聚晶金刚石研磨工艺及机理研究

魔神

    

图1 PCD材料去除量与研磨时间的关系

图2 干研磨PCD表面粗糙度与研磨时间的关系

图3 PCD干研磨去除量d与法向载荷F的关系

聚晶金刚石(PCD)具有接近天然金刚石的硬度、耐磨性以及与硬质合金相当的抗冲击性，是一种被广泛应用于有色金属和非金属材料精密加工的新型刀具材料。为充分发挥PCD刀具的优良性能，提高加工零件的表面质量，刀具前刀面(PCD表面)需加工成镜面。目前，PCD镜面通常采用树脂基金刚石砂轮进行研磨加工，但由于PCD与所用的金刚石磨料硬度、性质相近，因而与传统的研磨加工有着很大的不同，其研磨机理、研磨工艺具有自身的变化规律。本文对PcD研磨工艺进行了较系统的研究，并对其研磨机理进行了较深入的分析。

1 试验条件

试验在BDJP-902聚晶金刚石研磨机上进行；金刚石砂轮的类型、规格、尺寸为6A2 250×36×50×5 120 B 100，砂轮速度为18.3m/s、；试件为美国GE公司生产的三角形1600PCD90T5/1.6标准刀坯。为提高试验精度，减小试验误差，在一个夹头上同时研磨3个尺寸相同的PCD刀坯，用光较仪测量每片刀坯的去除厚度，取其平均值作为去除量。用干涉仪观察、测量PCD研磨表面形态及粗糙度Rz值，采用JSM-5600LV扫描仪观察PCD研磨表面微观形貌。

2 试验结果

1. 冷却液对去除率及表面粗糙度的影响
   图1所示为PCD干研磨(研磨前砂轮修整10秒钟，冷却液未加在研磨区)和湿研磨(研磨前砂轮修整10秒钟，冷却液加在研磨区)两种条件下材料去除量随研磨时间的变化情况。试验时作用在试件夹头上的法向载荷为20N。
   由图1可知，干研磨材料去除率Q_干与湿研磨材料去除率Q_湿的关系为：研磨初期Q_干=2.54Q_湿；中期Q_干=1.6Q_湿；稳态期Q_干=1.68µm/min，Q_湿≈O。用干涉仪观察、测量PCD表面形态及粗糙度：湿研磨时PCD表面上存在许多深凹坑，研磨130分钟后其表面干涉条纹仍呈断续状态，即Rz>0.3µm，达不到镜面要求；干研磨时表面粗糙度Rz随研磨时间的延长而降低，其关系曲线如图2所示。由图2可知，研磨20分钟时，PCD表面达镜面(Rz≯0.05µm),且再延长研磨时间表面粗糙度基本无变化，但根据表面形态观察结果可知，其平面度有所提高。因此，PCD镜面加工应采用干研磨工艺，在试验条件下，研磨20～30分钟其表面可达镜面；若对研磨表面的平面度要求较高，可适当延长研磨时间。
2. 法向载荷对去除率的影响
   图3所示为PCD干研磨时作用在试件夹头上的法向载荷F与材料去除率Q的关系。由图3可知，材料去除率Q随着法向载荷F的增大而增加，且存在一个折点A(F=15N)，当≤15N时，其去除率Q以较小的幅度随着F的增大而增加，当F>15N时，其去除率O随着F的增大而大幅度增加。

