Effect of TiH2 addition on grinding performance of Cu3Sn intermetalliccompound diamond wheels
-
摘要: 为进一步提升Cu3Sn金属间化合物金刚石砂轮的锋利度和保形性，制备不同TiH2加入量的Cu3Sn金属间化合物球磨粉末、金刚石磨块及砂轮。通过对微观形貌、氧含量、物相组成、热效应、力学性能等进行测试和分析，探究TiH2对Cu3Sn金属间化合物金刚石砂轮磨削性能的影响。研究结果表明：TiH2对Cu3Sn球磨粉末有抑制增氧的作用，促进粉末烧结。当TiH2的质量分数为2.0%时，氧质量分数从0.67%降低到最小值0.51%。TiH2能够提高胎体对金刚石的把持力，可提高试样的抗弯强度和硬度：当TiH2的质量分数为1.5%时，抗弯强度达到最大值80.74 MPa；当TiH2的质量分数为2.0%时，洛氏硬度达到最大值109.88 HRB；当TiH2的加入量继续增大时，抗弯强度和硬度反而下降。TiH2可提升砂轮的磨削性能，磨削YG8硬质合金时，加入质量分数为2.0%的TiH2使金刚石砂轮最快进给速率从0.020 mm / 次提升到0.035 mm / 次，磨削比从51.09提升到最大值172.03。Abstract:
Objectives With the development of the modern manufacturing industry, the requirements for material machining accuracy and surface quality are increases continuously. For the precision grinding of high hardness and high wear-resistant materials, superhard material grinding wheels are required to possess high processing efficiency and durability. Intermetallic compound bond diamond grinding wheels have the wear resistance of metal grinding wheels and the self-sharpness of ceramic grinding wheels simultaneously, but they still lacks of sharpness or shape retention when machining hard and brittle materials at high loads and high speeds. To improve the sharpness and shape retention of Cu3Sn intermetallic compound diamond grinding wheels, this study investigates the addition of TiH2. Cu3Sn ball-milling powders, diamond grinding blocks, and grinding wheels with different TiH2 additions are prepared. Methods The effects of TiH2 addition on the grinding performance of Cu3Sn intermetallic diamond grinding wheels are investigated using testing and analyzing the micro-morphology, oxygen content, physical phase composition, thermal effect, and mechanical properties. Results (1) TiH2 was added to the Cu3Sn intermetallic compound bond, and the mixture is ball milled together. TiH2 inhibits the increase in oxygen content, which improves the properties of the ball-milled bond powder and facilitated the sintering process. When TiH2 is added with a mass fraction of 2.0%, the oxygen content is reduced from 0.67% to a minimum value of 0.51%. (2) TiH2 decomposes into Ti and H2 during the sintering process, and Ti could react with the C atoms on the surface of the diamond to form a Ti—C bond. This chemical bonding between the metal bond and diamonds could increased the bonding strength. TiH2 could improve the mechanical properties of diamond grinding blocks, but a larger amount of TiH2 increased the pores in the metal bond, which reduced its strength. When TiH2 mass fraction is 1.5%, the flexural strength reaches the maximum value of 80.74 MPa, and the addition of 2.0% TiH2 increased the Rockwell hardness to reaches a maximum value of 109.88 HRB. (3) Adding of an appropriate amount of TiH2 forms a chemical metallurgical bond