轉載自金剛石與磨料磨具工程
周 易, 丁文鋒, 趙 彪
(南京航空航天大學 機電學院, 南京 210016)
摘要 為解決多孔金屬結合劑CBN砂輪在高孔隙率下的強度下降問題，採用球形尿素顆粒為造孔劑，製作孔徑、孔形和孔隙可控的多孔金屬結合劑砂輪磨料層胎體，研究不同載荷情況下的孔隙率和孔隙排布等孔隙結構因素，對多孔金屬結合劑磨料層胎體力學性能的影響規律。結果表明：孔隙有序排布時的胎體彈性模量要小於孔隙無序排布的；胎體材料的屈服強度隨孔隙率增大而下降；在相同孔隙率下，孔隙有序排布的胎體，在縱向受壓、孔隙正向排布的情況下屈服強度更高。
關鍵詞 多孔CBN砂輪; 多孔金屬結合劑; 有序孔隙
在超硬磨料工具中，金屬結合劑砂輪由於具備較好的力學與熱學性能而被廣泛應用[1]，特別是用在加工鎳基高溫合金、鈦合金等難加工材料上[2-7]。然而，金屬結合劑組織緻密且孔隙率較低，磨削加工時磨屑易堵塞氣孔，或是黏附在磨粒和基體表面，導致磨削力增大，磨削溫度升高，降低工件的表面質量。相較於傳統的金屬結合劑材料，通過造孔劑製成的金屬結合劑多孔材料，憑藉其可控的孔隙率、孔形、孔徑及孔的排布方式等，具備了更優、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；並且，開放的孔隙可以為冷卻液提供通道，降低磨削區的溫度，避免工件產生燒傷等現象。
陳珍珍等[11]採用氧化鋁中空顆粒為造孔劑，以Cu-Sn-Ti複合釺料製作多孔複合結合劑砂輪，發現多孔金屬結合劑CBN砂輪在磨削高溫合金時，相較於白剛玉砂輪，其磨削力和磨削溫度均有所降低。由於Cu-Sn-Ti合金具有高的耐磨性和出色的切削性能，因此常用於金剛石和立方氮化硼(CBN)金屬磨削工具中[12-15]。
然而，用氧化鋁陶瓷空心球製備的孔隙為閉孔結構，其容屑空間有限，不利於進一步降低砂輪磨削弧區的溫度。ZHAO等[16]採用球形尿素(CO(NH2)2)顆粒為造孔劑，製作多孔Cu-Sn-Ti複合材料砂輪，發現在保證金屬複合結合劑砂輪強度的同時，有效地提高了砂輪的容屑空間，並降低了磨削弧區的溫度。
與緻密金屬材料相比，多孔金屬材料的力學性能主要受孔隙性質的影響，包括孔隙率、孔形、孔徑以及孔的排布等。由於使用了造孔劑的多孔材料的孔徑、孔形和孔隙排布都是變化的，其彈性模量等力學性能與孔隙率的關係用常用的經驗公式已無法準確估算。因此，有必要在孔徑、孔形和孔隙排布可控情況下，研究孔隙結構對此類多孔材料力學性能的影響。
1 試驗方法與材料製備
1.1 多孔Cu-Sn-Ti複合材料節塊製備
試驗中使用的試樣是尺寸30 mm×8 mm×6 mm的長方體節塊，通過水溶法和真空液相燒結工藝製備而成[9-10]。原材料包括CBN磨粒(80/100)、Cu-Sn-Ti釺料合金粉末(Cu-18%Sn-10%Ti)、MoS2粉末和球形尿素顆粒(φ0.8～1.0 mm)。在Cu-Sn-Ti釺料中添加質量分數10%的MoS2粉末為骨架增強相製作Cu-Sn-Ti複合材料，以避免多孔節塊在高溫燒結過程中發生坍塌。通過控制節塊中球形尿素顆粒的含量，保證節塊的孔隙率在20%～60%變化。
圖1為有序排布多孔節塊的製作工藝流程。首先，使用混料機將Cu-Sn-Ti複合材料和CBN磨粒混合3 h，使各組元混合均勻；通過特製的模具將尿素顆粒有序排布在壓制前的節塊中來實現孔隙的有序排布；再使用DY-20型電動粉末壓片機，在20 MPa壓力下維持30 s，將混合材料和尿素顆粒壓製成型；其次，將壓製成的節塊放入蒸餾水中，在室溫下水溶4 h，利用蒸餾水溶解節塊中的球形尿素顆粒，從而在成型塊中形成有序的多孔結構；再次，將水溶後的成型塊置於恆溫箱中於70 ℃下烘乾，而後在VAF-20真空爐中進行燒結，燒結溫度880 ℃，保溫30 min；最後，將燒結後的節塊在真空爐中冷卻至室溫，從而獲得多孔結構的節塊。燒結期間的加熱和冷卻速率控制在10 ℃/min，壓力約為10-2 Pa。由於節塊中殘留的尿素成分也在燒結過程中被分解去除，最後的節塊形成了多孔結構。
圖1 有序排布多孔節塊的製作工藝流程
Fig. 1 Manufacturing process of orderly arrangement of porous blocks
無序排布多孔節塊的製作工藝流程與圖1大致相同，區別只在於不包含通過模具排布尿素顆粒的環節，而是將造孔劑與複合材料、CBN磨粒混合併攪拌均勻，其餘工序完全相同。孔隙有序排布節塊與無序排布節塊的相關參數，分別如表1、表2所示。
