转载自金刚石与磨料磨具工程
周易,丁文锋,赵彪
(南京航空航天大学机电学院,南京)
摘要为解决多孔金属结合剂CBN砂轮在高孔隙率下的强度下降问题，采用球形尿素颗粒为造孔剂，制作孔径、孔形和孔隙可控的多孔金属结合剂砂轮磨料层胎体，研究不同载荷情况下的孔隙率和孔隙排布等孔隙结构因素，对多孔金属结合剂磨料层胎体力学性能的影响规律。结果表明：孔隙有序排布时的胎体弹性模量要小于孔隙无序排布的；胎体材料的屈服强度随孔隙率增大而下降；在相同孔隙率下，孔隙有序排布的胎体，在纵向受压、孔隙正向排布的情况下屈服强度更高。
关键词多孔CBN砂轮;多孔金属结合剂;有序孔隙
在超硬磨料工具中，金属结合剂砂轮由于具备较好的力学与热学性能而被广泛应用[1]，特别是用在加工镍基高温合金、钛合金等难加工材料上[2-7]。然而，金属结合剂组织致密且孔隙率较低，磨削加工时磨屑易堵塞气孔，或是黏附在磨粒和基体表面，导致磨削力增大，磨削温度升高，降低工件的表面质量。相较于传统的金属结合剂材料，通过造孔剂制成的金属结合剂多孔材料，凭借其可控的孔隙率、孔形、孔径及孔的排布方式等，具备了更优、更可控的材料性能[8-10]。孔隙的存在可提高磨具容屑排屑的能力，避免磨屑堵塞磨具表面；并且，开放的孔隙可以为冷却液提供通道，降低磨削区的温度，避免工件产生烧伤等现象。
陈珍珍等[11]采用氧化铝中空颗粒为造孔剂，以Cu-Sn-Ti复合钎料制作多孔复合结合剂砂轮，发现多孔金属结合剂CBN砂轮在磨削高温合金时，相较于白刚玉砂轮，其磨削力和磨削温度均有所降低。由于Cu-Sn-Ti合金具有高的耐磨性和出色的切削性能，因此常用于金刚石和立方氮化硼(CBN)金属磨削工具中[12-15]。
然而，用氧化铝陶瓷空心球制备的孔隙为闭孔结构，其容屑空间有限，不利于进一步降低砂轮磨削弧区的温度。ZHAO等[16]采用球形尿素(CO(NH2)2)颗粒为造孔剂，制作多孔Cu-Sn-Ti复合材料砂轮，发现在保证金属复合结合剂砂轮强度的同时，有效地提高了砂轮的容屑空间，并降低了磨削弧区的温度。
与致密金属材料相比，多孔金属材料的力学性能主要受孔隙性质的影响，包括孔隙率、孔形、孔径以及孔的排布等。由于使用了造孔剂的多孔材料的孔径、孔形和孔隙排布都是变化的，其弹性模量等力学性能与孔隙率的关系用常用的经验公式已无法准确估算。因此，有必要在孔径、孔形和孔隙排布可控情况下，研究孔隙结构对此类多孔材料力学性能的影响。
1试验方法与材料制备
1.1多孔Cu-Sn-Ti复合材料节块制备
试验中使用的试样是尺寸30mm×8mm×6mm的长方体节块，通过水溶法和真空液相烧结工艺制备而成[9-10]。原材料包括CBN磨粒(80/)、Cu-Sn-Ti钎料合金粉末(Cu-18%Sn-10%Ti)、MoS2粉末和球形尿素颗粒(φ0.8～1.0mm)。在Cu-Sn-Ti钎料中添加质量分数10%的MoS2粉末为骨架增强相制作Cu-Sn-Ti复合材料，以避免多孔节块在高温烧结过程中发生坍塌。通过控制节块中球形尿素颗粒的含量，保证节块的孔隙率在20%～60%变化。