between diamonds and the bonding agent, which strengthens the holding force of the bonding agent to the diamonds, increases the protrusion height and chip space on the working surface, and improves the sharpness of the grinding wheel. At the same time, it can avoid the premature shedding of diamonds, reducing the consumption of the working layer and improving the shape retention of the grinding wheel. The grinding wheels prepared by adding a certain amount of TiH2 prior to the ball milling treatment of Cu3Sn bond powder exhibited better grinding performance. Both sharpness and shape retention are enhanced. When grinding YG8 cemented carbide, the addition of 2.0% TiH2 enhanced the fastest feed rate of the grinding wheel from 0.020 mm/feed to 0.035 mm/feed. Meanwhile, the grinding ratio of the wheel reached a maximum value of 172.03, which is enhanced by 237% compared with the specimen without TiH2 addition. Conclusions In this paper, TiH2 is added to Cu3Sn intermetallic compounds by ball milling, and the oxygen content of the bond powder is reduced. At the same time, the carbide-formation element Ti reacts with the diamond to form a chemical metallurgical bond, which improves the bonding strength between the diamond and the bonding agent. This results in improved grinding performance of the diamond wheel and provides a reference for the design and development of diamond grinding wheels with high sharpness and high conformal retention. -
Key words:
- TiH2 /
- intermetallic compounds /
- mechanical properties /
- grinding ratio
-
硬质合金是一种以碳化钨（WC）为主要成分，以钴（Co）为黏结剂，通过粉末冶金工艺制成的合金材料。硬质合金具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性和良好的耐高温性能，被广泛应用于地质、航天、电子、汽车等领域[1-3]，用于制备切削工具、钻削工具、模具和结构零件等[4]。较高的硬度是硬质合金在应用上的优势，但也使其加工难度变大。因此，对于硬质合金的磨削加工，需要使用硬度更大的金刚石作为磨料。金属结合剂金刚石砂轮具有结合强度高、导热性好、使用寿命长等优点，但其自锐性较差，导致加工时磨削阻力较大，可能造成工件烧伤[5-6]。陶瓷结合剂金刚石砂轮的锋利度高、磨削温度低、刚性好，但陶瓷结合剂对金刚石的把持力较低，使其保形性不足，砂轮消耗较快[7-8]。金属间化合物同时含有金属键和共价键，兼具金属和陶瓷的特点，可以通过调整其成分配比使金刚石砂轮具有合适的锋利度和保形性，已有部分报道[9-10]将其作为结合剂制备金刚石砂轮。
随着企业对降本增效的要求日益增长，金刚石砂轮需要具有更长的使用寿命和更高的加工效率。尽管金属间化合物结合剂金刚石砂轮的综合性能优于传统金属或陶瓷结合剂金刚石砂轮，但其在加工硬质合金时，仍可能出现锋利度或保形性不足的问题。关于如何进一步提高金属间化合物结合剂金刚石砂轮的磨削性能，相关研究较少。TiH2是一种灰色粉末，属于金属氢化物，脆性较大易破碎，化学性质较稳定。TiH2在材料制备中的应用较广，例如可作为发泡剂用于粉末冶金法和熔体发泡法制备泡沫铝[11]；作为低成本的原料用于制备钛基复合材料[12]；作为造孔剂加入CuZn金属结合剂中，以提升结合剂的力学性能，并且利用其反应产生H2造孔，利用生成的TiC提升金刚石磨具加工Y316硬质合金的磨削性能[13]。上述作用的原理是当达到一定温度时，TiH2会分解生成TiHx，后者继续分解生成Ti，并释放H2[14-15]。
本实验设计将不同含量的TiH2加入Cu3Sn金属间化合物中并进行球磨处理，得到Cu3Sn / TiH2球磨粉末，并将其作为结合剂用于制备金刚石磨块及砂轮。在烧结过程中，TiH2分解产生的Ti与金刚石发生反应生成TiC，建立结合剂与金刚石之间的化学结合，以此提升结合剂对金刚石的把持力，提升砂轮的保形性。同时，更强的把持力可使金刚石有更大的出刃高度，从而提高砂轮的锋利度。本实验研究了TiH2的加入对球磨粉末和金刚石磨块性能的影响；使用制备的金刚石砂轮磨削硬质合金，进一步分析了TiH2的加入对金刚石砂轮锋利度和保形性的影响及其机理。
1. 实验部分
1.1 试剂与仪器
表 1 实验试剂Table 1. Experimental reagents试剂 纯度 /
质量分数粒度 生产商 Cu3Sn ＞99.9% 9.394 μm