表1 孔隙有序排布節塊的相關參數
Tab. 1 Relevant parameters of blocks with ordered arrangement of pores
表2 孔隙無序排布節塊的相關參數
Tab. 2 Relevant parameters of blocks with disordered arrangement of pores
節塊的壓縮試驗方法如圖2所示。試驗中通過控制尿素的體積分數來控制節塊的孔隙率，節塊的尿素體積分數範圍為20%～60%，其孔隙率範圍也為20%～60%。此外，節塊內的孔隙排布方式也有所區別。在30 mm×8 mm的橫截面上，節塊的孔隙排布方式分為無序排布和有序排布2種，而有序排布又按排布方向分為正向排布和斜向排布。孔隙正向排布即孔隙排布方向與節塊長邊垂直排布，斜向排布為孔隙排布方向與節塊長邊呈一定角度，分別如圖3、圖4所示，圖4的排布角度為45°。且在30 mm×6 mm的橫截面上，孔隙都採用交錯堆疊，以提高節塊的孔隙率。
圖2 壓縮試驗方法
Fig. 2 Compression test method
圖3 孔隙正向排布
Fig. 3 Positive arrangement of pores
圖4 孔隙斜向排布
Fig. 4 Oblique arrangement of pores
1.2 節塊力學性能及形貌結構表徵
採用SANS萬能材料試驗機測試節塊的力學性能，試驗標準為GB/T7314-2005《金屬材料室溫壓縮試驗方法》。在此，將與節塊30 mm×8 mm的面垂直的方向稱為正向，將與節塊30 mm×6 mm的面垂直的方向稱為縱向，將試驗機施壓的方向稱為軸向。壓縮試驗採用2種方式：(1)壓縮力作用在節塊的正向，壓縮的初始長度為節塊的高度；(2)壓縮力作用在節塊的縱向，壓縮的初始長度為節塊的寬度。試驗中，試驗機壓頭在加載速率1 mm/min的定速率模式下軸向壓縮節塊試樣，試樣受到的壓縮力沿軸向遞增，連續檢測節塊的應力和應變值。
用Hitachi S-3400掃描電鏡(SEM)分析壓縮前和壓縮後的節塊微觀結構。採用SEM三維掃描方式，對受壓過程中的節塊微觀結構進行掃描，分析節塊在受壓過程中的變形，尤其是節塊內部孔隙的變形、裂縫的產生和延展情況。
2 試驗結果及分析
2.1 節塊變形的微觀結構與性質
圖5顯示了表2中的第6組無序排布節塊壓縮後的微觀結構。從圖5可明顯看出節塊上由球形尿素顆粒造孔形成的球形孔，以及其受壓後節塊上的孔隙形變和裂縫的延展。
圖5 壓縮後的無序排布節塊微觀結構
Fig. 5 Microstructure of the compressed disordered arrangement blocks
圖6為表2中的第6組無序排布節塊壓縮後的裂縫延展方向。觀察圖6中受壓後的節塊微觀結構可以發現：造成節塊整體壓潰變形的主要原因並不是節塊中由球形尿素顆粒造孔形成的球形孔的變形，而是在孔隙間薄壁處產生並延展的裂縫以及沿裂縫產生的位移，且節塊中的裂縫延展並不總沿同一方向，裂縫的延展方向分別與軸向呈約0°、45°、90°及135°角。
圖7為表2中的第6組無序排布節塊壓縮後裂縫的延展與斷裂圖，可明顯看出節塊內部裂紋的延展與造孔劑形成的球形孔存在關係。
圖7a中的裂紋是沿著球形孔的通孔延展的，這些通孔是由於造孔劑顆粒在節塊中距離過近而產生的，通孔的附近也是球形孔間孔壁最薄的部分。圖7b為圖7a中A區的放大圖，其中的裂紋是沿著通孔與孔壁薄弱處延展的。從圖7c、圖7d中可以看出：裂紋並非與球形孔的形變有關，相反，球形孔在節塊受壓至屈服強度斷裂的過程中並沒有發生明顯的形變。壓縮過程中，節塊在屈服強度附近的形變主要是裂紋擴展導致其斷裂後發生的整體位移。圖7e、圖7f分別為圖7d中B、C區域的放大圖，可以看出：在壓縮過程中，通孔附近的孔壁薄弱處產生了應力集中，使該處的孔壁結構發生了畸變，這顯然是裂紋產生的主因。
2.2 彈性模量
圖8為表2中第4組節塊沿縱向施壓後得出的應力-應變圖。從圖8中可以看出：在受壓過程中，節塊主要經過了3個階段：首先是一個短暫的彈性形變階段，該階段的應變小，但應力急劇上升，此過程是節塊在壓縮時超過屈服強度後發生的脆性形變，節塊內部產生裂紋，裂紋延展並使節塊最終斷裂；之後節塊進入壓潰階段。在此階段，節塊內部不斷產生裂紋，發生斷裂、位移，應變不斷增加，但應力維持在一定範圍內；最終，節塊被完全壓碎，孔隙被壓實，節塊的壓縮過程進入到緊實階段，該階段的特點是節塊的應力隨應變增大呈指數級增長。
