D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.10.011 第30卷第10期 北京科技大学学报 Vol.30 No.10 2008年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2008 钎焊金刚石磨粒焊接强度 张国青12)黄辉)徐西鹏2) 1)池州学院机械与电子工程系，池州2470002)华侨大学石材加工研究重点实验室，泉州362021 摘要利用高频感应钎焊技术制备单层金刚石静强度实验样块和磨削砂轮，比较了单颗金刚石磨粒在磨削过程中所承受 的平均法向和切向载荷分别与其钎焊后的静压强度和静剪切强度大小，结合对磨削过程中磨粒的磨损形态的观察，揭示钎焊 金刚石砂轮在磨削过程中金刚石磨粒的磨损机理。实验结果表明：一般磨削过程中金刚石磨粒所承受的载荷远小于其静强 度：钎焊后磨粒的静强度主要受钎焊时的真空度和钎焊加热时间的影响，真空度越高，静强度越大，钎焊时间越长，静压强度 损失越大，而静剪切强度却存在一个最佳的钎焊时间：利用高频感应加热方式制备金刚石工具的磨粒焊接强度，完全能满足 一般磨削加工要求，在磨削过程中磨粒以微破碎为主，很少有脱落和整颗折断现象。 关键词磨削砂轮：钎焊；磨粒磨损；钎焊强度：磨削力 分类号TG74+3:TG454 Welding strength of brazing diamond grits ZHA NG Guoqing),HUANG Hui),XU Xipeng) 1)Department of Mechanical and Electrical Engineering.Chizhou College.Chizhou.247000 2)Key Lab of Fujian Province for Stone Machining.Huaqiao University.Quarzhou.362021 ABSTRACI Monolayer diamond grinding wheels and static strength samples were prepared by the HF induction brazing technology under different conditions.The normal abrasion behavior of diamond grits was found out through the comparison between the single grit s tangential and normal component force during grinding and the static compressive strength and static shearing strength of dia- mond grains after being brazed.As the same time,the abrasion state of diamond grits during grinding was observed.The results show that the load applied to diamond grains during grinding process is much smaller than their static strength after being brazed.The static strength of diamond grits after being brazed is influenced by vacuum degree and heating time during brazing process.The static strength is strong under the conditions of high vacuum degree and the static compressive strength loses much under the conditions of long brazing time.Otherwise.the static shearing strength is associated to an optimal brazing time.Diamond tools fabricated by the HF induction brazing technology meet the needs of normal grinding fields.Most of the grits are micro-broken during grinding and on- ly a few of them are pulled-out or broken"off. KEY WORDS grinding wheel:brazing:grain abrasion:brazing strength:grinding force 金刚石具有极高的硬度和良好的耐磨性，广泛 合[2)]，因而克服了传统砂轮在磨削过程中磨粒脱 用于硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃、半导体材料、花 落甚至砂轮整体失效的弊端。目前应用到钎焊单层 岗岩等硬脆材料的加工领域山.除了自由磨料加工 金刚石工具制造的加热方法有炉中钎焊闺、盐浴钎 以外，传统的金刚石工具要求金刚石颗粒必须固结 焊、激光钎焊和高频感应钎焊。