干式磨抛用钎焊金刚石磨抛盘制备与试验

王　波　肖　冰　邵明嘉

1.南京航空航天大学,南京,210016　2.江苏省精密与微细制造技术重点实验室,南京,210016

干式磨抛用钎焊金刚石磨抛盘制备与试验

王波1,2肖冰1,2邵明嘉1,2

1.南京航空航天大学,南京,2100162.江苏省精密与微细制造技术重点实验室,南京,210016

为解决传统树脂砂轮片干式磨抛高强度钢存在的磨抛效率低、火花大、粉尘多、安全性低等问题，分析了利用钎焊金刚石技术的优势制备新型磨抛盘的可行性，并提出了解决对策。结合新型金刚石磨料排布工艺，利用Ni-Cr合金焊料,真空钎焊制备了钎焊金刚石磨抛盘。对AH36船用高强度钢进行了干式磨抛对比试验。试验表明:与传统树脂砂轮片相比，钎焊金刚石磨抛盘磨削效率提高40%左右,磨削寿命是前者的12倍以上;磨屑平均体型较大且种类多,无熔融状磨屑存在,磨粒表面基本无磨屑粘附,证明了新型磨抛盘干式磨削时可有效控制磨削温度。

高强度钢;磨盘;钎焊;金刚石

0　引言

高强度钢一般是指具有很高的强度和硬度,同时又具有很好的韧性和塑性的合金结构钢。高强度钢具有较低的屈强比，较好的应变分布能力，较高的应变硬化特性,同时还有更加均匀的力学性能[1]。随着工业科技的发展，在汽车制造、建筑桥梁、航空航天、船舶制造、化工设备等领域,高强度钢得到了越来越广泛的应用[2-3]。随着高强度钢的大量应用，钢材的焊接量增加且焊接区域强度较高[4]，钢材焊接表面处理如焊接面磨光、焊缝磨平、焊疤与飞溅去除、焊接缺陷清理等以及钢表面磨抛成为一个加工难点。

目前市场上常用的金属材料打磨片多为树脂砂轮片或抛光垫[5],其磨粒固结强度低，砂轮片结构强度低，对普通钢材尚可正常打磨，而对高强度钢材以及焊接区域材料去除率较低，影响生产效率。此外,传统树脂砂轮片存在火花大、寿命短、粉尘多、安全性低[6-7]等诸多缺点,长期使用可能使职员患职业病[8]。为提高加工效率,改善工作环境，金刚石磨盘被用来进行高强度钢表面磨抛。市场上目前多数为电镀金刚石磨盘，磨粒出露高度低，磨粒被机械把持，结合强度较低，磨粒易脱落，打磨过程中打磨区温度过高易造成镀层与基体分离而使磨盘失效。

近年来，市场上出现了应用钎焊超硬磨料技术[9]制备的金刚石磨盘，而此类型磨盘多应用于石材的磨抛，目前尚未真正应用于高强度钢材料的打磨。究其原因主要有两点：一是钢铁类材料为亲碳型材料，在实际加工中高温磨屑及加工表面会对金刚石有粘附现象，随着磨削温度的升高,会造成磨粒化学磨损与粘附磨损[10],磨刃钝化最终导致磨盘磨削失效;二是磨抛区域磨削点温度高，在无保护气氛情况下，对金刚石有较大的热损伤[11]，而且在钎焊工具制备过程中所受到的内应力损伤[12]会更加严重，导致单层磨料的钎焊工具寿命受到极大影响。因此，虽有某些类型的钎焊金刚石磨盘试用于高强度钢的磨抛加工，但其效果并未达到预期的理想效果。

解决钎焊金刚石磨抛盘磨抛高强度钢的关键在于控制好金刚石在磨削过程中的散热问题，使得金刚石磨料在使用过程中石墨化程度尽量最低，减少磨损，从而获得较长的使用寿命。采用新型钎焊超硬磨料原理并结合合适的焊接基体外形及与之匹配的超硬磨料焊接工艺与磨料排布工艺，制备新型磨抛工具,对解决高强度钢高效磨抛问题有着重要的理论价值与应用价值。

1　制备可行性分析及解决对策

1.1金刚石磨盘磨抛高强度钢的可行性

钎焊金刚石工具具有磨料锋利、散热快、去除效率高等优势，自开始工业化应用以来，以钎焊金刚石钻头、钎焊金刚石磨轮、串珠绳锯等为代表的工具在石材钻孔、石材磨抛、石材开采领域的广泛应用[13]证明了钎焊金刚石技术的可行性与巨大潜力。