图1为有序排布多孔节块的制作工艺流程。首先，使用混料机将Cu-Sn-Ti复合材料和CBN磨粒混合3h，使各组元混合均匀；通过特制的模具将尿素颗粒有序排布在压制前的节块中来实现孔隙的有序排布；再使用DY-20型电动粉末压片机，在20MPa压力下维持30s，将混合材料和尿素颗粒压制成型；其次，将压制成的节块放入蒸馏水中，在室温下水溶4h，利用蒸馏水溶解节块中的球形尿素颗粒，从而在成型块中形成有序的多孔结构；再次，将水溶后的成型块置于恒温箱中于70℃下烘干，而后在VAF-20真空炉中进行烧结，烧结温度℃，保温30min；最后，将烧结后的节块在真空炉中冷却至室温，从而获得多孔结构的节块。烧结期间的加热和冷却速率控制在10℃/min，压力约为10-2Pa。由于节块中残留的尿素成分也在烧结过程中被分解去除，最后的节块形成了多孔结构。
图1有序排布多孔节块的制作工艺流程
Fig.1Manufacturingprocessoforderlyarrangementofporousblocks
无序排布多孔节块的制作工艺流程与图1大致相同，区别只在于不包含通过模具排布尿素颗粒的环节，而是将造孔剂与复合材料、CBN磨粒混合并搅拌均匀，其余工序完全相同。孔隙有序排布节块与无序排布节块的相关参数，分别如表1、表2所示。
表1孔隙有序排布节块的相关参数
Tab.1Relevantparametersofblockswithorderedarrangementofpores
表2孔隙无序排布节块的相关参数
Tab.2Relevantparametersofblockswithdisorderedarrangementofpores
节块的压缩试验方法如图2所示。试验中通过控制尿素的体积分数来控制节块的孔隙率，节块的尿素体积分数范围为20%～60%，其孔隙率范围也为20%～60%。此外，节块内的孔隙排布方式也有所区别。在30mm×8mm的横截面上，节块的孔隙排布方式分为无序排布和有序排布2种，而有序排布又按排布方向分为正向排布和斜向排布。孔隙正向排布即孔隙排布方向与节块长边垂直排布，斜向排布为孔隙排布方向与节块长边呈一定角度，分别如图3、图4所示，图4的排布角度为45°。且在30mm×6mm的横截面上，孔隙都采用交错堆叠，以提高节块的孔隙率。
图2压缩试验方法
Fig.2Compressiontestmethod
图3孔隙正向排布
Fig.3Positivearrangementofpores
图4孔隙斜向排布
Fig.4Obliquearrangementofpores
1.2节块力学性能及形貌结构表征
采用SANS万能材料试验机测试节块的力学性能，试验标准为GB/T-《金属材料室温压缩试验方法》。在此，将与节块30mm×8mm的面垂直的方向称为正向，将与节块30mm×6mm的面垂直的方向称为纵向，将试验机施压的方向称为轴向。压缩试验采用2种方式：(1)压缩力作用在节块的正向，压缩的初始长度为节块的高度；(2)压缩力作用在节块的纵向，压缩的初始长度为节块的宽度。试验中，试验机压头在加载速率1mm/min的定速率模式下轴向压缩节块试样，试样受到的压缩力沿轴向递增，连续检测节块的应力和应变值。
用HitachiS-扫描电镜(SEM)分析压缩前和压缩后的节块微观结构。采用SEM三维扫描方式，对受压过程中的节块微观结构进行扫描，分析节块在受压过程中的变形，尤其是节块内部孔隙的变形、裂缝的产生和延展情况。
2试验结果及分析
2.1节块变形的微观结构与性质
图5显示了表2中的第6组无序排布节块压缩后的微观结构。从图5可明显看出节块上由球形尿素颗粒造孔形成的球形孔，以及其受压后节块上的孔隙形变和裂缝的延展。
图5压缩后的无序排布节块微观结构
Fig.5Microstructureofthe
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