（D50）有研新材料股份有限公司 TiH2 ＞99.7% ＜38 μm 成都国衡科技有限公司 无水乙醇 AR，＞99.7% 湖南汇虹试剂有限公司 球形石墨 ＞99.0% 20～30 μm 中钢碳素化学股份有限公司 金刚石 ＞98.0% 53 / 45 μm 郑州金开新材料科技
有限公司硬脂酸 AR 天津市科密欧化学试剂
有限公司浓盐酸 AR，36.0%～38.0% 国药集团化学试剂有限公司 浓硝酸 AR，65.0%～68.0% 国药集团化学试剂有限公司 表 2 实验仪器Table 2. Experimental instruments仪器 型号 制造商 行星式球磨机 XQM-2 长沙天创粉末技术
有限公司电热恒温烘箱 101-3 兴化市金虎电热电器
有限公司三维混料机 Turbula T2C Willy A. Bachofen AG
Maschinenfabrik四柱液压机 YQ32-400 山东滕州泰力数控机床
有限公司箱式电阻炉 SX-12-10 长沙市长城电炉厂 场发射扫描电子显微镜 Quanta FEG 250 FEI Company, Inc. 激光粒度分布仪 BT-9300H 丹东百特仪器有限公司 X射线衍射仪 Empyrean PANalytical B.V. 氧氮氢分析仪 TCH600 LECO Corporation 同步热分析仪 STA 449F3 NETZSCH 微机控制电子
万能试验机LD25.504 深圳市兰博三思材料检测
有限公司数显洛氏硬度计 200HRS-150 莱州华银试验仪器
有限公司傅里叶变换红外光谱仪 Nicolet™ iS50 Thermo Fisher Scientific Inc. 三维超景深显微镜 VHX- 5000 KEYENCE Corporation 卧轴矩台平面磨床 SG2550AHD 上海启哲实业有限公司 1.2 实验方法
1.2.1 Cu3Sn / TiH2球磨粉末制备
按照表3所示的原料比例分别称取Cu3Sn和TiH2，以5∶1的球料比称取硬质合金磨球，加入球磨罐中；向其中缓慢加入无水乙醇，待粉末内气体逸出，保持液面距离罐体上边缘1 cm；将球磨罐安装在行星式球磨机上，设置转速为200 r / min、球磨时间为12 h；取出混合粉末，置于电热恒温烘箱中，在50 ℃下烘干至乙醇挥发完全；将得到的粉末过150目筛（孔径约106 μm），取少量样品用于表征，余下称重备用。
表 3 金刚石磨块及砂轮的配方设计Table 3. Formulation of diamond grinding blocks and wheels样品 Cu3Sn质量
分数 ω1 / %TiH2质量
分数 ω2 / %石墨质量
分数 ω3 / %金刚石质量
分数 ω4 / %对照 88.5 0 1.5 10 1 88.0 0.5 1.5 10 2 87.5 1.0 1.5 10 3 87.0 1.5 1.5 10 4 86.5 2.0 1.5 10 5 86.0 2.5 1.5 10 1.2.2 结合剂原料配制
称取上一步得到的球磨粉末，按照表3所示比例计算所需石墨和金刚石的质量。称取石墨加入Cu3Sn / TiH2球磨粉末，过150目筛以使粉末混合分散均匀，最后加入金刚石。将配制好的原料置于瓶中，并固定在三维混料机上，混合4 h后取出备用。
1.2.3 金刚石磨块及砂轮制备
称取10 g上述混合原料粉末装入模具中，使用四柱液压机在200 MPa压力下冷压10 s。随后将其放入马弗炉中烧结，温度为520 ℃，时间为80 min，气氛为N2。烧结后快速取出进行热压，压力与冷压一致，时间为2 min。热压完成后，脱模取出金刚石磨块，在空气中冷却至室温。金刚石磨块的尺寸为25 mm × 10 mm × 10 mm，研磨抛光后用于测试表征。
称取450 g原料粉末装入模具中，制备方法及其他参数与制备金刚石磨块时相同，得到尺寸为ϕ200 mm × 10 mm × 10 mm的砂轮环。对其进行平磨处理，以除去表面的氧化层。根据其尺寸加工基体，用胶黏剂将砂轮环固定在基体上。然后经粗车、平磨、精车、外圆磨等工序，得到砂轮成品。通过动平衡和回转测试后，可用于磨削实验。
1.2.4 材料表征与力学性能测试
使用扫描电子显微镜（SEM）观察粉末的形貌。使用激光粒度分布仪检测粉末的粒度分布，表征球磨的作用效果。使用X射线衍射仪（XRD）分析粉末的物相组成，靶材为Cu，扫描范围为10°～80°，扫描速度为5° / min。使用氧氮氢分析仪检测粉末的氧含量。利用同步热分析仪（STA）测试得到球磨粉末的差示扫描量热法（DSC）曲线，判断烧结过程中的物相变化，测试气氛为Ar，升温速率为10 ℃ / min，温度范围为30～700 ℃。使用万能试验机，根据三点弯曲法对金刚石磨块进行抗弯强度测试。利用数显洛氏硬度计测试金刚石磨块的洛氏硬度，总试验力为980 N，压头类型为钢球。利用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）分析金刚石表面的化学状态，仪器功率为100 W，测试范围为400～4 000 cm−1。利用三维超景深显微镜观察并记录金刚石磨块的断面形貌，统计单位面积上的金刚石数量。
1.2.5 磨削性能测试
使用制备的砂轮在卧轴矩台平面磨床上进行磨削性能测试，砂轮转速为3 000 r / min。先用SiC陶瓷砂轮开刃，使砂轮工作面的金刚石有合适的出露高度。粗磨单次进给量设置为0.02 mm，共100次；精磨单次进给量设置为0.01 mm，共5次。
首先，测试最快进给速率。使用硬质合金（牌号：YG8，尺寸：100 mm × 50 mm × 10 mm）作为加工工件，设置粗磨单次进给量为0.020 mm，共20次；精磨单次进给量为0.005 mm，共5次。若加工时磨削力适中且声音正常，则通过测试。增大粗磨单次进给量为0.025 mm，保持其他参数相同，再次进行测试。若通过，继续增大粗磨单次进给量进行测试。记录磨削声音变大或出现火花时的粗磨单次进给量，即为最快进给速率。
其次，测试磨削比。设置粗磨单次进给量为0.015 mm，共132次；精磨单次进给量为0.005 mm，共4次，总进给量为2 mm。分别记录硬质合金板材磨削前后的厚度，计算其变化值，测量硬质合金被磨削面的表面光洁度。根据砂轮以及硬质合金的尺寸参数，计算得到各自在磨削过程中体积的变化量，磨削比G和磨耗比Φ的计算公式为：
$$ {G}\text{}\text=\text{}\frac{{{V}}_{\text{1}}}{{{V}}_{\text{2}}} $$ (1) $$ {\varPhi }\text{}\text=\text{}\frac{\text{1}}{{G}} $$ (2) 式中：V1为硬质合金体积变化值，V2为砂轮体积变化值。