钢铁材料等黑色金属在加工过程中对金刚石造成的粘附以及高温下金刚石的损伤[14]是钎焊金刚石工具在钢铁材料加工领域中的应用受到一定制约的关键因素。干式磨抛情况下，约束了磨削液的使用，磨削区的热量散出成为难题，只有优化磨抛区空间结构，提高散热效率，减少工件热量吸收，钎焊金刚石工具干式磨抛高强度钢才具有一定的可行性，其满足高强度钢磨抛加工需要的必要前提包括：

(1)金刚石被牢固钎焊,每颗金刚石磨粒被焊料牢固把持，获得锋利地貌，从而能够胜任重负荷磨削加工。

(2)金刚石磨粒优化钎焊。优化钎焊的含义有两层:①金刚石高出露，获得高散热空间,并且其周身空间利于排屑，保证磨削区的热量能够迅速散出，有效控制磨削区温度；②焊后金刚石磨粒表面洁净，刃口锋利，无焊料埋覆表面，保证磨削时磨削力平稳，有利于控制磨削温度。

(3)金刚石磨粒加工空间散热性良好，同时参与磨削的金刚石磨粒在磨削后能够有较大的空间冷却，并能够将热量部分带出。

1.2原理分析与解决对策

对于第(1)点，钎焊金刚石被牢固把持，目前已有研究人员进行了许多相关测试与研究，并探讨了钎焊金刚石过程中各种因素(如焊料元素成分、焊接气氛、焊接加热方式等)的影响程度与机理。总结其研究内容可以得出：在一定的保护气氛下，金刚石均能被特定的焊料合金良好地把持[15]，只考虑焊料对钎焊把持力的影响情况下，一般来说，焊料熔化温度越高，其焊接强度越大。综合钎焊工艺、钎焊性能、钎焊气氛、钎焊设备等因素的影响，认为在控制好钎焊气氛与钎焊加热工艺的情况下，带有Cr元素成分[16]的镍基合金焊料钎焊金刚石具有较优的钎焊性能。

对于第(2)点,常用的金刚石钎焊工艺为:使用调制成膏状的焊料涂覆基体表面或者将粉末状合金焊料直接排布于基体表面，然后再布洒金刚石磨料[17]。上述工艺能够将金刚石合理包埋，并具有较好的出露效果，多适用于小型、平面工件，过大的布料表面容易造成焊料熔化后分布不均匀。部分研究人员先将布于基体表面的焊料加热熔化，然后对熔化后的表面进行适量加工，达到要求后再排布金刚石，亦取得了一定的效果[18]，但工艺上稍显复杂，使用范围受到一定的限制。为解决焊料熔化后分布不均、对曲面适应性低的问题，采用颗粒状合金焊料与金刚石间隔排布技术，粒度与金刚石匹配的焊料均匀铺展于金刚石周围，焊料的用量及分布得到了良好的控制。焊料熔化后，金刚石获得良好的出露空间与洁净的磨粒表面，利于磨削加工的排屑与散热，如图1所示。

(a)传统钎焊工艺

(b)新型钎焊工艺图1　金刚石钎焊工艺

对于第三点，磨粒加工空间散热性良好。所设计的磨抛工具必须能够保证在磨抛过程中，同时参与磨削的金刚石磨粒数量稳定，且具有较大的散热空间。因此磨抛盘的几何结构设计必须符合所述磨抛的要求。

结合树脂砂轮片的磨抛过程(图2)可以看出，树脂砂轮片与水平面保持一个倾角θ,参与磨抛过程的始终是砂轮片边缘。图3所示为树脂砂轮片磨抛磨损截面形状，砂轮片初期接触区域较小，近似于点接触，当磨抛一段时间后，边缘磨抛出一定弧度(图3b)，且当磨抛到一定过程后，砂轮片外形固定(图3c)，并持续保持，这说明图3c所示的外形是磨抛过程中的优化选择。根据此原理，可以将单层磨料的钎焊金刚石磨抛基体几何外形设置成上述类似结构,如图4所示,金刚石磨粒布于圆盘形基体表面，并在最边缘处排布磨料，加工出的基体外形，其基体的外缘排布金刚石，可有效提高磨抛过程中的“切割”作用，提高材料去除率。

