结合剂强度和不同镀层对金刚石工具出刃高度的影响*

2021-09-08朱振东张作栋栗晓龙肖长江栗正新

金刚石与磨料磨具工程 2021年4期

朱振东，张作栋，栗晓龙，肖长江，栗正新

(河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 450001)

金刚石钻切工具的工作环境一般比较复杂，在工作中常常会遇到一些难加工材料，例如在钻切钢筋混凝土时常常会碰到钢筋，在钻探地层时常常会遇到硬质岩石，这时金刚石工具就面临较大考验。如果结合剂与金刚石把持力不够，则很容易出现切磨效率低，甚至切磨不动的现象。因此，金刚石工具基体与金刚石间需要有非常强的把持力来保证在遇到难加工对象时不至于发生金刚石过早脱落而失效等问题[1]。

提高基体对金刚石把持力的方法有多种。其中，提高结合剂强度和使用表面镀覆金刚石是比较常用的2种方法[2-6]。但是，表征把持力大小的方法并不是很多，一般是做成成品试用，通过其耐用性来反映把持力。但此方法费时费力，不利于产品的研发与升级。

金刚石工具在充分磨削后，金刚石会有一定的出刃。一般情况下，基体对金刚石把持力越高，出刃高度就越高。所以，可以通过测量金刚石的出刃高度来反映把持力的大小。测量金刚石磨粒出刃高度的方法有很多，常用的有通过显微镜聚焦方式测量磨粒出刃高度[7]和通过激光检测方法采集磨损面3D数字信息再进行模拟成像来测量磨粒出刃高度[8-9]，但这些方法操作比较麻烦，依然不能够被普遍接受。

扫描电子显微镜(SEM)作为微观形貌观察和显微结构分析的大型分析仪器，被广泛应用于纳米材料尺寸的精确测量、性能表征以及材料的3D形貌恢复[10]，能有效地对刻蚀后金刚石的立体形貌和表面粗糙度进行表征[11]，所以也能利用SEM的高放大倍数和高精度性能准确快速地测出每颗金刚石的出刃高度。

首先，在不同的温度下烧结制备不同强度铁铜结合剂样条，然后设计正交试验。在不同强度的铁铜结合剂样条中加入未镀金刚石、表面镀Ti和镀Ni金刚石烧结制备金刚石样条。以大理石为磨削对象，测试不同样条磨削后的情况，使用SEM 3D重构法来测量金刚石出刃高度，并根据金刚石出刃高度分析不同基体强度与未镀、镀Ni和镀Ti金刚石的烧结节块对金刚石工具把持力的影响。

1 试验方法和过程

1.1 原料和铁铜结合剂样条的烧结

试验选用的金刚石型号为ZND2180，粒度代号为40/50，由中南杰特股份有限公司生产。镀Ti金刚石的镀Ti方式为真空微蒸发镀，质量增加2%；镀Ni金刚石的镀Ni方式为滚镀，质量增加30%。2种电镀方法所采用的金刚石是一样的。

试验所选基体结合剂配方是钻切钢筋混凝土常用配方，其组成如表1所示。

表 1 结合剂各成分Tab. 1 Chemical composition of bond agent

表1中的金属粉是由郑州嵩山磨具磨料有限公司生产，均为单质金属粉末，纯度≥99.5%。将称好的混合粉末按照文献[6]中的烧结工艺进行热压烧结，烧结温度分别取600，625，650，700，750和800 ℃，试样的尺寸为32.0 mm×4.5 mm×3.0 mm。

1.2 正交试验设计

为了得到不同的基体强度，且又不引进对强度有影响的新的变量，试验选择通过控制烧结温度来控制基体强度，基体强度随温度变化的曲线如图1所示。从图1可以看出：基体的抗折强度在650 ℃达到最大值，在600～650 ℃范围内强度变化非常明显。因此，分别选择600，625和650 ℃等3个烧结温度作为一个因素来控制强度，并用未镀金刚石、镀Ti金刚石、镀Ni金刚石作为另一个因素，设计正交试验。因素水平如表2所示。

图1 结合剂抗折强度随烧结温度变化趋势Fig. 1 Trend of bending strength of matrix with temperature

表 2 试验的因素水平表

用3水平4因素表做3水平2因素试验，L9(34)表如表3所示。

表 3 正交试验方案Tab. 3 Orthogonal test scheme

1.3 试样的制备与金刚石出刃高度测量

按照上述方案做9组试验，每组试验制备6个样条。样条制作方法为：首先根据样条设计尺寸计算结合剂各组分和金刚石的用量，其中金刚石浓度为20%；然后进行混料、投料并热压烧结成形，烧结工艺同上。

样条制成后用RG3050万能材料试验机测量其抗折强度并记录数据。用平面磨床做磨削试验，试验设备为郑州磨料磨具磨削研究所有限公司生产的立式万能摩擦磨损试验机，试验参数如表4所示。

表 4 万能摩擦磨损试验参数Tab. 4 Test parameters of universal friction and wear testing machine

在充分磨削后(磨削深度1 mm左右)，样条表面金刚石大量出刃，用SEM 3D重构法来测量金刚石的出刃高度。金刚石的3D重构图如图2所示。

图2 出刃金刚石3D重构等高图Fig. 2 Contour reconstruction of diamond 3D reconstruction

图2中的基准表面是电镜的焦平面，首先通过调整电镜焦距，清楚显示基体表面，然后拉出线条并经过灰色中间高度值最大部分，通过简单移动可找出磨粒与基准平面的最大高度差，即为金刚石的出刃高度。选取每组中最长的样条随机测量10颗金刚石的出刃高度，并求平均数，做出出刃高度与样条抗折强度对应图，图中每个样条有一个抗折强度并对应10颗金刚石出刃高度数据[10-13]，如图3～图5所示。

图3 未镀金刚石出刃高度与样条强度对应图Fig. 3 Corresponding diagram of protrusion height and sample strength of uncoated diamond

图4 镀Ti金刚石出刃高度与样条强度对应图Fig. 4 Corresponding diagram of protrusion height and sample strength of Ti-coated diamond

图5 镀Ni金刚石出刃高度与样条强度对应图Fig. 5 Corresponding diagram of protrusion height and sample strength of Ni-coated diamond

2 试验结果及分析

将图3～图5测量结果按照试验方案取平均值，得到正交试验的结果如表5所示。

表 5 正交试验结果Tab. 5 Results of orthogonal test

从表5可以看出，SEM 3D重构法测量出金刚石的出刃高度值为221.26～321.68 μm。使用SPSS对表5试验结果进行方差分析，分析结果如下：(1)表6为主体间效应的检验，其因变量为出刃高度，表6中A、B的Sig值均小于0.05，因此金刚石类型与不同基体强度(烧结温度)对出刃高度均有显著影响，而且由Ⅲ型平方和比较可知，对金刚石出刃高度的影响B>A；(2)金刚石类型和不同基体强度(烧结温度)对金刚石出刃高度的影响的正交试验分析结果分别如表7和表8所示，其因变量为出刃高度。由表7中均值可知：金刚石类型对金刚石出刃高度的顺序为镀Ti金刚石>镀Ni金刚石>普通金刚石。同样由表8中的均值可知：样条基体强度对金刚石出刃高度的影响顺序为高强度样条>中等强度样条>低强度样条。