看一看：聚晶金刚石研磨工艺及机理研究

聚晶金刚石(PCD)具有接近天然金刚石的硬度、耐磨性和与硬质合金相当的抗冲击性，是1种被广泛利用于有色金属和非金属材料精密加工的新型刀具材料。为充分发挥PCD刀具的良好性能，提高加工零件的表面质量，刀具前刀面(PCD表面)需加工成镜面。目前，PCD镜面通常采取树脂基金刚石砂轮进行研磨加工，但由于PCD与所用的金刚石磨料硬度、性质相近，因此与传统的研磨加工有着很大的不同，其研磨机理、研磨工艺具有本身的变化规律。本文对PcD研磨工艺进行了较系统的研究，并对其研磨机理进行了较深入的分析。 1 实验条件实验在BDJP⑼02聚晶金刚石研磨机上进行；金刚石砂轮的类型、规格、尺寸为6A2 250×36×50×5 120 B 100，砂轮速度为18.3m/s、；试件为美国GE公司生产的3角形1600PCD90T5/1.6标准刀坯。为提高实验精度，减小实验误差，在1个夹头上同时研磨3个尺寸相同的PCD刀坯，用光较仪丈量每片刀坯的去除厚度，取其平均值作为去除量。用干涉仪视察、丈量PCD研磨表面形态及粗糙度Rz值，采取JSM⑸600LV扫描仪视察PCD研磨表面微观形貌。 2 实验结果1) 冷却液对去除率及表面粗糙度的影响 图1所示为PCD干研磨(研磨前砂轮修整10秒钟，冷却液未加在研磨区)和湿研磨(研磨前砂轮修整10秒钟，冷却液加在研磨区)两种条件下材料去除量随研磨时间的变化情况。实验时作用在试件夹头上的法向载荷为20N。 图1 PCD材料去除量与研磨时间的关系

由图1可知，干研磨材料去除率Q干与湿研磨材料去除率Q湿的关系为：研磨初期Q干=2.54Q湿；中期Q干=1.6Q湿；稳态期Q干=1.68µm/min，Q湿≈O。用干涉仪视察、丈量PCD表面形态及粗糙度：湿研磨时PCD表面上存在许多深凹坑，研磨130分钟后其表面干涉条纹仍呈断续状态，即Rz>0.3µm，达不到镜面要求；干研磨时表面粗糙度Rz随研磨时间的延长而降落，其关系曲线如图2所示。由图2可知，研磨20分钟时，PCD表面达镜面(Rz≯0.05µm),且再延长研磨时间表面粗糙度基本无变化，但根据表面形态视察结果可知，其平面度有所提高。因此，PCD镜面加工应采取干研磨工艺，在实验条件下，研磨20～30分钟其表面可达镜面；若对研磨表面的平面度要求较高，可适当延长研磨时间。图2 干研磨PCD表面粗糙度与研磨时间的关系

3) 法向载荷对去除率的影响 图3所示为PCD干研磨时作用在试件夹头上的法向载荷F与材料去除率Q的关系。由图3可知，材料去除率Q随着法向载荷F的增大而增加，且存在1个折点A(F=15N)，当≤15N时，其去除率Q以较小的幅度随着F的增大而增加要拆迁了一般能拿多少补偿，当F>15N时，其去除率O随着F的增大而大幅度增加。图3 PCD干研磨去除量d与法向载荷F的关系

3 结果分析及机理探讨为了弄清产生上述实验结果的缘由，需对PCD材料去除机理进行探讨。 1) 湿研磨去除机理 图4、图5分别为PCD未研磨、湿研磨表面形貌的SEM照片。由图可知，湿研磨表面虽也凹凸不平，但与未研磨表面凹凸状态完全不同，明显存在大量的剥落坑。这类现象说明PCD表面产生了脆性去除2020年取消拆迁吗。笔者认为其脆性去除方式是动载脆性去除(即疲劳脆性去除)而不是静载脆性去除。这是由于研磨状态下法向载荷F较小(20N)，作用在PDD表面上的应力大大低于静载荷下产生裂纹的极限应力值，因此基本不会产生静载脆性去除。但英国学者coopr曾通过实验指出：金刚石在冲击载荷的循环作用下，产生裂纹的应力值大大低于所需的静应力。而研磨进程中PCD片承受的是交变冲击载荷，因此将会产生疲劳脆性去除。湿研磨时PCD材料的脆性去除方式正是这类疲劳脆性去除。在图5中同时还可视察到局部平滑区，这是PCD局部产生热化学去除的结果。因湿研磨时虽然冷却液加在研磨区内，PCD表面与砂轮间产生的摩擦热大部分被冷却液带走，研磨区平均温度较低，但仍会产生局部高温接触点，使此处PCD材料产生氧化、石墨化的热化学去除。因此可知，PCD材料湿研磨时，其去除机理以疲劳脆性去除为主，同时存在局部的热化学去除。图4 PCD未研磨表面形貌