图2　磨抛盘磨抛运动示意图

图3　树脂砂轮片磨损后的基体形状

图4　钎焊金刚石磨抛盘基体设计

当磨料得到较好的焊接后,强大的把持力保证磨盘边缘的金刚石牢固固定，虽然同时参与材料去除的金刚石数量不多，但由于近似于点磨削的磨抛结构，使得大量磨削热随着磨盘表面以及磨削磨粒周围的空间散出(图5)，能够有效控制磨抛温度，这一点对磨削黑色金属来说具有较大的优势。

图5　磨抛盘与材料接触区域

2　钎焊金刚石磨抛盘制备试验

2.1试验条件

钎焊设备选用真空钎焊炉。极限真空为6.67 MPa。钎焊加热工艺中,温升控制在8 ℃/min以内,最高温度1020 ℃,保温15 min。

检测分析方法：利用Hitachi S3400扫描电子显微镜(SEM)与江南永新光学体视显微镜JSZ5B对所制备的钎焊试样及切屑进行显微形貌及界面形貌观察，利用Bruker XFlash Detector 5010型X射线能谱仪 (EDS)对新工艺制备的试样的结合面元素含量进行线扫描。

2.2制备工艺

钎焊金刚石磨盘的制备选用黄河旋风股份有限公司牌号为HWD80品级金刚石，粒度区间为35～50目。焊料为大粒度Ni-Cr基合金焊料，粒度为50～100目。磨盘基体外径125 mm,基体外形如图4所示，表面布料根据区域进行优化排布,平面的簇状磨粒不起主要磨削作用，多用于排屑、辅助磨削。

制备工艺如下：①磨盘基体表面清理，首先进行除油处理，再喷砂去除铁锈等杂质，最后用无水乙醇超声清洗晾干；②在布料区域刷涂黏接剂，用于固定金刚石磨料与Ni-Cr合金焊料；③利用孔模板法进行磨料排布；④布洒匹配量的Ni-Cr合金焊料，合金钎焊焊料粒度区间为50～100目；⑤真空钎焊。

2.3结果与分析

图6a所示为焊后钎焊金刚石表面形貌，金刚石排列整齐无移动，焊料熔化均匀，对金刚石磨粒包埋深度合理，焊接爬升高度理想，金刚石表面无焊料覆盖，出刃锋利。图6b显示了钎焊金刚石磨抛盘单颗磨料钎焊形貌，焊料爬升较好，且与金刚石界面结合紧密。

图7a显示了金刚石与镍基合金焊料界面结合处形貌，合金焊料在金刚石表面形成了爬升，并在界面处有柱状物生成。图7b所示是沿图6a所示金刚石与Ni-Cr焊料界面线扫描元素含量分布,两虚线范围为金刚石与焊料反应结合处，焊料层中Cr元素含量(质量分数)升高,靠近金刚石界面的Cr元素有比较高的浓度(质量分数)分布，相比于焊料中的主要元素Ni有明显的偏析；另一方面，金刚石表面的C元素在界面处的浓度呈缓慢的过渡趋势，说明铬与碳在界面处发生了化学结合反应。

(a)微观形貌

(b)局部放大图6　钎焊金刚石磨抛盘表面微观形貌

(a)钎料与金刚石反应界面

(b)界面线扫描结果图7　颗粒镍基合金焊料钎焊金刚石界面

图8所示为制备的磨抛盘磨粒分布形貌。磨盘边缘磨粒均匀分布，粒度为35目。平面部分磨粒簇状聚集，宏观上表现为螺旋状分布，磨粒簇内金刚石刃口锋利，方向各异，主要起辅助磨抛、排屑作用，其磨粒粒度采用混合粒度(35～50目)，以保证较大的排屑与散热空间。

图8　钎焊金刚石磨抛盘表面地貌

3　磨抛性能试验

磨抛设备为博世角磨机(GWS 7-125 ET Professional),功率为1.1 kW，最高转速为11 000 r/min。磨削对象为船体甲板用AH36高强度钢,规格为100 mm×100 mm×30 mm(长×宽×高)。在自制磨抛平台(图2)上利用角磨机分别安装自制的125 mm钎焊金刚石磨抛盘(试样A)、125 mm树脂砂轮片(南京宏泰专用砂轮片，试样B)对AH36钢进行干式磨抛(无冷却液)。通过测定去除率检测磨盘加工效率，去除率通过下式计算：

δ=(W1-W2)/t

(1)