2. 结果与讨论
2.1 TiH2的加入对Cu3Sn 球磨粉末的影响
球磨后Cu3Sn + 1.5% TiH2的微观形貌如图1所示，粉末大部分为不规则的碎片状，有一定程度的团聚现象。
图 1 Cu3Sn + 1.5% TiH2球磨粉末的SEM二次电子像Figure 1. SEM secondary electron images of Cu3Sn + 1.5% TiH2 ball-milling powder图2所示为加入不同质量分数TiH2的Cu3Sn结合剂粉末球磨后的粒径（D50）。由图2可知，Cu3Sn结合剂粉末粒径由球磨之前的9.394 μm下降到3.156～3.433 μm。在球磨过程中，Cu3Sn颗粒与硬质合金小球、筒壁之间发生碰撞冲击和研磨，使前者发生塑性变形，进而破碎和细化。
图 2 Cu3Sn与不同质量分数TiH2混合粉末在球磨前后的粒度（D50）Figure 2. Particle size （D50） of Cu3Sn powders mixed with different contents of TiH2 before and after ball-milling图3为本实验所用TiH2粉末单独球磨前后的XRD图谱，可见其主要成分为TiH1.924。球磨处理12 h后，粉末的物相组成没有明显变化，而衍射峰强度下降，同时有宽化现象。这是由于球磨过程中，TiH2在磨球的碰撞冲击下，晶粒细化、晶格发生畸变[15-16]。
图 3 TiH2粉末球磨前后的XRD图谱Figure 3. XRD pattern of TiH2 powder with and without ball-milling在球磨过程中，随着颗粒的细化，粉末比表面积逐渐增大、表面能逐渐增大，所以粉末的吸附能力变强，反应活性变高。作为球磨介质的无水乙醇以及球磨罐内的空气都可能作为氧的来源，与Cu3Sn粉末反应使其发生氧化，导致氧含量升高。然而，对于粉末冶金法制备的金属结合剂金刚石砂轮，粉末氧含量的增加会影响烧结过程中的致密化，降低砂轮的力学性能[17]，影响其磨削性能。
图4所示为加入不同质量分数TiH2的Cu3Sn以及纯TiH2粉末球磨后的氧含量。由图4可知：Cu3Sn单独球磨后，氧质量分数从0.25%增大到0.67%；TiH2单独球磨后，氧质量分数从0.49%增大到3.56%；对于Cu3Sn/TiH2混合粉末，随着TiH2的质量分数从0增大到2.5%，混合粉末的氧含量递减，当加入TiH2质量分数为2.0%时，氧质量分数达到最小值0.51%。
图 4 Cu3Sn与不同含量TiH2混合粉末以及纯TiH2粉末球磨前后的氧含量Figure 4. O content of Cu3Sn powders mixed with different contents of TiH2 and pure TiH2 powder before and after ball-millingCu3Sn / TiH2混合粉末在球磨时，TiH2粉末颗粒也不断细化，比表面积增大，本身反应活性增强；同时，在球磨产生的高温和碰撞下，部分TiH2分解产生活性[Ti]以及析出H2，上述物质和O元素可能有2种作用方式：一是与混合体系中预先存在的氧化物以及乙醇反应，二是直接与粉末间隙中的O2分子反应。TiH2比Cu3Sn更活泼，所以先与氧反应，消耗一部分氧从而抑制Cu3Sn的氧化。2种作用方式都减小了体系的氧含量，起到了防止增氧的作用，有利于后续的粉末烧结。
对本实验所用Cu3Sn / TiH2混合球磨粉末在Ar气氛中进行DSC分析。如图5所示，TiH2质量分数为1.5%和2.5%的样品在474.5～517.8 ℃范围内均有1个吸热峰，而纯Cu3Sn样品未见此峰，对比纯TiH2球磨后的DSC曲线，该吸热峰对应TiH2的分解反应[15]。
图 5 Cu3Sn、Cu3Sn + TiH2以及TiH2球磨后的DSC曲线Figure 5. DSC curves of Cu3Sn, Cu3Sn + TiH2 and TiH2 after ball-milling2.2 TiH2的加入对Cu3Sn金刚石磨块性能的影响
抗弯强度和硬度通常被用于衡量磨具的力学性能，TiH2对金刚石磨块抗弯强度和洛氏硬度的影响如图6所示。图6a显示了TiH2对金刚石磨块抗弯强度的影响。未加入TiH2时，其抗弯强度为78.30 MPa。当TiH2的质量分数为0.5%时，抗弯强度降低至74.69 MPa。随着加入量的增大（0.5%～1.5%），抗弯强度开始逐步升高，质量分数为1.5%时有最高值80.74 MPa。加入量继续增大（1.5%～2.5%），抗弯强度又出现下降趋势。如图6b所示，金刚石磨块的洛氏硬度随TiH2加入量的增大呈现先升高后降低的趋势。未加入TiH2时，洛氏硬度为108.23 HRB，然后随TiH2加入量增大而升高。当TiH2的质量分数为2.0%时，达到最高值为109.88 HRB。继续增大加入量，洛氏硬度反而下降。
图 6 TiH2对金刚石磨块抗弯强度和洛氏硬度的影响Figure 6. Effect of TiH2 on flexural strength and Rockwell hardness of diamond grinding block为探究TiH2的加入导致抗弯强度和洛氏硬度变化的机理，进行了一系列实验。
分别将加入2.5%TiH2以及未加入TiH2制备的金刚石磨块用王水（V浓硝酸∶V浓盐酸 = 3∶1）处理，以去除结合剂，测试金刚石的红外光谱，结果如图7所示。对于加入2.5%TiH2的样品，在2 917 cm−1和2 849 cm−1处可见TiC的吸收峰，而对照样品在此波数未见吸收峰。说明加入了TiH2的样品在烧结过程中，金刚石表面反应生成了TiC。
图 7 Cu3Sn + 2.5% TiH2和Cu3Sn金刚石磨块的红外光谱Figure 7. Infrared spectra of Cu3Sn diamond grinding blocks with 2.5% TiH2 and without TiH2使用三维超景深显微镜观察加入不同质量分数TiH2的金刚石磨块断面，分别统计每个磨块左右两面单位面积的金刚石数量，得到结果如图8所示。断面上的金刚石数量与结合剂对金刚石的把持力以及胎体强度有关。TiH2质量分数较低（0.5%～1.0%）时，单位面积金刚石数量随TiH2含量增大而减小，可能与胎体强度下降有关，断裂时金刚石随胎体同时脱落。当TiH2质量分数 > 1.0%时，单位面积金刚石数量随TiH2加入量的增大而增大，说明结合剂对金刚石把持力逐渐增强。
