聚晶金刚石研磨工艺参数分析

 聚晶金刚石(PCD)具有接近天然金刚石的硬度和耐磨性。聚晶金刚石复合片(PDC)是PCD与硬质合金经高温高压复合而成的一种新型刀具材料,在汽车、航空、航天、建材等领域被广泛应用于有色金属、合金、非金属等材料的精密加工 [1] 。

       PCD本身的高硬度、高耐磨性给其加工带来了很大困难。目前PCD复合片的表面精整加工主要是以研磨为主,但由于PCD本身具有与金刚石磨料相近的性质,因而与普通材料的研磨加工有很大的不同,其研磨机理、研磨工艺均有自身的规律。本文对PCD研磨机理进行了初步探讨,并通过大量试验,分析了研磨工艺参数对PCD研磨效率和研磨质量的影响。

       1.试验条件

       试验设备:单面加压研磨机。该设备配置了转数计数器,可间接计算研磨时间;配置了气动加压装置,可显示研磨压力;配置了砂泵及搅拌装置,可实现研磨粉与研磨液的均匀混合及循环供应。

       研磨工具:球墨铸铁研磨盘。

       试件:美国GE公司提供的PDC。

       磨粉:聚晶金刚石微粉。

       为使PCD层能均匀去除,保证层厚一致,研磨机每个压头下同时研磨厚度相同的同系列(同粒度微粒合成)的PCD复合片。

       2.PCD研磨机理初步探讨

       在研究研磨参数对研磨质量和研磨效率的影响之前,有必要对PCD的研磨机理进行初步探讨。对于普通材料的研磨,一般认为研磨过程是磨粒微刃的切削作用、被研磨工件表面微小起伏的塑性流动、表面活性物质的化学作用及研磨工具堵塞物与工件表面划擦作用的综合结果[2]。

       对于聚晶金刚石这种超硬材料,主要是机械作用和疲劳脆性去除,且机械去除为主要去除方式。在研磨初期,工件表面粗糙,金刚石晶粒突出,快速移动的磨粒极易着力,促使金刚石晶粒之间粘结部位(或D-D结合)应力集中,而此部位结合相对薄弱,易发生沿晶断裂,使金刚石微粒发生整体松动并脱落;但随着工件表面粗糙度降低,晶粒微粒脱落减少。此外在研磨过程中,锋利的磨粒以较高速度和适当的切削力划过PCD表面,对表层金刚石晶粒产生大量损伤性划痕,这也是PCD材料机械去除的重要方式[3]。

       英国学者Cooper[4]曾通过试验指出: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。研磨过程中PCD表面承受交变冲击载荷,因此将会产生疲劳脆性去除。

       对PCD表面研磨通常采用研磨盘加游离研磨粉,分湿研磨和干研磨。所谓湿研磨是将研磨粉与研磨液混合,同时加入研磨区,研磨产生的摩擦热大部分被研磨液带走,研磨区温度迅速降低,但仍有局部高温接触点,使PCD材料发生氧化、石墨化等热化学去除,湿研磨PCD表面去除方式以疲劳脆性去除为主,同时伴有局部热化学去除。所谓干研磨是研磨区只加入研磨粉。干研磨时,研磨区无研磨液,PCD表面产生的摩擦热只能通过研磨盘和工件扩散出去,研磨区平均温度高。高温致使PCD表面发生氧化、石墨化等,高温对PCD表面还有一定的软化作用,这些共同作用对PCD层产生化学和机械热去除,干研磨PCD表面去除方式以氧化和石墨化去除为主。

       图1~图3所示分别为PCD未研磨、湿研磨及干研磨表面形貌的SEM照片[5]。从图2可看出,湿研磨PCD表面虽也有凹凸不平,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,这种现象说明了PCD表面发生了疲劳脆性去除。从图3可看出,干研磨PCD表面呈平滑形貌,基本无剥落坑,说明干研磨时PCD材料发生疲劳脆性去除很少。疲劳脆性去除是PCD颗粒一层层剥落,而氧化和石墨化去除是PCD颗粒的表层发生热化学变化,显然湿研磨的去除效率高于干研磨,本试验以效率优先,因此,我们选择湿研磨方法。