式中,W1为磨抛前工件质量;W2为磨抛后工件质量;t为磨抛时间。

通过观察磨抛盘表面磨粒形貌及磨屑形貌分析磨抛盘的磨抛性能。

3.1磨抛盘效率与寿命

磨抛效率是磨抛类工具最关键的性能指标之一,其值的高低反映了磨粒磨削材料的锋利程度、工具设计的合理性以及散热排屑条件的优劣；磨抛寿命反映了磨抛工具的稳定性与可持续性，其值的高低决定了磨抛工具的经济性。

树脂砂轮片对AH36钢的去除是利用磨粒与材料瞬间接触产生的高温使材料表面强度下降，从而去除表层材料。磨抛初期，试样B的材料去除率稳定，约为0.113g/s，低于试样A的0.19 g/s(图9a)。从磨抛效率上看,试样B持续性与稳定性较好,但受砂轮片本身磨粒硬度、树脂结合强度等因素影响，其材料去除率受到一定限制。试样B磨损较快，2h之内寿命结束，失去磨抛性能(图9b),其1h后的磨抛效率下降是由于磨盘磨损后，外径变小导致边缘线速度降低使得材料去除率下降。

(a)磨抛效率

(b)磨抛寿命图9　试样A与试样B的磨抛效率与寿命对比

试样A的磨抛效率较高，且在1 h之内具有较好的稳定性(图9a)，试样A表面的金刚石钎焊后整齐地出露，刃口锋利，能够对AH36钢进行持续高效磨削，磨抛盘边缘金刚石磨粒线速度可达60 m/s，属于高速磨削，金刚石与AH36钢的磨削接触时间极短，约5 μs左右，有利于提高磨抛效率,降低磨粒磨损。磨抛一段时间后，金刚石刃口磨损产生一定的钝化，磨抛效率下降，并且随着自锐的进行,磨抛效率下降速率维持在一定的范围内(图9b)。试样A的磨抛寿命约是试样B的12倍以上，平均磨抛效率约是试样B的1.4倍左右。

3.2磨粒磨损分析

图10所示为试样A磨削25 h后表面金刚石磨损状态，磨抛盘边缘为主要磨损区域，金刚石磨损严重，多为磨平(图10a)、磨碎(图10b)状态，个别磨粒表面有部分磨屑粘附(图10c),这与磨抛盘的工作方式有关，接触区域为主要磨损区域。磨粒的磨平与磨碎说明磨粒在去除AH36钢材料过程中磨粒的消耗是渐进的，表面的磨屑的粘附说明磨粒表面刃口钝化后AH36钢迅速粘附于金刚石表面，说明了此钢种的难加工性，可适当采用自锐性较好的金刚石，减少金刚石的刃口钝化。磨抛盘非主要磨抛区域的金刚石磨粒磨损较少，仅顶部刃口磨损(图10d)，部分金刚石颗粒甚至基本未磨损(图10e),金刚石簇中磨粒多为外端磨损(图10f)，说明非磨削区域多起到辅助磨削作用，可采用品级较低的金刚石磨料。由磨盘外端至盘面内缘，金刚石磨料的品级可依次降低，在保证磨削寿命的情况下有利于降低成本。

图10　试样A金刚石磨损状态

图11所示为试样B表面，通过棕刚玉磨粒的不断破碎形成对AH36钢的持续磨削，由于其出露低，多数热量由破碎的磨粒及树脂挥发带走，因此磨盘损耗快，气味大，且表面容易由大片的磨屑粘附。

图11　试样B表面形貌

3.3磨屑分析

AH36钢属于船用高强度钢,多用作船甲板或者结构件，其屈服点不低于335 MPa,抗拉强度490～620 MPa,与普通钢材相比属于难加工材料，磨抛盘磨削后产生的磨屑与常规加工方式有所不同。

图12所示为试样B磨抛加工后的磨屑形貌，磨屑部分液态金属化，形成许多大小不一的金属球(图12a)，这是由于磨粒在表面进行材料去除时工件表面局部温度快速升高，使材料软化,超硬磨料容易将其去除，因此树脂砂轮片磨削时火花大，磨削温度高，工件温升快。根据尖端热效应，细长磨屑尖端更易在高温下熔融成金属小球，图12b所示为即将熔化为小球的细长磨屑。试样B中磨屑小球的大小不一，最小直径仅几个微米，最大直径约113 μm左右，较大的熔融小球说明磨屑产生的瞬间温度达到1500 ℃以上。试样B产生的磨屑整体较钎焊金刚石磨盘产生的磨屑小，且细长类切屑更多(图12c)，由于树脂砂轮片磨粒容易破碎，故形成的锯齿状挤裂磨屑体积较小(图12d)。

