孔劑并調(diào)節(jié)造孔劑的含量制備出不同孔隙率的金屬結(jié)合劑砂輪，研究其對(duì)兩種不同工件材料的磨削溫度特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同孔隙率、不同粒度磨料的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的磨削溫度均隨著轉(zhuǎn)速及切深的增加而增大；細(xì)粒度砂輪隨著孔隙率的增大，磨削溫度降低。通過(guò)前人研究可知，造孔劑可以改善砂輪的性能，但是，以可溶性鹽類物質(zhì)物質(zhì)做造孔劑制備的砂輪容易吸水而影響其質(zhì)量，以低熔點(diǎn)物質(zhì)做造孔劑壓制砂輪時(shí)壓力較小而難以保證其強(qiáng)度。因此，如何選用更合適的造孔劑使砂輪具有良好的鋒利性，以提高其加工效率，是一個(gè)重要的研究方向。本研究通過(guò)添加陶瓷空心球的方法形成組織中的氣孔，并采用普通熱壓燒結(jié)法，制備金屬結(jié)合劑胎體試樣和金剛石砂輪，探討陶瓷空心球的形狀、粒度及添加量對(duì)胎體試樣和砂輪性能的影響，期望研究出低成本、優(yōu)質(zhì)、高效的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪。

       1         實(shí)驗(yàn)過(guò)程

       1.1       金屬結(jié)合劑胎體試樣和砂輪的制備

　　采用銅粉、錫粉、鈷粉、氧化鋁陶瓷空心球、金剛石等為原材料，其中，金屬單質(zhì)粉末的粒度為320目，金剛石（鍍鈦的MBD6）粒度為140/170目，陶瓷空心球的粒度為40/80目、80/100目、100/120目，其添加量根據(jù)孔隙率的設(shè)計(jì)值和空心球的密度（1.33g/m³）計(jì)算得到。孔隙率的設(shè)計(jì)值為：0%、25%、30%、35%、40%，對(duì)應(yīng)的添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0%、3.38%、3.75%、6.27%、9.42%。為比較含金剛石胎體結(jié)合劑試樣的性能，胎體試樣的金剛石濃度分別為50%、100%、150%。砂輪制備100%的金剛石濃度。按配方計(jì)算各組分的含量、稱量、混合均勻后，裝入組裝的石墨模具中經(jīng)熱壓燒結(jié)制備出金屬結(jié)合劑胎體試樣（不含金剛石，規(guī)格：50mm×4mm×3mm）和金屬結(jié)合劑砂輪（規(guī)格：1A160mm×3mm×10mm×5mm）。其熱壓燒結(jié)的工藝參數(shù)見(jiàn)表1，胎體試樣和金屬結(jié)合劑砂輪樣品如圖1所示，其中圖1a為胎體試樣，圖1b為金屬結(jié)合劑金剛石砂輪。

       1.2      性能檢測(cè)

       將制得的胎體試樣置于SANS萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上利用三點(diǎn)彎曲的方法測(cè)定其抗彎強(qiáng)度，每個(gè)試樣測(cè)定三次，取平均值，跨距為12mm，加載速率為1mm/min。

       在洛氏硬度計(jì)上測(cè)定試樣的硬度，取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，最后取平均值。用體式顯微鏡觀察胎體的斷口形貌、砂輪的工作層形貌，用掃描電鏡觀察金剛石、結(jié)合劑和陶瓷空心球的微觀組織形貌，對(duì)其進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析。

       用薄片切割試驗(yàn)機(jī)對(duì)制備的砂輪進(jìn)行磨削試驗(yàn)，加工硬質(zhì)合金（YG8）工件，測(cè)定其磨削效率，試驗(yàn)條件見(jiàn)表2，磨削加工的示意圖如圖2所示。 

       2         結(jié)果與討論

       2.1      陶瓷空心球?qū)μンw試樣強(qiáng)度的影響

       在結(jié)合劑配比不變的條件下，改變陶瓷空心球（用字母Z表示）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少和粒度的大小，測(cè)定胎體試樣的抗彎強(qiáng)度，其變化曲線如圖3所示。

圖3　陶瓷空心球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒度與試樣抗彎強(qiáng)度的關(guān)系曲線

　　從圖3可以看出，隨著陶瓷空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，試樣的抗彎強(qiáng)度下降；對(duì)于同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)的陶瓷空心球，其粒度大小對(duì)試樣抗彎強(qiáng)度的影響很小。這是由于隨著陶瓷空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，試樣的孔隙率也隨之增大，金屬結(jié)合劑所占的體積相應(yīng)地減少，因此抗彎強(qiáng)度隨之減小；在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下，雖然陶瓷空心球的粒度變化，但試樣的孔隙率基本一致，因此其對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響也微乎其微。

　　圖4是含40/80目陶瓷空心球的胎體試樣添加金剛珀的抗彎強(qiáng)度變化曲線圖。

圖4　添加金剛石后胎體試樣的抗彎強(qiáng)度變化

　　由圖4可以看出，隨著金剛石濃度的提高（0%~150%）。胎體試樣的抗彎強(qiáng)度逐漸下降，與金屬結(jié)合劑胎體試樣相比，降低的范圍在0.84~7.01Mpa，約為1%~8%。這是因?yàn)榻饎偸瘽舛仍礁?，金剛石所占的體積也越大，在相同孔隙率的條件下，結(jié)合劑所占的體積相應(yīng)地減少，試樣的致密化程度就會(huì)降低，強(qiáng)度也會(huì)有所降低?？紤]到砂輪要保持一定的強(qiáng)度和磨削效率，金剛石濃度不能太高也不能太低，因此，在制備砂輪時(shí)選擇100%的金剛石濃度是合適的。