无论采用何种加热 在基体（胎体）上才能实现加工·固结金刚石磨粒的 方式，保证基体与金刚石磨粒之间的牢固结合是钎 方法有很多，如电镀和烧结.钎焊金刚石技术是近 焊法制备金刚石工具的关键要素，因此如何评价钎 30年发展起来的一种新的固结方法，钎焊单层金刚 焊金刚石工具中结合剂对金刚石的把持力显得尤为 石工具，由于其结合界面上存在牢固的冶金化学结 重要，文献[5]采用金刚石单晶颗粒平面单层紧密 收稿日期：2007-07-26修回日期：2008-04-17 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50305006):安微省厅级资助项目(Na,KJ2008B277) 作者简介：张国青(1977-)，男，讲师，博士研究生：徐西鹏(1965一)，男：教授，博士生导师，E-mail:xpxn@hqu-edu:cm
钎焊金刚石磨粒焊接强度 张国青12） 黄 辉2） 徐西鹏2） 1） 池州学院机械与电子工程系池州247000 2） 华侨大学石材加工研究重点实验室泉州362021 摘 要 利用高频感应钎焊技术制备单层金刚石静强度实验样块和磨削砂轮比较了单颗金刚石磨粒在磨削过程中所承受 的平均法向和切向载荷分别与其钎焊后的静压强度和静剪切强度大小结合对磨削过程中磨粒的磨损形态的观察揭示钎焊 金刚石砂轮在磨削过程中金刚石磨粒的磨损机理．实验结果表明：一般磨削过程中金刚石磨粒所承受的载荷远小于其静强 度；钎焊后磨粒的静强度主要受钎焊时的真空度和钎焊加热时间的影响真空度越高静强度越大钎焊时间越长静压强度 损失越大而静剪切强度却存在一个最佳的钎焊时间；利用高频感应加热方式制备金刚石工具的磨粒焊接强度完全能满足 一般磨削加工要求在磨削过程中磨粒以微破碎为主很少有脱落和整颗折断现象． 关键词 磨削砂轮；钎焊；磨粒磨损；钎焊强度；磨削力 分类号 TG74＋3；TG454 Welding strength of brazing diamond grits ZHA NG Guoqing 12）HUA NG Hui 2）XU Xipeng 2） 1） Department of Mechanical and Electrical EngineeringChizhou CollegeChizhou247000 2） Key Lab of Fujian Province for Stone MachiningHuaqiao UniversityQuanzhou362021 ABSTRACT Monolayer diamond grinding wheels and static strength samples were prepared by the HF induction brazing technology under different conditions．T he normal abrasion behavior of diamond grits was found out through the comparison between the single grit’s tangential and normal component force during grinding and the static compressive strength and static shearing strength of diamond grains after being brazed．As the same timethe abrasion state of diamond grits during grinding was observed．T he results show that the load applied to diamond grains during grinding process is much smaller than their static strength after being brazed．T he static strength of diamond grits after being brazed is influenced by vacuum degree and heating time during brazing process．T he static strength is strong under the conditions of high vacuum degree and the static compressive strength loses much under the conditions of long brazing time．Otherwisethe static shearing strength is associated to an optimal brazing time．Diamond tools fabricated by the HF induction brazing technology meet the needs of normal grinding fields．