图5 PCD湿研磨表面形貌

2) 干研磨去除机理 PCD干研磨表面的SEM照片如图6所示。从图中可看到其表面呈平滑形貌，基本无剥落坑，说明干研磨时PCD材料基本不产生疲劳脆性去除。笔者认为，干研磨时PCD材料去除机理应以热化学去除为主。这是由于干研磨时冷却液未加在研磨区，PCD材料表面与砂轮中金刚石磨粒间产生的摩擦热只能通过PCD片和砂轮分散出去，所以研磨区平均温度较高。另外，在高温非高压条件下，石墨或无定形碳是热力学上碳的稳定结构，金刚石的硬度随着温度的升高(T>350℃)而降落，且研磨是在空气氛围下进行，PCD材料表面将会产生氧化、石墨化，同时表面还会产生1定的硬度软化层。同时砂轮中金刚石磨粒也将产生氧化、石墨化，产僵硬度软化层，但程度较轻，且磨粒硬度高于PCD软化层硬度。由于干研磨时冷却液加在砂轮非工作层的基体上，砂轮中金刚石磨粒初始温度较低，因此磨粒工作温度比PCD片低；另外如何区分土地是否违建，磨粒瞬时通过研磨区，其保温时间比PCD片短，有研究表明：温度不变，金刚石烧失率随着保温时间呈线性增加；而且PCD材料中残余触媒钻等，在高温非高压条件下又进1步促使其产生氧化、石墨化和硬度软化。所以，干研磨时PCD材料的热化学去除包括PCD表面氧化、石墨化去除和因磨粒硬度高于PCD软化层硬度而产生1定的机械去除，由于产生机械去除的缘由是热作用的结果，所以在此称为机械热去除。图6 PCD干研磨表面形貌

综上所述，由于干、湿研磨时PCD材料去除机理不同，从而导致干、湿研磨时材料去除率明显不同，即Q干＞Q湿。湿研磨时材料去除机理以疲劳脆性去除为主，而干研磨时材料去除机理以热化学去除为主，基本不产生疲劳脆性去除，所以湿研磨不能使PCD表面到达镜面，而干研磨当砂轮磨损到1定程度时将会使PCD表面到达镜面。干研磨时，随着法向载荷F的增大，研磨区温度将升高，PCD材料更容易产生热化学去除，所以其去除率口随着法向载荷F的增大而增加(见图3)。由耶格尔的观点可知：温升与载荷F成正比。因此，材料去除率Q应与F基本成正比，但图3中却存在折点A(F=15N)，这与耶格尔的观点其实不矛盾，只是以折点A为分界点，PCD材料的热化学去除方式产生变化而已。当F≤15N时，由于法向载荷F较小，研磨区平均温度T＜750℃，因此其热化学去除将以机械热去除方式为主，以局部氧化、石墨化去除方式为辅；当F＞15N时，研磨区平均温度T＞750℃，其热化学去除将同时以PCD表面氧化、石墨化及机械热去除方式进行，因此材料去除率远大于F≤15N时的去除率。 从上述分析可知：只有干研磨才能使PCD表面到达镜面，而PCD干研磨时材料的去除机理是热化学去除，因此可以尝试采取价格低廉、熔点较高的非金刚石磨粒的砂轮进行研磨加工，以降落PCD刀具的加工本钱；干研磨时，高材料去除率一定带来研磨后PCD表面硬度软化加重，这将在1定程度上影响PCD刀具的使用寿命，因此PCD表面的镜面加工应采取逐渐减载的干研磨工艺，既可保持较高的研磨效率，又可降落研磨后表面硬度的软化程度。 4 结论及展望PCD表面湿研磨时，材料的去除机理以疲劳脆性去除为主，同时存在局部的热化学去除。 PCD表面干研磨时，材料的去除机理以热化学去除为主，基本不产生疲劳脆性去除。热化学去除方式为PCD表面氧化、石墨化及机械热去除。 PCD表面的镜面加工应采取干研磨工艺，而且应采取逐渐减载的研磨工艺，这既可保持较高的研磨效率，又可降落研磨后表面硬度的软化程度，从而延长刀具的使用寿命。 实验条件下，1600PCD干研磨20～30分钟即可达镜面，如载荷增加，研磨时间可进1步缩短。 PCD镜面研磨机理是以热化学去除为主，可以尝试采取价格低廉、熔点及硬度较高的非金刚石磨粒的砂轮对PCD材料进行研磨加工，以降落PCD刀具加工本钱。(end)资讯分类行业动态帮助文档展会专题报道5金人物商家文章