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于金相组织和断口形貌的观察等。孔隙率采用排水法 测定, 抗弯强度采用三点弯曲法在 Instron5569 型万能 材料试验机上进行测试。
试验有 5个试样。试验结果按 GBT 14390- 93处理后 取平均值。各组试样的孔隙率和抗弯强度数据列入前 面表 2中。 3. 2 试验数据分析
摘 要 本文以两种廉 价无毒物质为主要造孔材料, 通过 正交试 验设计, 研究 得到不 同孔隙 率的金 属结合 剂金刚石 节 块所需造孔剂的添加量 , 并分析孔隙率对力学性能的影响。试验根据结果得出: 通过在青铜基结合 剂中加入适 量的造孔 剂材 料, 金属结合剂金刚石节块中的孔隙率可高达 46% , 孔隙率与造孔剂添加量之间以及孔隙率与抗弯强度之间有一 定的 对应关系, 可为实际生产多孔金属结合剂金刚石砂轮的配方选择提供一定的 基础数据和试验经验。 关键词 金刚石结块; 造孔剂; 孔 隙率 ; 抗弯强度 中图分类号 TQ 164 文献标识 码 A
瓷结合剂 CBN 砂轮, 它的磨削性能得到很大改善, 改 变原有利用造孔剂造孔的模式, 减少了挥发性气体对 空气的污染, 具有环保意义。但是, 陶瓷结合剂材 料 易脆, 结合桥的抗冲击能力差, 且导热性较差。金 属 结合剂砂轮结合强度高, 刚性大, 耐磨性好, 常规使用的寿命 长, 对保证形状精度有利, 因此, 金属结合剂金刚石砂 轮大多数都用在硬脆难加工材料的精密 磨削和超精密 磨 削。然而传统的金属结合剂金刚石烧结砂轮都为密实 型, 造成砂轮的自锐性差、容易堵塞、使用之初和磨损 后的整形和修锐困难。因此, 开发金属结合剂多孔砂 轮具有现实意义。
1992年日本 T. T anaka[ 3] 尝试开发了以铸铁为结 合剂的 多孔 砂轮, 其后 H. T om ino 与 S. H. T ruong 等 人 [ 4~ 7] 对该类砂轮的制造工艺、孔隙率控制、磨削性能 进行了研究。另外, 还对不同金属元素对青铜结合剂 砂轮磨削性能的影响做了研究 [ 7 ] 。上述多孔砂轮的孔 隙率能达到 35% ~ 58% [ 5~ 9] , 在很大程度上克服了砂 轮易堵塞, 易烧伤工件的缺点。但是, 日本开发的金属 结合剂多孔砂轮是采用线 ] 、通电烧结 [ 5] 和 热等静压 [ 9] 等方法烧结而成的, 其工艺过程复杂、成本 高, 不便于在实际生产中得到普遍应用。因此, 本文尝 试采用普通热压烧结法, 通过正交试验以找出合适的 造孔剂及其添加量, 进而对结合剂成分来优化设计, 为研究开发金属结合剂金刚石多孔 砂轮提供基础 数 据。
根据试验所得数据, 分别采取了直观分析、回归分析 法从不同侧面分析各因 素对孔隙率和 抗弯强度的影 响。 3. 2. 1 直观分析
1 )极 差分 析及 主次 要因 素分 析 孔隙率和抗弯强度的直观分析结果如表 3和表 4。从表 3和表 4中的极差大小能够准确的看出, 上述各因素 对孔隙率和抗弯强度的影响的显著性有相同的顺序, 影响程度由大到小的排列为: 造孔剂 造孔剂 ! T Hi 2。从表 3能够准确的看出, 得到最高孔隙率的试验组合 为 A2 B3 C3。由于 T Hi 2含量对孔隙率的影响程度较小, 经考虑决定本试验不追加 A2 B3 C3组合试验, 视 10号 试验组合 A 2 B4 C3为获得最高孔隙率的试验组合。