       2.2      陶瓷空心球?qū)μンw試樣硬度的影響

　　圖5是陶瓷空心球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒度對(duì)試樣的硬度的影響曲線圖。

圖5　胎體試樣的硬度隨陶瓷空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒度變化圖

　　由圖5可以看出，隨著陶瓷空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，胎體試樣的硬度逐漸降低；同一陶瓷空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，其硬度受造孔劑粒度的影響較小，數(shù)據(jù)都很接近。這是因?yàn)樘ンw試樣的孔隙率隨著陶瓷空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，其結(jié)合劑所占的體積也相對(duì)減少，因而硬度也隨之下降。在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下，雖然陶瓷空心球的粒度變化，但試樣的孔隙率基本一致，因此其對(duì)硬度的影響很小。

       2.3      試樣斷口和砂輪工作層的微觀形貌分析

      圖6和圖7為陶瓷空心球的實(shí)物照片和含質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.75%陶瓷空心球的胎體試樣的斷口形貌照片。

 　　由圖6可以看出陶瓷空心球體形狀規(guī)則，均為圓形，結(jié)合圖7可以發(fā)現(xiàn)陶瓷空心球能以規(guī)則的形狀較均勻的分布在金屬結(jié)合劑胎體之中，可以為金屬結(jié)合劑胎體提供一定的孔隙空間，這有利于提高該類砂輪的容屑和排屑空間，從而在磨削時(shí)保持一定的鋒利性和自銳性。

　　圖8是砂輪工作層中金剛石、陶瓷空心球與結(jié)合劑的微觀結(jié)合界面的掃描電鏡照片，圖9是圖8中指定區(qū)域?qū)?yīng)的能譜分析圖譜，表3是Sperctrum1和Spectrum2區(qū)域的能譜分析結(jié)果。

　　由圖8和圖9可以看出，砂輪工作層中的結(jié)合劑與金剛石磨粒、陶瓷空心球之間結(jié)合緊密，結(jié)合狀況良好。由表3可以明顯看出砂輪中各種元素所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)結(jié)合劑的能譜中有碳、鈦元素的存在，金剛石的能譜中有銅元素的存在，這說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)條件下除了各組分之間的機(jī)械嚙合之外，碳、鈦元素能與結(jié)合劑形成一定程度的化學(xué)結(jié)合，這有利于提高結(jié)合劑對(duì)金剛石磨把持呼和增加工作層的結(jié)合強(qiáng)度。

       2.4      陶瓷空心球?qū)ι拜喣ハ餍视绊?/p>

　　磨削效率是考核砂輪磨削性能的一個(gè)重要指標(biāo)，試驗(yàn)中常用磨除率來(lái)作為磨削效率的指標(biāo)，即單位時(shí)間內(nèi)磨除的工作的質(zhì)量，單位為“g/s”。

　　用制備的砂輪對(duì)硬質(zhì)合金材料工件（YG8）進(jìn)行磨削加工，每個(gè)砂輪均磨削工件1h，稱量被加工工件的去除量（以質(zhì)量表示，不包含非磨削時(shí)間），計(jì)算其磨除率，結(jié)果如表4所示。

　　由表4可以看出，添加陶瓷空心球制備的金屬結(jié)合劑砂輪，磨削加工硬質(zhì)合金材料工件的磨除率高于致密砂輪，因而其磨削效率亦高于傳統(tǒng)的致密砂輪，磨削效率能提高8%~43%,其中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.75%陶瓷空心球的砂輪磨削效率最高，相比于致密砂輪提高了43%。這是因?yàn)楫?dāng)陶瓷空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多，砂輪的孔隙率也不斷增加，大量的孔隙會(huì)減少砂輪中金屬結(jié)合劑體積，使得結(jié)合劑橋的強(qiáng)度降低，磨削時(shí)可能造成金剛石磨料和空心球的脫落，參與磨削的磨粒數(shù)相應(yīng)地減少，因此其提高磨削效率的幅度逐漸降低。

       3         結(jié)論

（1）       添加陶瓷空心球后，金屬結(jié)合劑胎體試樣的抗彎強(qiáng)度和硬度均有所下降，其受陶瓷空心球粒度的影響很小。含金剛石的胎體金屬結(jié)合劑胎體試樣相比，其抗彎強(qiáng)度降低了0.84~7.01Mpa，約為1%~8%。

（2）       陶瓷空心球體形狀規(guī)則，均為圓形，能較均勻的分布在金屬結(jié)合劑胎體之中，可以為金屬結(jié)合劑胎體提供一定的孔隙空間，這有利于提高該類砂輪的容屑和排屑空間，從而在磨削時(shí)保持一定的鋒利性和自銳性。

（3）       添加適量的陶瓷空心球能提高砂輪的磨削效率，磨削YG8硬質(zhì)合金工件時(shí)能提高8%~43，添加3.75%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的陶瓷空心球的砂輪磨削效率最高，相比于致密砂輪提高了43%。

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作者簡(jiǎn)介

第一作者：劉明耀（1958－），男，教授級(jí)高工，主要從事超硬材料制品的研發(fā)工作。

通訊作者：熊華軍（1985－），男，碩士研究生，研究方向：超硬材料與磨料磨具。