图 8 TiH2加入量对金刚石磨块断面单位面积金刚石数量的影响Figure 8. Effect of TiH2 addition on number of diamonds per unit area of diamond grinding block section图9是金刚石磨块断口的SEM图像。相较于未加入TiH2的对照样品（图9a），球磨加入1.0%TiH2后制备的样品（图9b）胎体存在更多孔隙，可能是因为TiH2分解产生了气体，以及高熔点的Ti阻碍了Cu-Sn的扩散，对胎体的烧结致密化有一定影响。
综合上述表征结果，可以推测TiH2的加入影响金刚石磨块抗弯强度和硬度的机理如下。
根据文献[14]报道和2.1给出的DSC曲线（图5），TiH2在烧结过程中可分解产生高活性[Ti]和H2。一方面，Ti除了对金属胎体产生固溶强化以外，作为强碳化物形成元素，其可与金刚石表面发生化学反应生成TiC，使结合剂与金刚石之间形成化学结合，提高了结合剂对金刚石的把持力，使抗弯强度和硬度升高。另一方面，TiH2分解析出H2后形成孔隙，以及高熔点组分对Cu-Sn扩散的抑制，增大了金刚石磨块的气孔率，使胎体强度有所下降。
磨具的抗弯强度同时受结合剂−金刚石结合强度和胎体自身强度影响，而硬度主要与结合剂对金刚石的把持力有关。由于金刚石对Cu3Sn结合剂是化学惰性的，对于纯Cu3Sn结合剂磨块，金刚石与结合剂之间没有化学结合，其结合作用只有机械把持力，因此抗弯强度和硬度较低。（1）当TiH2加入量较小（0.5%）时，结合剂与金刚石形成的化学结合强度较弱，提升结合剂对金刚石的把持力的效果较小，硬度有较小幅度提升。此时，TiH2分解增大气孔率使胎体强度降低作为主导因素，综合表现为抗弯强度下降。（2）当TiH2加入量增大（1.0%）时，结合剂与金刚石界面上生成TiC的浓度增大，使两者之间的结合强度逐步提高，一定程度上抵消了胎体强度下降的影响，表现为抗弯强度恢复到与纯Cu3Sn结合剂磨块大致持平，硬度则继续上升。（3）随着TiH2加入量继续增大（1.5%），结合剂与金刚石之间充分形成化学结合，把持力提升的效果大于胎体强度下降的影响，此时抗弯强度最高，硬度继续上升。（4）当TiH2加入量继续增大（2.0%）时，虽然结合剂与金刚石的化学结合有增强，硬度达到最大值，但金刚石磨块的气孔继续增多，胎体强度下降作为主导因素，降低了抗弯强度。
2.3 TiH2的加入对Cu3Sn金刚石砂轮磨削性能的影响
在磨削加工中，砂轮的进给速率常被用于表征砂轮的锋利度。其他条件相同时，进给速率越大，表明砂轮越锋利。表4所示为加入不同质量分数TiH2制备的Cu3Sn金刚石砂轮加工YG8硬质合金的磨削数据。TiH2的加入使砂轮的最快进给速率均有提升，最快为0.040 mm / 次，相比对照样品（0.020 mm / 次）增幅达到100%，说明其显著提升了砂轮的锋利度。根据2.2所述，Ti作为强碳化物形成元素，与金刚石表面C原子发生化学反应生成TiC。结合剂与金刚石之间形成的化学结合，提高了结合剂对金刚石的把持力，进而提升了磨削过程中金刚石的出刃高度，使金刚石切入工件更深，磨削效率更高，因此提升了最快进给速率。此外，TiH2的加入还提升了YG8硬质合金加工后的表面质量，表面粗糙度Ra从0.07～0.11 μm减小到0.05～0.09 μm。
表 4 Cu3Sn / TiH2金刚石砂轮磨削YG8硬质合金的实验数据Table 4. Experimental data of Cu3Sn / TiH2 diamond grinding wheel grinding YG8 cemented carbideTiH2质量分数
ω2 / %最快进给速率
v / （mm / 次）硬质合金体积变化值
V1 / mm3砂轮体积变化值
V2 / mm3磨削比
G磨耗比
Φ表面粗糙度
Ra / μm0 0.020 10 276.08 201.140 0 51.09 0.019 6 0.07 ~ 0.11 0.5 0.030 10 074.87 241.623 0 41.70 0.024 0 0.05 ~ 0.09 1.0 0.040 10 200.30 247.557 6 41.20 0.024 3 1.5 0.030 10 390.62 109.513 1 94.88 0.015 0 2.0 0.035 10 436.30 60.648 8 172.03 0.005 8 2.5 0.040 10 362.18 144.938 5 71.49 0.014 0 为探究TiH2的加入对砂轮保形性的影响，根据记录的砂轮及硬质合金体积消耗量，由式（1）、式（2）计算得到磨削比和磨耗比，以衡量砂轮保形性。如图10所示，未加入TiH2的砂轮磨削比为51.09；随着TiH2加入量的增大，磨削比先稍有降低，然后明显升高，最后又降低。TiH2的质量分数为2.0%时，磨削比最大值为172.03，是未加入TiH2的砂轮磨削比的3.37倍，砂轮的保形性最好。
图 10 TiH2加入量对砂轮磨削比的影响Figure 10. Effect of TiH2 addition on grinding ratio of grinding wheel产生这种现象是由于砂轮的保形性同时受到结合剂对金刚石把持力和胎体强度的影响。如2.2所述，少量加入TiH2时，胎体强度降低使得砂轮损耗量更多，磨削比下降。随着TiH2加入量逐渐增大，结合剂对金刚石把持力显著提升，避免了金刚石过早脱落，提高了工作面上金刚石的利用率，减慢了金刚石的消耗速率，使得磨削比升高。当TiH2加入量继续增大，胎体强度明显下降，磨削比随之下降。上述结果表明，加入适量TiH2有利于提升金刚石砂轮加工硬质合金时的锋利度和保形性。
3. 结论
（1）TiH2的加入对Cu3Sn球磨粉末有抑制增氧的作用，可促进粉末烧结。当TiH2的质量分数为2.0%时，氧质量分数从0.67%降低到最小值0.51%。
（2）TiH2的加入使金刚石与胎体之间形成Ti—C键，提高了结合剂对金刚石的把持力，可提高其抗弯强度和硬度；加入量较多时，抗弯强度和硬度反而下降。当TiH2的质量分数为1.5%时，抗弯强度达到最大值80.74 MPa；当TiH2的质量分数为2.0%时，洛氏硬度达到最大值109.88 HRB。
（3）TiH2的加入可提升砂轮的磨削性能，即同时提升锋利度和保形性。磨削YG8硬质合金时，加入2.0%质量分数的TiH2可使砂轮的最快进给速率从0.020 mm / 次提升到0.035 mm / 次。磨削比从51.09提升到最大值172.03。