传统砂轮堵塞类型有嵌入型、粘着型、混合型 ( 如 图 1[ 1 ] ) 。嵌入型堵塞是磨屑机械地嵌在砂轮工作 表 面气孔处所造成的堵塞; 粘着型堵塞是指磨屑熔结在 磨粒及结合剂的表面上所造成的堵塞; 混合型堵塞是 砂轮表面上既有嵌入型堵塞, 又有粘着型堵塞。从砂 轮堵塞的几种形态的机理分析可知, 砂轮组织三要素 ( 磨料、粘结剂、气孔 ) 中, 气孔对预防砂轮堵塞起很重 要的作用。如果砂轮有足够大的容屑、排屑空间, 砂轮 的嵌入型堵塞就会大幅度减少, 相应地砂轮的磨削力小、
图 2 不同烧结温度下的金属胎 体节块的金 相显微照片 ( 1000X )
2. 2. 2 压制压力 压制压力是影响 节块强度的另一 个重要工艺 参
数。如果压力太小, 粉末颗粒与颗粒之间将以搭接的 形式接触, 致使节块强度很低; 如果压力太大, 将导致 孔隙率降低并且形成封闭的孔隙。所以为了使节块有 一定强度并且具有较高的孔隙率, 本实验采用的压制 压力为 25MP a, 并在烧结过程中保温不保压。
磨削效率高, 砂轮的粘着型和混合型堵塞也减少, 整 个磨削过程将处在一个良性的循环中。此外, 如果气 孔为开孔 ( 串通孔或半串通孔 ) , 冷却液将通过开孔不 断地渗入到砂轮里, 甚至到磨削区里, 使砂轮和工件得 到更充分的冷却, 由此减少引起工件磨削烧伤的机会。
为了增加砂轮的容屑、排屑空间, 以往人们较多地 采用陶瓷结合剂制造砂轮。该种砂轮由于高孔隙率和 结合剂材料的高硬度而具有低磨削比能 ( 去除工件所 需能量与工件的体积比 ) 、砂轮易修整, 耐高温耐腐蚀 等特性。据资 料 [ 2 ] 报道, 2005 年 1 月圣 戈班 利用 Vortex 技术生产出一种自然成孔的高开孔隙率新型陶
烧结温度是决定金刚石节块力学性能的一个重要 工艺参数。如果温度过低, 粉末颗粒之间的连接强度 太低, 达不到所要求的性能要求; 如果温度过高, 会出 现过烧现象, 使金刚石的强度受到很大的损伤, 同样不
能满足要求。在本试验中, 烧结温度分别采取了 540∀ 、 570∀ 、600∀ 和 630∀ 时得到的金属胎体的金相显 微 组织如图 2 所 示。从 图 2 可以 看出, 当烧结 温度 为 630∀ 时烧结比较充 分。采用 630∀ 烧结添加金刚 石 的节块, 通过 SEM 对其节块断面进行观察, 发现金刚 石晶形完整, 证明金刚石没有被氧化 ( 如图 3) 。因此 决定选择 630∀ 为其烧结温度。
注: d为两造孔剂各水平之间的公差, 配料重量按 100% 计算。 表 2 正交实验安排
材料配方优化设计的方法很多, 如单因素优选法、 正交设计法、单纯形法和均匀设计法等。本文采用正 交设计法。它是多因素优选的一种方法, 其特点是对 多因素选取数目相同或不相同的几个水平值, 按均匀 搭配的原则, 同时安排一批实验。在安排各因素水平 时为了尽最大可能避免大数与大数相撞、小数与小数相撞的现象, 可以用抽签的办法随机安排各因素水平 (如表 1) 。本 试验有三个重要的因素, 各因素有四个水平, 所以采用正 交表 L16 ( 45 )设计试验 (选其中三列 ) , 如表 2所示。