Most of the grits are micro-broken during grinding and only a few of them are pulled-out or broken-off． KEY WORDS grinding wheel；brazing；grain abrasion；brazing strength；grinding force 收稿日期：2007-07-26 修回日期：2008-04-17 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50305006）；安徽省厅级资助项目（No．KJ2008B277） 作者简介：张国青（1977—）男讲师博士研究生；徐西鹏（1965—）男教授博士生导师E-mail：xpxu＠hqu．edu．cn 金刚石具有极高的硬度和良好的耐磨性广泛 用于硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃、半导体材料、花 岗岩等硬脆材料的加工领域［1］．除了自由磨料加工 以外传统的金刚石工具要求金刚石颗粒必须固结 在基体（胎体）上才能实现加工．固结金刚石磨粒的 方法有很多如电镀和烧结．钎焊金刚石技术是近 30年发展起来的一种新的固结方法钎焊单层金刚 石工具由于其结合界面上存在牢固的冶金化学结 合［2—3］因而克服了传统砂轮在磨削过程中磨粒脱 落甚至砂轮整体失效的弊端．目前应用到钎焊单层 金刚石工具制造的加热方法有炉中钎焊［4］、盐浴钎 焊、激光钎焊和高频感应钎焊．无论采用何种加热 方式保证基体与金刚石磨粒之间的牢固结合是钎 焊法制备金刚石工具的关键要素因此如何评价钎 焊金刚石工具中结合剂对金刚石的把持力显得尤为 重要．文献［5］采用金刚石单晶颗粒平面单层紧密 第30卷 第10期 2008年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．10 Oct．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．10．011
,1150 北京科技大学学报 第30卷 排布的方式，将金刚石颗粒通过钎料与基体钎焊，制 损形貌，具体磨削参数见表2， 备拉伸试样，通过拉伸实验测得钎焊单层金刚石颗 表1山西黑主要成分和性能 粒与基体的结合强度，该方法虽然可以近似检验金 Table 1 Composition and properties of the workpiece 刚石磨粒的钎焊强度，但是只能反映磨粒的静态强 肖氏 抗压 主要成分（质量分数）/% 度，并不能用该强度的大小来解释磨粒在加工过程 质地 硬度 强度/MPa石英 长石 云母及其他成分 中具体破碎方式，研究表明，加工过程中金刚石的 76 细密 137 白 50 破碎机制与加工区内载荷的大小密切相关[)].一般 认为，钎焊金刚石砂轮磨粒的磨损过程为完整一磨 表2磨削加工参数 平（少量）一破碎，磨粒很少发生脱落现象[]，磨粒 Table 2 Parameters of the grinding experiment 利用率高 转速/(rmin-) 切深a./mm 因此，本研究利用高频感应加热方式制备单层 3250,5200,65000.02,0.03.0.04.0.05,0.06,0.07,0.08,0.09 金刚石砂轮和静强度实验样块，通过观察砂轮磨粒 由于在制备砂轮过程中对金刚石进行了严格地 在磨削过程中的磨损状态，以及单颗磨粒的受力情 选型，故可近似认为砂轮表面金刚石磨粒出露高度 况，并测定钎焊后样块磨粒的静剪切强度和静压强 一致，单颗磨粒实际承受的平均切向负荷∫：和法向 度，旨在将磨粒的的静强度和磨粒在一般磨削条件 下所承受的平均载荷联系起来，揭示钎焊金刚石砂 负荷f。为10 F 轮在磨削过程中金刚石磨粒的磨损机理， frCble (1) 1实验装置及实验方法 Fn fCble (2) 1.1磨削实验 式中，C为金刚石砂轮表面有效磨粒数（本实验中 磨削实验装置在万能工具磨床MQ6025A上进 取0,25)，为接触弧长，b为砂轮宽度，F。为砂轮 行，采用干磨削，见图1所示 磨削过程中的法向力，F:为砂轮磨削过程中的切向 磨削力，在切深较小的平面磨削条件下，F。与F, 以及F,与F,在数值上基本相等1]；因此，在计算 砂轮单颗磨粒承受的平均切向载荷∫：和法向负荷 fn时，式(1)和(2)中的F,用实验测得的Fx,Fn用 工件 V 电脑 实验测得的F,代入计算. 测力仪 1.2磨粒静强度测试实验 ↓ 样块的制备采用与砂轮同样的钎焊工艺，具体 放大器 采集卡 钎焊参数见表3.样块钎焊后测定金刚石磨粒的静 压强度和静剪切强度，静压强度设备为MODEL 图1磨削实验装置示意图 GM(MADE IN GE),静剪切强度实验装置示意图 Fig.I Illustration of grinding experimental set up 如图2所示，图中的虚线为剪切块的初始位置，实 磨削用砂轮基体为45号钢，钎焊加热设备为 线是剪切块的剪切位置，为了尽量使金刚石磨粒剪 SP一40AB型高频焊机，钎料为镍基合金粉末，金刚 切时受力状态同磨削时的切向受力状态保持一致， 石磨粒为普通级，粒度30/35，钎焊时间为15s,金刚 实验中保证每次剪切时二者的差值均为200hm·剪 石颗粒间隔为2mm,工件选择较易切削的山西黑， 表3试样的具体钎焊参数 石材性能见表1所示.实验中测量工件承受水平方 Table 3 Parameters of the brazing experiment 向磨削力F.和法向力F,;信号采样用PCI一MIO 试样 钎焊 真空度/ 试样 钎焊 真空度/ 16E一1型采集卡，采样数据传输并存储到电脑中，磨 编号 时间/s Pa 编号 时间/s Pa 削实验中采集卡的采样频率设为3kz,采样时间 13 5 D 13 10-2 10s,数据采集后传输并存储到PC机，经过Labview B 15 5 E 15 10-2 软件对原始信号进行滤波，滤波频率为10z·采用 C 17 5 F 17 10-2 体视数字显微系统观察磨削过程中金刚石颗粒的磨