-
图 1 Cu3Sn + 1.5% TiH2球磨粉末的SEM二次电子像
Figure 1. SEM secondary electron images of Cu3Sn + 1.5% TiH2 ball-milling powder
图 2 Cu3Sn与不同质量分数TiH2混合粉末在球磨前后的粒度（D50）
Figure 2. Particle size （D50） of Cu3Sn powders mixed with different contents of TiH2 before and after ball-milling
图 3 TiH2粉末球磨前后的XRD图谱
Figure 3. XRD pattern of TiH2 powder with and without ball-milling
图 4 Cu3Sn与不同含量TiH2混合粉末以及纯TiH2粉末球磨前后的氧含量
Figure 4. O content of Cu3Sn powders mixed with different contents of TiH2 and pure TiH2 powder before and after ball-milling
图 5 Cu3Sn、Cu3Sn + TiH2以及TiH2球磨后的DSC曲线
Figure 5. DSC curves of Cu3Sn, Cu3Sn + TiH2 and TiH2 after ball-milling
图 6 TiH2对金刚石磨块抗弯强度和洛氏硬度的影响
Figure 6. Effect of TiH2 on flexural strength and Rockwell hardness of diamond grinding block
图 7 Cu3Sn + 2.5% TiH2和Cu3Sn金刚石磨块的红外光谱
Figure 7. Infrared spectra of Cu3Sn diamond grinding blocks with 2.5% TiH2 and without TiH2
图 8 TiH2加入量对金刚石磨块断面单位面积金刚石数量的影响
Figure 8. Effect of TiH2 addition on number of diamonds per unit area of diamond grinding block section
图 10 TiH2加入量对砂轮磨削比的影响
Figure 10. Effect of TiH2 addition on grinding ratio of grinding wheel
表 1 实验试剂
Table 1. Experimental reagents
试剂 纯度 /
质量分数粒度 生产商 Cu3Sn ＞99.9% 9.394 μm
（D50）有研新材料股份有限公司 TiH2 ＞99.7% ＜38 μm 成都国衡科技有限公司 无水乙醇 AR，＞99.7% 湖南汇虹试剂有限公司 球形石墨 ＞99.0% 20～30 μm 中钢碳素化学股份有限公司 金刚石 ＞98.0% 53 / 45 μm 郑州金开新材料科技
有限公司硬脂酸 AR 天津市科密欧化学试剂
有限公司浓盐酸 AR，36.0%～38.0% 国药集团化学试剂有限公司 浓硝酸 AR，65.0%～68.0% 国药集团化学试剂有限公司 
下载: 导出CSV
表 2 实验仪器
Table 2. Experimental instruments
仪器 型号 制造商 行星式球磨机 XQM-2 长沙天创粉末技术
有限公司电热恒温烘箱 101-3 兴化市金虎电热电器
有限公司三维混料机 Turbula T2C Willy A. Bachofen AG
Maschinenfabrik四柱液压机 YQ32-400 山东滕州泰力数控机床
有限公司箱式电阻炉 SX-12-10 长沙市长城电炉厂 场发射扫描电子显微镜 Quanta FEG 250 FEI Company, Inc. 激光粒度分布仪 BT-9300H 丹东百特仪器有限公司 X射线衍射仪 Empyrean PANalytical B.V. 氧氮氢分析仪 TCH600 LECO Corporation 同步热分析仪 STA 449F3 NETZSCH 微机控制电子
万能试验机LD25.504 深圳市兰博三思材料检测
有限公司数显洛氏硬度计 200HRS-150 莱州华银试验仪器
有限公司傅里叶变换红外光谱仪 Nicolet™ iS50 Thermo Fisher Scientific Inc. 三维超景深显微镜 VHX- 5000 KEYENCE Corporation 卧轴矩台平面磨床 SG2550AHD 上海启哲实业有限公司
下载: 导出CSV
表 3 金刚石磨块及砂轮的配方设计
Table 3. Formulation of diamond grinding blocks and wheels
样品 Cu3Sn质量
分数 ω1 / %TiH2质量
分数 ω2 / %石墨质量
分数 ω3 / %金刚石质量
分数 ω4 / %对照 88.5 0 1.5 10 1 88.0 0.5 1.5 10 2 87.5 1.0 1.5 10 3 87.0 1.5 1.5 10 4 86.5 2.0 1.5 10 5 86.0 2.5 1.5 10
下载: 导出CSV
表 4 Cu3Sn / TiH2金刚石砂轮磨削YG8硬质合金的实验数据
Table 4. Experimental data of Cu3Sn / TiH2 diamond grinding wheel grinding YG8 cemented carbide
TiH2质量分数
ω2 / %最快进给速率
v / （mm / 次）硬质合金体积变化值
V1 / mm3砂轮体积变化值
V2 / mm3磨削比
G磨耗比
Φ表面粗糙度
Ra / μm0 0.020 10 276.08 201.140 0 51.09 0.019 6 0.07 ~ 0.11 0.5 0.030 10 074.87 241.623 0 41.70 0.024 0 0.05 ~ 0.09 1.0 0.040 10 200.30 247.557 6 41.20 0.024 3 1.5 0.030 10 390.62 109.513 1 94.88 0.015 0 2.0 0.035 10 436.30 60.648 8 172.03 0.005 8 2.5 0.040 10 362.18 144.938 5 71.49 0.014 0