圖8 材料縱向壓縮時的應力-應變曲線
Fig. 8 Stress-strain curve of material in longitudinal compression
我們在此著重關注節塊壓縮的第一階段，分析節塊的彈性模量、抗彎強度與屈服強度這3個力學性能指標。節塊的彈性模量決定了節塊在受力時力的大小與其整體變形量間的關係，而節塊的抗彎強度和屈服強度則可作為該材料所能承受的額定工作載荷的參考指標。
圖9為表2中第1～3組節塊與表1中第1～3組節塊測得的節塊彈性模量隨孔隙率大小變化的曲線圖。圖9的數據顯示：孔隙有序排布的節塊的彈性模量要小於孔隙無序排布節塊的。並且，孔隙無序排布與孔隙有序排布2種情況下節塊的彈性模量變化趨勢相反。孔隙無序排布的節塊，其彈性模量隨孔隙率的增大而減小；孔隙有序排布的節塊，其彈性模量隨孔隙率的增大而增大。
圖9 孔隙無序與有序排布對節塊彈性模量的影響
Fig. 9 Effect of disordered and ordered arrangement of pores on the elastic modulus of nodal blocks
2.3 抗彎強度
在新型砂輪的實際磨削加工中，砂輪的磨料層必須具有一定的強度，以防止在加工過程中出現斷裂、壓潰等問題，因此需要研究砂輪磨料層胎體強度的影響因素。圖10為不同孔隙率下無序排布節塊的抗彎強度，試驗採用表2中的第6、8、9、10組節塊。圖10中，隨節塊孔隙率增大，節塊試樣的抗彎強度不斷下降。
圖10 孔隙率對節塊抗彎強度的影響
Fig. 10 Effect of porosity on bending strength of segment
需要指出的是，圖10中試驗節塊的孔隙是無序排布的。由於無序排布方式的製作過程無需特製的模具，所以其孔隙率的變化範圍較大。
2.4 節塊的屈服強度
2.4.1 無序排布下不同孔隙率的影響
圖11為表2中第4～8組無序排布節塊的孔隙率對節塊壓縮時屈服強度的影響。圖11的結果顯示：隨孔隙率增大，節塊的屈服強度不斷下降；且孔隙率40%時節塊的屈服強度較孔隙率20%時節塊的屈服強度下降了近50%，相差約70 MPa。這是因為節塊中孔隙率增大，孔隙之間的孔壁厚度不斷減小，從而導致節塊整體屈服強度變小。
圖11 孔隙率對節塊屈服強度的影響
Fig. 11 Effect of porosity on yield strength of segment
比較圖10和圖11可以發現：孔隙無序排布節塊試樣的抗彎強度與其屈服強度存在對應關係，即在不同的孔隙率下，二者的變化趨勢相同，都隨孔隙率增大而顯著下降。這是因為孔隙無序排布的節塊，孔隙率相同時節塊的彈性模量不變，但力學性能呈現出各向同性，其屈服強度僅隨節塊的寬與高尺寸變化而變化。
由於孔隙有序排布節塊的情況更能反映出孔隙結構對其屈服強度等力學性能的影響，因此重點分析有序排布下節塊的屈服強度。
2.4.2 正向排布下不同壓縮方向的影響
在不同的壓縮方式下，節塊受力會發生變化。而在實際磨削加工中，砂輪磨料層主要受到的力是法向和切向上的法向力和切向力，所以研究這2個方向上節塊的屈服強度，對確定砂輪磨料層在工作狀態下是否有足夠的強度具有現實意義。
圖12為壓縮方向對表1中第4組節塊屈服強度的影響。由圖12可以看出：孔隙有序排布的節塊，受力方向不同，節塊整體的屈服強度也不同，縱向受壓的屈服強度要比正向受壓的強度高出約10 MPa。原因是縱向受壓時，受力截面上的孔隙率要小於正向受壓時的，孔隙率變小，截面上的孔隙壁處的壁厚就變大，裂紋就難在此產生和延展，因而節塊整體的屈服強度也就變高。
圖12 壓縮方向對節塊屈服強度的影響
Fig. 12 Effect of compression direction on yield strength of segment
2.4.3 孔隙排布方向的影響
不同的孔隙排布方向也會對節塊的力學性能產生影響，特別是影響節塊的屈服強度。圖13為縱向受壓情況下，孔隙排布方向對節塊屈服強度的影響，試驗採用表1中的第5組節塊。
圖13 孔隙排布方向對節塊屈服強度的影響
