超硬磨料砂轮的磨粒涂层

魔神

    

　　在未涂层超硬磨料(金刚石和CBN)砂轮的应用中，存在三个日益突出的问题：磨粒把持力不足、磨粒保护不充分和磨粒与结合剂发生不良化学反应(采用金属和陶瓷结合剂的砂轮只存在后两个问题)。采用超硬磨粒涂层技术则有助于解决这三个问题，从而使砂轮的磨削性能得以提高。该技术就是在磨粒与结合剂材料结合并形成砂轮之前在超硬磨粒上涂覆金属基涂层。

　　磨粒涂层的主要目的是使磨粒更牢固地把持在结合剂中。把持力的实际提高程度取决于涂层的类型并与结合剂系统本身有关。例如，镍基涂层通常应用于树脂结合剂砂轮的超硬磨粒，它可通过增加涂层磨粒与结合剂之间的表面积来增强把持力，从而增大二者之间的机械附着力，这有助于防止磨粒过早地从结合剂中剥落，从而能延长砂轮的使用寿命。

　　树脂结合剂砂轮的磨粒涂层

　　超硬磨粒涂层在树脂结合剂砂轮上应用最为普遍，而镍和铜是首选使用的涂层材料。镍是最常用的涂层材料，因为它价格相对低廉且易于涂覆。铜涂层一般应用于干式磨削加工，因为它具有很好的磨削区散热作用。

　　涂层厚度取决于涂层材料。铜涂层通常占涂层磨粒总重量的50%；镍涂层则占涂层磨粒总重量的30%、56%或60%。“涂层占总重量30%时对金刚石磨粒的把持力当然不如占56%时，但其产生的热量更少，”General Industrial Diamond公司(位于新泽西州的Whippany)的技术副总裁Richard Andrews说。“显然，含量56%的镍涂层具有更强的磨粒把持力(把持时间更长)，但它产生的热量也更多。因此，这是一个寻求平衡的问题。”

　　银也可以用作树脂结合剂砂轮的磨粒涂层，尽管它价格昂贵，但具有砂轮需要的润滑性能。“银涂层超硬砂轮主要用于磨削硬质合金钻头的螺旋槽，”Diamond Innovations公司(位于俄亥俄州的Worthington)的高级研发工程师Tim Smith说。

　　最新研发的一种镍涂层具有由许多尖峰组成的表面形态。这些尖峰大大增加了涂层磨粒与结合剂之间的表面积，从而使磨粒把持力和磨削性能都得到显著提高。

　　金属与陶瓷结合剂砂轮的磨粒涂层

　　在树脂结合剂砂轮大量使用磨粒涂层的同时，一些金属结合剂砂轮也使用了磨粒涂层。“大约80%的涂层用于树脂结合剂砂轮，其余的用于金属结合剂砂轮，”Diamond Abrasives公司(位于纽约)的技术支持经理Gabreil Dontu介绍说。

　　用于金属结合剂砂轮的涂层为金属-碳化物基涂层——这意味着碳化物是在涂层沉积过程中形成的。最常见的涂层材料是碳化钛和碳化铬。“这些涂层在增强磨粒把持力上表现极佳，因为在磨粒/涂层界面上形成了化学键，而在涂层/结合剂界面上形成了金属键。”Smith说。

　　如上所述，除了增强磨粒把持力外，涂层还可提供其它好处。金属-碳化物基涂层还能保护金刚石磨粒免受砂轮制造过程中可能出现的磨粒与结合剂发生不良反应的影响。由于加工金属结合剂金属粉末的工艺温度远比加工树脂结合剂的工艺温度高得多，在高温下，结合剂中的某些元素会浸蚀金刚石磨粒，使磨粒变得脆弱，并最终降低砂轮的寿命和磨削性能。“比如说，铁能浸蚀未涂层的金刚石，在表面形成Fe3C，”Smith说，“这样就容易使金刚石磨粒发生逆变或石墨化，而涂层有助于保护磨粒免受这种剥蚀作用。”

　　金属结合剂砂轮取得的另一项进展是采用碳化硅涂层(称作Si2)，它的主要作用是允许砂轮制造商在结合剂里使用高比例的铁，加工出的砂轮在高温下也不会发生磨粒剥蚀现象。“你可以在100%的铁基结合剂中利用Si2涂层保护金刚石磨粒，”Smith说，“与很多传统的结合剂材料——如使用成本昂贵且对环境有害的钴——相比，这是一个更为经济的选择。”

　　用于陶瓷结合剂砂轮中的超硬磨粒涂层显示出与用于金属结合剂砂轮时相同的优点：有助于控制磨粒与陶瓷结合剂之间潜在的有害化学反应。钛是用于这种超硬磨粒涂层的典型材料，钛涂层有助于减轻磨粒在结合剂中可能发生的不良化学反应。“在金属结合剂砂轮中，涂层是保护金刚石磨粒免受结合剂系统的影响；而在陶瓷结合剂砂轮中，涂层是保护结合剂系统免受CBN磨粒的影响。”Smith说。

　　同样，涂层也增强了磨粒把持力。“在陶瓷结合剂中使用的玻璃料不够‘湿润’，或者说不能与未涂层的磨粒表面很好结合，”Smith说。因此在磨粒上涂覆碳化钛涂层能有效提高磨粒的湿润性并增大把持力。

　　磨粒涂层的缺点

　　使用涂层磨粒超硬砂轮唯一的潜在缺点可能就是成本的增加。“目前市场上供应商为砂轮磨粒涂层收取的额外费用在0.05～0.1美元之间。”Dontu说。但由于涂层可以提高砂轮的使用寿命，因此这笔花费通常还是物有所值。

　　在大多数情况下，磨粒涂层的超硬磨料砂轮比未涂层的砂轮表现更为出色(尽管也有例外)。“如果砂轮制造商不改进结合剂以充分发挥涂层的性能优势，那么终端用户可能就看不出涂层与不涂层之间的区别。”Smith说，“当把结合剂与涂层作为一个整体系统来设计时，可以收到最好的效果。例如，可以将铁基结合剂与Si2涂层配套使用。但如果仍然使用现有的钴基结合剂，那么采用Si2涂层就不会有任何改进性能的效果。”

　　磨粒涂层的选择

　　那么，终端用户如何了解应购买涂层还是未涂层的超硬磨料砂轮呢？他们需要砂轮制造商或超硬磨料制造商的建议。

　　“我们需要终端用户与我们共享砂轮的使用信息，如砂轮用于何种加工以及采用的结合剂类型等，目的在于向用户推荐合适的涂层浓度或涂层材料。”Dontu说。

　　首先需要考虑的是工件材料，它的特性决定了所使用的磨粒类型。砂轮制造商需要了解工件材料的硬度以及它属于铁族材料还是非铁族材料，以决定应选择金刚石磨粒还是CBN磨粒。砂轮制造商还需要了解工件的表面质量要求和加工时的材料去除率。

　　“设计砂轮是一个按部就班的过程，而这一过程总是从使用要求和最终零件的要求开始。”Dontu说。“你首先必须选择磨粒材料的种类，然后确定材料的具体类型，再设计砂轮的尺寸和结合剂。在此基础上，再考虑是否需要涂层。”