3 结果分析及机理探讨

为了弄清产生上述试验结果的原因，需对PCD材料去除机理进行探讨。

图4 PCD未研磨表面形貌

图5 PCD湿研磨表面形貌

图6 PCD干研磨表面形貌

1. 湿研磨去除机理
   图4、图5分别为PCD未研磨、湿研磨表面形貌的SEM照片。由图可知，湿研磨表面虽也凹凸不平，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PCD表面发生了脆性去除。笔者认为其脆性去除方式是动载脆性去除(即疲劳脆性去除)而不是静载脆性去除。这是因为研磨状态下法向载荷F较小(20N)，作用在PDD表面上的应力大大低于静载荷下产生裂纹的极限应力值，因此基本不会发生静载脆性去除。但英国学者coopr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。而研磨过程中PCD片承受的是交变冲击载荷，因此将会产生疲劳脆性去除。湿研磨时PCD材料的脆性去除方式正是这种疲劳脆性去除。在图5中同时还可观察到局部平滑区，这是PCD局部发生热化学去除的结果。因湿研磨时虽然冷却液加在研磨区内，PCD表面与砂轮间产生的摩擦热大部分被冷却液带走，研磨区平均温度较低，但仍会产生局部高温接触点，使此处PCD材料产生氧化、石墨化的热化学去除。由此可见，PCD材料湿研磨时，其去除机理以疲劳脆性去除为主，同时存在局部的热化学去除。
2. 干研磨去除机理
   PCD干研磨表面的SEM照片如图6所示。从图中可看到其表面呈平滑形貌，基本无剥落坑，说明干研磨时PCD材料基本不发生疲劳脆性去除。笔者认为，干研磨时PCD材料去除机理应以热化学去除为主。这是因为干研磨时冷却液未加在研磨区，PCD材料表面与砂轮中金刚石磨粒间产生的摩擦热只能通过PCD片和砂轮扩散出去，所以研磨区平均温度较高。另外，在高温非高压条件下，石墨或无定形碳是热力学上碳的稳定结构，金刚石的硬度随着温度的升高(T>350℃)而降低，且研磨是在空气氛围下进行，PCD材料表面将会发生氧化、石墨化，同时表面还会产生一定的硬度软化层。同时砂轮中金刚石磨粒也将发生氧化、石墨化，产生硬度软化层，但程度较轻，且磨粒硬度高于PCD软化层硬度。因为干研磨时冷却液加在砂轮非工作层的基体上，砂轮中金刚石磨粒初始温度较低，因此磨粒工作温度比PCD片低；另外，磨粒瞬时通过研磨区，其保温时间比PCD片短，有研究表明：温度不变，金刚石烧失率随着保温时间呈线性增加；而且PCD材料中残存触媒钻等，在高温非高压条件下又进一步促使其产生氧化、石墨化和硬度软化。所以，干研磨时PCD材料的热化学去除包括PCD表面氧化、石墨化去除以及因磨粒硬度高于PCD软化层硬度而产生一定的机械去除，由于产生机械去除的原因是热作用的结果，所以在此称为机械热去除。

综上所述，由于干、湿研磨时PCD材料去除机理不同，从而导致干、湿研磨时材料去除率明显不同，即Q_干＞Q_湿。湿研磨时材料去除机理以疲劳脆性去除为主，而干研磨时材料去除机理以热化学去除为主，基本不发生疲劳脆性去除，所以湿研磨不能使PCD表面达到镜面，而干研磨当砂轮磨损到一定程度时将会使PCD表面达到镜面。干研磨时，随着法向载荷F的增大，研磨区温度将升高，PCD材料更易产生热化学去除，所以其去除率口随着法向载荷F的增大而增加(见图3)。由耶格尔的观点可知：温升与载荷F成正比。因此，材料去除率Q应与F基本成正比，但图3中却存在折点A(F=15N)，这与耶格尔的观点并不矛盾，只是以折点A为分界点，PCD材料的热化学去除方式发生变化而已。当F≤15N时，由于法向载荷F较小，研磨区平均温度T＜750℃，因此其热化学去除将以机械热去除方式为主，以局部氧化、石墨化去除方式为辅；当F＞15N时，研磨区平均温度T＞750℃，其热化学去除将同时以PCD表面氧化、石墨化及机械热去除方式进行，因此材料去除率远大于F≤15N时的去除率。

从上述分析可知：只有干研磨才能使PCD表面达到镜面，而PCD干研磨时材料的去除机理是热化学去除，因此可以尝试采用价格低廉、熔点较高的非金刚石磨粒的砂轮进行研磨加工，以降低PCD刀具的加工成本；干研磨时，高材料去除率必然带来研磨后PCD表面硬度软化加剧，这将在一定程度上影响PCD刀具的使用寿命，因此PCD表面的镜面加工应采用逐渐减载的干研磨工艺，既可保持较高的研磨效率，又可降低研磨后表面硬度的软化程度。

4 结论及展望

1. PCD表面湿研磨时，材料的去除机理以疲劳脆性去除为主，同时存在局部的热化学去除。
2. PCD表面干研磨时，材料的去除机理以热化学去除为主，基本不发生疲劳脆性去除。热化学去除方式为PCD表面氧化、石墨化及机械热去除。
3. PCD表面的镜面加工应采用干研磨工艺，而且应采用逐渐减载的研磨工艺，这既可保持较高的研磨效率，又可降低研磨后表面硬度的软化程度，从而延长刀具的使用寿命。
4. 试验条件下，1600PCD干研磨20～30分钟即可达镜面，如载荷增加，研磨时间可进一步缩短。
5. PCD镜面研磨机理是以热化学去除为主，可以尝试采用价格低廉、熔点及硬度较高的非金刚石磨粒的砂轮对PCD材料进行研磨加工，以降低PCD刀具加工成本。