Fig. 13 Effect of pore arrangement direction on yield strength of segment
由圖13可以看出：孔隙排布90°角的屈服強度高於45°角的，其值約高29 MPa。孔隙排布45°角的行、列、層數均與90°角的相同，但行間距有差異。行間距由孔隙排布的行數決定。對於90°角的節塊，行數為14、15、20時，行間距分別為1.10、1.00和0.50 mm。對於45°角的節塊，在行數為20時，行間距為0.16 mm。因為不同的孔隙排布方式會使孔隙的位置朝向發生變化，改變行間距，進而影響孔隙間薄壁的厚度，導致節塊力學性能的變化。
3 結論
對多孔結構的金屬結合劑CBN砂輪磨料層胎體施加不同方向的載荷進行壓縮試驗，探討了其孔隙率和孔隙排布等對材料力學性能的影響規律，得出如下結論：
(1)孔隙有序排布節塊的彈性模量要小於孔隙無序排布節塊的。且孔隙無序排布的節塊的彈性模量隨孔隙率的增大而減小；而孔隙有序排布的節塊，其彈性模量隨孔隙率的增大而增大。
(2)孔隙無序排布的節塊孔隙率增大，孔隙之間的孔壁厚度不斷減小，節塊的抗彎強度和屈服強度不斷下降。
(3)孔隙有序排布的節塊，其屈服強度隨孔隙率增大而下降，但縱向受壓節塊的屈服強度比正向受壓節塊的高10 MPa。
(4)不同的孔隙排布方向會對節塊的屈服強度產生影響，孔隙排布90°角節塊的屈服強度高於45°角的，其值約高29 MPa。
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Effect of pore structure and distribution of porous metal bonded CBN wheel on mechanical properties of abrasive layer matrix
ZHOU Yi, DING Wenfeng, ZHAO Biao
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics, Nanjing 210016, China)
Abstract In order to solve the problem of strength decline of porous metal bonded CBN wheel under high porosity, spherical urea particles were used to make porous metal bonded wheel abrasive layer matrix with controllable pore diameter, pore shape and pore size. The influence of pore structure factors such as porosity and pore arrangement on the mechanical properties of porous metal bonded abrasive layer matrix was studied under different loading conditions. The results show that the elastic modulus of the matrix with ordered pore arrangement is smaller than that with disordered pore arrangement, and that the yield strength of the matrix decreases with the increase of porosity. Under the same porosity, the matrix with ordered arrangement of pores has higher yield strength under the condition of longitudinal compression and positive arrangement of pores.
Key words porous CBN grinding wheel; porous metal bond; ordered pore