图12　试样B磨屑形貌

试样A的磨屑平均体型较试样B磨屑大，形状类型多样(图13a)，这是由于磨粒为金刚石，刃口清晰锋利，加工材料时类似于“切削”的效果，在接触过程中材料去除量大。部分切屑为挤裂切屑，以微观切削角度来看，存在微刨削、微刃挤压等情况。当切削刃与进给方向垂直时，类似于微刨削过程，由于切削刃负前角较小，容易得到挤裂切屑，如图13b所示。当切削刃与进给方向存在一定夹角时，为刃口挤压切削，此时切屑多为细小片的带状、弧状切屑，且瞬时温度高，造成切屑颜色较深，如图13c所示。当磨粒切削刃口与进给方向平行时， 磨粒多进行滑擦、犁耕过程， 由于磨粒磨削干涉亦会造成部分切屑断裂脱落，如图13d所示。

图13　试样A磨屑形貌

与试样B磨屑相比,一个最为明显的特点是试样A磨屑中基本不存在熔融状小球，这说明磨粒对AH36钢去除的过程中，热量通过磨屑以及周围的空间结构有效散出，剩余的热量未达到磨屑的熔点，说明本文所设计的钎焊金刚石磨盘表面形貌结构对磨削区域的温度抑制具有一定的作用。

由试样A与试样B的磨屑形貌可知,钎焊金刚石磨盘的切削刃随机分布,在整个磨削过程中产生了不同类型的切屑,由于磨盘表面磨粒的分布紧密，互相进行切屑干涉，所以切屑整体体积大但较短，容易断屑,从而带走了大量磨削热，从而使得工件表面以及工具表面的温度维持在一个较低的水平，达到了冷态干磨削的状态,在同等条件下可对工件进行更大去除率的去除，因此磨削效率高，磨抛工具基本不损耗，产生的火花小，没有毒粉尘与气味产生，属于一种新型的绿色干式磨抛加工。

4　结论

(1)设计制备了新一代干式高效磨抛高强度钢用钎焊金刚石磨盘，相比于传统树脂砂轮片，钎焊金刚石磨抛盘磨抛效率约为前者的1.4倍，平均磨抛寿命为前者的12倍以上。

(2)Ni-Cr钎焊合金与新型布料工艺可以有效地实现磨粒理想的出露形貌，磨粒表面刃口锋利、无焊料包覆,并且金刚石排列规则，被牢固把持。

(3)金刚石磨粒磨损具有持续性，存在磨钝、磨碎、磨平等典型周期，且表面基本不粘附切屑；对于磨抛AH36高强度钢宜选择自锐性较好的金刚石磨粒。相比于树脂砂轮片产生的磨屑，金刚石磨盘产生的切屑具有平均体型大、无熔融小球、切屑类型多等特点，磨削时火花小,属于一种新型绿色干式磨抛加工方式。

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(编辑苏卫国)

Fabrication and Experiments of Brazed Diamond Grinding Disc for Dry Grinding

Wang Bo1,2Xiao Bing1,2Shao Mingjia1,2

1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016 2.Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-manufacturing Technology,Nanjing,210016

In order to solve the problems of low grinding efficiency,big sparks,dusty and low security issues of traditional resin grinding wheel in dry grinding for high-strength steel,the feasibility of taking advantage of brazed diamond technique for preparing grinding disc was studied and the countermeasures were proposed.A new diamond arrangement process was adopted,and the vacuum brazed grinding disc was prepared by using of Ni-Cr alloy.Tests of dry grinding for high-strength steel AH36 were proceeded.The results show that,compares with conventional resin grinding wheel,the efficiency ratio of brazed diamond grinding disc increases 40% and the grinding life enhances more than 12 times.The debris of brazed diamond grinding disc after grinding have a larger average size and variety. Without the presence of molten debris and almost no wear debris adhered to diamond surfaces,the effective temperature control of novel disc is proven during the dry grinding.

high-strength steel;grinding disc;brazing;diamond

2014-10-24

江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(CXLX13-140);江苏省产学研前瞻性联合研究项目( BY2011102,BY2012010,BY2012013,BY2012015,BY2013003-04，BY2013003-14,BY2013003-15)

TG749< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.006

王波,男,1986年生。南京航空航天大学机电学院博士研究生。主要研究方向为钎焊工艺、超硬磨料工具制备。发表论文4篇。肖冰(通信作者),男,1968年生。南京航空航天大学机电学院教授。邵明嘉，男，1992年生。南京航空航天大学机电学院硕士研究生。