下载: 导出CSV
-
[1] 胡妙. 利用激光熔覆在钢铁表面制备WC-Co耐磨涂层的工艺及机理研究 [D]. 南昌: 南昌大学, 2020.HU Miao. Study on the process and mechanism of WC-Co wear-resistant coating on the surface of steel by laser cladding [D]. Nanchang: Nanchang University, 2020. [2] UPADHYAYA G S. Materials science of cemented carbides: An overview [J]. Materials & Design,2001,22(6):483-489. doi: 10.1016/S0261-3069(01)00007-3 [3] 谭兴龙, 易茂中, 罗崇玲. 球形钴粉的制备及其在超细晶粒硬质合金中的应用 [J]. 中国有色金属学报,2008,18(2):209-214. doi: 10.3321/j.issn:1004-0609.2008.02.003TAN Xinglong, YI Maozhong, LUO Chongling. Preparation of spherical cobalt powder and its application in ultra-fine cemented carbides [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2008,18(2):209-214. doi: 10.3321/j.issn:1004-0609.2008.02.003 [4] HE M, WANG J Y, HE R G, et al. Effect of cobalt content on the microstructure and mechanical properties of coarse grained WC-Co cemented carbides fabricated from chemically coated composite powder [J]. Journal of Alloys and Compounds,2018,766:556-563. doi: 10.1016/j.jallcom.2018.06.366 [5] 李志远, 李益民, 何浩, 等. 磨削硬质合金用金属结合剂金刚石砂轮的性能影响因素 [J]. 有色金属科学与工程,2016,7(6):77-82. doi: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2016.06.013LI Zhiyuan, LI Yimin, HE Hao, et al. Metallic bond diamond grinding wheel for grinding cemented carbide [J]. Nonferrous Metals Science and Engineering,2016,7(6):77-82. doi: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2016.06.013 [6] 范红伟, 袁巨龙, 吕冰海, 等. 金属结合剂砂轮的研究与发展 [J]. 航空精密制造技术,2010,46(4):38-41. doi: 10.3969/j.issn.1003-5451.2010.04.010FAN Hongwei, YUAN Julong, LV Binghai, et al. Progress and prospects of metal bonded grinding wheel [J]. Aviation Precision Manufacturing Technology,2010,46(4):38-41. doi: 10.3969/j.issn.1003-5451.2010.04.010 [7] 何聪华, 袁慧. 精密金刚石砂轮的制造、修整及其磨削机理研究进展 [J]. 超硬材料工程,2008,20(4):30-36. doi: 10.3969/j.issn.1673-1433.2008.04.009HE Conghua, YUAN Hui. Development of research on the manufacturing, dressing and grinding mechanism of diamond grinding wheel [J]. Superhard Material Engineering,2008,20(4):30-36. doi: 10.3969/j.issn.1673-1433.2008.04.009 [8] 杨佳乐, 尹育航, 刘震, 等. 稀土元素及其化合物在超硬磨具中的应用 [J]. 中国稀土学报,2021,39(6):871-880. doi: 10.11785/S1000-4343.20210605YANG Jiale, YIN Yuhang, LIU Zhen, et al. Application of rare earth elements and their compounds in superhard abrasive tools [J]. Journal of the Chinese Society of Rare Earths,2021,39(6):871-880. doi: 10.11785/S1000-4343.20210605 [9] CHEN S P, KANG X Y, HE Y H. Study on the preparation of NiAl intermetallic-bonded diamond grinding block and grinding performance for sapphire [J]. Diamond and Related Materials,2022,130:109490. doi: 10.1016/j.diamond.2022.109490 [10] 唐洲, 贺跃辉, 陈帅鹏. 烧结温度对Ti-Al金属间化合物黏结剂金刚石磨块力学性能和磨削性能的影响 [J]. 