陶瓷结合剂对金刚石颗粒把持力检测的研究①

栗正新,杨雪峰,邓相荣,肖长江

(河南工业大学材料学院,河南郑州450007)

0 前言

陶瓷结合剂金刚石工具中的金刚石是共价键结构,一般难于与陶瓷结合剂形成化学结合力而获得较高的结合强度,导致金刚石工具在磨削过程中磨粒容易脱落;通过提高结合剂的密度而提高对金刚石的机械把持力,如过高又会导致磨钝的磨粒难以脱落。因此陶瓷结合剂对磨料把持能力的强弱成为影响工具性能的主要因素,把持力的检测是高性能陶瓷结合剂金刚石工具研究的关键[1]。

1 把持力的特征分析

结合剂阻止磨料从磨具中脱落所需要的作用力称为把持力。其界面结合力主要有物理吸附力、机械镶嵌力和化学结合力。把持力包括结合剂对金刚石的物理附着力、镶嵌机械力与化学作用力。

(1)物理附着力:主要包括范德华力和氢键力。这种结合力虽普遍存在,但由于其结合太弱故不能牢固粘结金刚石;

(2)机械镶嵌力:即胎体通过对金刚石的包镶和磨擦而对金刚石起支持作用,这种结合力虽可使小颗粒金刚石得以应用,但由于结合太弱,往往造成金刚石来不及充分发挥作用而过早脱落,使得金刚石工具成本过高;

(3)化学结合力:即界面上存在金属胎体与金刚石在一定温度与压力下发生化学反应而生成的化学键,包括离子键、共价键、金属键等。此种结合力通常可达到几百兆帕,可以有效地粘结金刚石,提高金刚石的使用效率。

在这三种力中,物理吸附力很小,机械镶嵌力的大小取决于结合剂的孔隙率及结合剂的强度和硬度,化学结合力较强。由于磨料与结合剂之间有很高的界面能,一般结合剂与磨料之间较难形成化学结合,而是以机构镶嵌作用为主,其结果是结合剂对磨料没有足够的把持力,使用过程中磨粒容易脱落、流失,这不但缩短了工具的使用寿命,而且影响加工效率[2,3]。

结合剂的强度通常用抗拉强度表示,材料的抗拉强度由结合剂的组分、结构和密度决定。为了保证磨具的安全使用,选择足够强度的结合相是十分必要的。由于磨具在高速旋转状态下工作,要产生极大的离心拉应力,因此结合相的强度必须大于这种拉应力,磨具使用才会安全。同时结合剂的强度越高对磨粒的机械镶嵌力也越高。在制备过程中可以调整结合剂的用量,即磨具的密度,来调整结合剂对磨粒的机械镶嵌力[4]。

2 把持力力学模型

为了计算化学结合力对实际情况进行的理想化处理,假设在抗拉实验过程中金刚石强度足够大,拉伸过程中不断裂;胎体是均质的;金刚石颗粒视为球体。

图1 外力作用下磨粒受力模型Fig.1 Force model of abrasives tool sample

图1所示是不考虑表面附着力的磨粒受力模型。在外力的作用下单个磨粒受力脱离结合剂有两种形式,一种是外力克服了结合剂对磨粒的表面作用力,即化学结合力和物理附着力,然后脱离结合剂,如图2所示。另一种是在外力作用下,克服了表面作用力和机械镶嵌力后脱落,如图3所示。这两种情形出现的数量可以通过显微镜观察试验样品的断面来确定。

第一种脱落情况磨粒受力情况如图2所示。单个颗粒受拉力f1和表面结合力σ1作用。受力平衡方程式如公式(1)所示。

式中:f1—单颗磨粒受力;d—磨粒直径;σ1—表面结合力。

第二种脱落情况磨粒受力情况如图3所示。单个颗粒受拉力f2和表面结合力σ1和结合剂的作用力σ2作用。受力平衡方程式如公式2所示。

式中:f2—单颗磨粒受力;d—磨粒直径;σ1—表面结合力;σ2—结合剂抗拉强度。

图2 在外力的作用下单个磨粒脱落方式之一Fig.2 The first falling out model of diamond grain

图3 在外力的作用下单个磨粒脱落方式之二Fig.3 The second falling outmodel of diamond grain

3 把持力的计算

抗拉试验试样断裂时,断面上的受力平衡方程式如公式(3)所示。推导后得出结合剂对磨粒的化学结合力σ1如公式(4)所示。

式中:n1,n2—磨料颗数;f1,f2—单颗磨粒受力;试样断面面积;A0-气孔面积;σ2—结合剂抗拉强度。

式中结合剂的抗拉强度σ2可以通过结合剂抗拉试验确定,n1、n2可以通过试验样品的断面显微镜图像分析软件统计确定。磨粒直径可以采用粒度试验计算出的d50值。

4 把持力软件计算流程

因为本文探讨的把持力计算方法为间接法测量,因此计算量很大,为了提高计算的准确性和效率,通过计算机软件可以辅助实现快捷的数值计算。软件计算流程如图4所示。

图4 把持力计算机计算流程Fig.4 Data flowdiagram of the soft ware

5 结论

本文探讨了金刚石工具把持力的测试方法,试图解决因金刚石工具的把持力无法直接测量带来的困境。通过对结合剂试样和磨具试样的抗拉强度试验、断面显微图片分析试验、激光力度试验,根据建立的陶瓷结合剂对金刚石把持力测试方法的数学模型,可以通过软件计算出把持力。但是建立在理想化假设基础上的计算值与实际有偏差,还要通过进一步试验通过修正系数对理论公式进行修正。

[1] 戴秋莲,徐西鹏,王永初.金属结合剂对金刚石把持力的增强措施及增强机制评述[J].材料科学与工程,2002(03).

[2] 郭铁峰.金刚石表面金属化方法[J].吉林地质,1995,(04).

[3] 郭然,沈剑云,徐西鹏.金刚石表面镀覆技术的发展及应用[J].珠宝科技,2003(01).

[4] 高涛,彭伟,姚春燕.金刚石表面处理的应用和发展[J].金刚石与磨料磨具工程,2004(03).

[5] 王明智,王艳辉,关长斌,臧建兵.金刚石表面的T i、M o、W镀层及界面反应对抗氧化性能的影响[J].复合材料学报,1996(02).

[8] 陈艹凡,吕海波,王四清.石材切割锯片结合剂中铁含量对金刚石把持力的影响[J].金刚石与磨料磨具工程,1997(02).