聚晶金剛石PCD研磨機理
發布日期:2013-09-10 蘭生客服中心 瀏覽:4115
為了弄清產生上述試驗結果的原因,需對PCD材料去除機理進行探討。
一、濕研磨去除機理
圖4、圖5分別為PCD未研磨、濕研磨表面形貌的SEM照片。由圖可知,濕研磨表面雖也凹凸不平,但與未研磨表面凹凸狀態完全不同,明顯存在大量的剝落坑。這種現象說明PCD表面發生了脆性去除。筆者認為其脆性去除方式是動載脆性去除(即疲勞脆性去除)而不是靜載脆性去除。這是因為研磨狀態下法向載荷F較小(20N),作用在PDD表面上的應力大大低于靜載荷下產生裂紋的極限應力值,因此基本不會發生靜載脆性去除。但英國學者coopr曾通過試驗指出:金剛石在沖擊載荷的循環作用下,產生裂紋的應力值大大低于所需的靜應力。而研磨過程中PCD片承受的是交變沖擊載荷,因此將會產生疲勞脆性去除。濕研磨時PCD材料的脆性去除方式正是這種疲勞脆性去除。在圖5中同時還可觀察到局部平滑區,這是PCD局部發生熱化學去除的結果。因濕研磨時雖然冷卻液加在研磨區內,PCD表面與砂輪間產生的摩擦熱大部分被冷卻液帶走,研磨區平均溫度較低,但仍會產生局部高溫接觸點,使此處PCD材料產生氧化、石墨化的熱化學去除。由此可見,PCD材料濕研磨時,其去除機理以疲勞脆性去除為主,同時存在局部的熱化學去除。
圖4 PCD未研磨表面形貌 圖5 PCD濕研磨表面形貌
二、干研磨去除機理
PCD干研磨表面的SEM照片如圖6所示。從圖中可看到其表面呈平滑形貌,基本無剝落坑,說明干研磨時PCD材料基本不發生疲勞脆性去除。
圖6 PCD干研磨表面形貌
干研磨時PCD材料去除機理應以熱化學去除為主。這是因為干研磨時冷卻液未加在研磨區,PCD材料表面與砂輪中金剛石磨粒間產生的摩擦熱只能通過PCD片和砂輪擴散出去,所以研磨區平均溫度較高。另外,在高溫非高壓條件下,石墨或無定形碳是熱力學上碳的穩定結構,金剛石的硬度隨著溫度的升高(T>350℃)而降低,且研磨是在空氣氛圍下進行,PCD材料表面將會發生氧化、石墨化,同時表面還會產生一定的硬度軟化層。同時砂輪中金剛石磨粒也將發生氧化、石墨化,產生硬度軟化層,但程度較輕,且磨粒硬度高于PCD軟化層硬度。因為干研磨時冷卻液加在砂輪非工作層的基體上,砂輪中金剛石磨粒初始溫度較低,因此磨粒工作溫度比PCD片低;另外,磨粒瞬時通過研磨區,其保溫時間比PCD片短,有研究表明:溫度不變,金剛石燒失率隨著保溫時間呈線性增加;而且PCD材料中殘存觸媒鉆等,在高溫非高壓條件下又進一步促使其產生氧化、石墨化和硬度軟化。所以,干研磨時PCD材料的熱化學去除包括PCD表面氧化、石墨化去除以及因磨粒硬度高于PCD軟化層硬度而產生一定的機械去除,由于產生機械去除的原因是熱作用的結果,所以在此稱為機械熱去除。
綜上所述,由于干、濕研磨時PCD材料去除機理不同,從而導致干、濕研磨時材料去除率明顯不同,即Q干>Q濕。濕研磨時材料去除機理以疲勞脆性去除為主,而干研磨時材料去除機理以熱化學去除為主,基本不發生疲勞脆性去除,所以濕研磨不能使PCD表面達到鏡面,而干研磨當砂輪磨損到一定程度時將會使PCD表面達到鏡面。干研磨時,隨著法向載荷F的增大,研磨區溫度將升高,PCD材料更易產生熱化學去除,所以其去除率口隨著法向載荷F的增大而增加(見圖3)。由耶格爾的觀點可知:溫升與載荷F成正比。因此,材料去除率Q應與F基本成正比,但圖3中卻存在折點A(F=15N),這與耶格爾的觀點并不矛盾,只是以折點A為分界點,PCD材料的熱化學去除方式發生變化而已。當F≤15N時,由于法向載荷F較小,研磨區平均溫度T<750℃,因此其熱化學去除將以機械熱去除方式為主,以局部氧化、石墨化去除方式為輔;當F>15N時,研磨區平均溫度T>750℃,其熱化學去除將同時以PCD表面氧化、石墨化及機械熱去除方式進行,因此材料去除率遠大于F≤15N時的去除率。
從上述分析可知:只有干研磨才能使PCD表面達到鏡面,而PCD干研磨時材料的去除機理是熱化學去除,因此可以嘗試采用價格低廉、熔點較高的非金剛石磨粒的砂輪進行研磨加工,以降低PCD刀具的加工成本;干研磨時,高材料去除率必然帶來研磨后PCD表面硬度軟化加劇,這將在一定程度上影響PCD刀具的使用壽命,因此PCD表面的鏡面加工應采用逐漸減載的干研磨工藝,既可保持較高的研磨效率,又可降低研磨后表面硬度的軟化程度。
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