粉末冶金材料科学与工程,2023,28(3):288-295. doi: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023032TANG Zhou, HE Yuehui, CHEN Shuaipeng. Effects of sintering temperature on mechanical and grinding properties of Ti-Al intermetallic-bonded diamond grinding block [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy,2023,28(3):288-295. doi: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023032 [11] 高洪吾, 刘士魁, 赵彦波, 等. 加热氧化处理对TiH2释氢行为的影响 [J]. 中国有色金属学报,2005,15(3):363-367. doi: 10.3321/j.issn:1004-0609.2005.03.007GAO Hongwu, LIU Shikui, ZHAO Yanbo, et al. Effect of heat oxidation treatment on gas release behavior of TiH2 [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2005,15(3):363-367. doi: 10.3321/j.issn:1004-0609.2005.03.007 [12] 王俊程. 基于TiH2 + TiB2反应制备原位TiBw / Ti复合材料的组织性能研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2021.WANG Juncheng. Research on microstructure and properties of in-situ TiBw / Ti composites prepared by basing on the reaction between TiH2 and TiB2 powders [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2021. [13] 刘恒源. 多孔金属结合剂磨具的制备与性能研究 [D]. 郑州: 河南工业大学, 2021.LIU Hengyuan. Study on the process and mechanism of WC-Co wear-resistant coating on the surface of steel by laser cladding [D]. Zhengzhou: Henan University of Technology, 2021. [14] 王耀奇, 张宁, 任学平, 等. 氢化钛的动态分解行为与规律 [J]. 粉末冶金材料科学与工程,2011,16(6):795-798. doi: 10.3969/j.issn.1673-0224.2011.06.001WANG Yaoqi, ZHANG Ning, REN Xueping, et al. Behavior and rule of titanium hydride dynamic decomposition [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy,2011,16(6):795-798. doi: 10.3969/j.issn.1673-0224.2011.06.001 [15] 曹杰义, 肖平安, 雷豹, 等. TiH2粉末的高能行星球磨及超细晶钛烧结 [J]. 中国有色金属学报,2013,23(10):2825-2832. doi: 10.19476/j.ysxb.1004.0609.2013.10.013CAO Jieyi, XIAO Ping'an, LEI Bao, et al. High-energy planetary milling of TiH2 powders and sintering of titanium alloy with ultrafine grains [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2013,23(10):2825-2832. doi: 10.19476/j.ysxb.1004.0609.2013.10.013 [16] 王高峰, 松林, 欧志强, 等. MnFeP0.6Si0.25Ge0.15粉末样品的制备及X射线衍射分析 [J]. 内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版),2007,36(2):156-159. doi: 10.3969/j.issn.1001-8735.2007.02.009WANG Gaofeng, SONG Lin, OU Zhiqiang, et al. Preparation and X-ray diffraction analysis of MnFeP0.6Si0.25Ge0.15 powder [J]. Journal of Inner Mongolia Normal University (Natural Science Edition),2007,36(2):156-159. doi: 10.3969/j.issn.1001-8735.2007.02.009 [17] 丁天然, 龙伟民, 张海燕, 等. 氧含量对金刚石工具胎体力学性能的影响 [J]. 焊接,2013(1):42-44,70-71. doi: 10.3969/j.issn.1001-1382.2013.01.010DING Tianran, LONG Weimin, ZHANG Haiyan, et al. Effect of oxygen content on mechanical properties in diffusion welding Fe-based matrix and diamond tool [J]. Welding & Joining,2013(1):42-44,70-71. doi: 10.3969/j.issn.1001-1382.2013.01.010 -
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 460
- HTML全文浏览量: 193
- PDF下载量: 6
- 被引次数: 0
邮件订阅
RSS