排布的方式将金刚石颗粒通过钎料与基体钎焊制 备拉伸试样通过拉伸实验测得钎焊单层金刚石颗 粒与基体的结合强度．该方法虽然可以近似检验金 刚石磨粒的钎焊强度但是只能反映磨粒的静态强 度并不能用该强度的大小来解释磨粒在加工过程 中具体破碎方式．研究表明加工过程中金刚石的 破碎机制与加工区内载荷的大小密切相关［6］．一般 认为钎焊金刚石砂轮磨粒的磨损过程为完整—磨 平（少量）—破碎磨粒很少发生脱落现象［7—9］磨粒 利用率高． 因此本研究利用高频感应加热方式制备单层 金刚石砂轮和静强度实验样块通过观察砂轮磨粒 在磨削过程中的磨损状态以及单颗磨粒的受力情 况并测定钎焊后样块磨粒的静剪切强度和静压强 度旨在将磨粒的的静强度和磨粒在一般磨削条件 下所承受的平均载荷联系起来揭示钎焊金刚石砂 轮在磨削过程中金刚石磨粒的磨损机理． 1 实验装置及实验方法 1∙1 磨削实验 磨削实验装置在万能工具磨床 MQ6025A 上进 行采用干磨削见图1所示． 图1 磨削实验装置示意图 Fig．1 Illustration of grinding experimental set-up 磨削用砂轮基体为45号钢．钎焊加热设备为 SP—40AB 型高频焊机钎料为镍基合金粉末金刚 石磨粒为普通级粒度30／35钎焊时间为15s金刚 石颗粒间隔为2mm．工件选择较易切削的山西黑 石材性能见表1所示．实验中测量工件承受水平方 向磨削力 Fx 和法向力 Fy；信号采样用 PCI—MIO— 16E—1型采集卡采样数据传输并存储到电脑中磨 削实验中采集卡的采样频率设为3kHz采样时间 10s数据采集后传输并存储到 PC 机经过 Labview 软件对原始信号进行滤波滤波频率为10Hz．采用 体视数字显微系统观察磨削过程中金刚石颗粒的磨 损形貌．具体磨削参数见表2． 表1 山西黑主要成分和性能 Table1 Composition and properties of the workpiece 肖氏 硬度 质地 抗压 强度／MPa 主要成分（质量分数）／％ 石英 长石 云母及其他成分 76 细密 137 5 45 50 表2 磨削加工参数 Table2 Parameters of the grinding experiment 转速 n／（r·min —1） 切深 ap／mm 325052006500 0∙020∙030∙040∙050∙060∙070∙080∙09 由于在制备砂轮过程中对金刚石进行了严格地 选型故可近似认为砂轮表面金刚石磨粒出露高度 一致单颗磨粒实际承受的平均切向负荷 f t 和法向 负荷 f n 为［10］： f t＝ Ft Cblc （1） f n＝ Fn Cblc （2） 式中C 为金刚石砂轮表面有效磨粒数（本实验中 取0∙25）lc 为接触弧长b 为砂轮宽度Fn 为砂轮 磨削过程中的法向力Ft 为砂轮磨削过程中的切向 磨削力．在切深较小的平面磨削条件下Fn 与 Fy 以及 Ft 与 Fx 在数值上基本相等［10］；因此在计算 砂轮单颗磨粒承受的平均切向载荷 f t 和法向负荷 f n 时式（1）和（2）中的 Ft 用实验测得的 FxFn 用 实验测得的 Fy 代入计算． 1∙2 磨粒静强度测试实验 样块的制备采用与砂轮同样的钎焊工艺具体 钎焊参数见表3．样块钎焊后测定金刚石磨粒的静 压强度和静剪切强度．静压强度设备为 MODEL GM（MADE IN GE）．静剪切强度实验装置示意图 如图2所示．图中的虚线为剪切块的初始位置实 线是剪切块的剪切位置．为了尽量使金刚石磨粒剪 切时受力状态同磨削时的切向受力状态保持一致 实验中保证每次剪切时二者的差值均为200μm．剪 表3 试样的具体钎焊参数 Table3 Parameters of the brazing experiment 试样 编号 钎焊 时间／s 真空度／ Pa A 13 5 B 15 5 C 17 5 试样 编号 钎焊 时间／s 真空度／ Pa D 13 10—2 E 15 10—2 F 17 10—2 ·1150· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第10期 张国青等：钎焊金刚石磨粒焊接强度 ,1151, 线上读出最大剪切力，考虑到金刚石磨粒的各向异 性山]和感应钎焊局部受热不均匀的影响，实验中每 挡块 个试样上钎焊时沿基体圆周上均布40颗金刚石磨 力臂长 粒，静强度数值为40颗磨粒的平均值， 剪切试样 2实验结果及分析 测力仪 一施加载荷 2.1磨削实验结果 2.1.1磨粒的磨损状态 图2剪切实验装置示意图 图3为磨削过程中磨粒的磨损状态随石材切除 Fig.2 Illustration of shearing experimental set up 量的变化趋势，从图中可以看出，除了刚开始磨削 切块材料为45号钢.实验时，固定剪切样块不动， 阶段，由于钎焊工艺和金刚石磨粒本身的因素，有少 先让剪切块同磨粒轻接触，然后通过在机床工作台 数磨粒脱落外，在整个磨削过程中，金刚石主要以破 上匀速施加推力，直到磨粒发生破坏，从力的变化曲 碎为主，很少有脱落现象发生 350 500 300 400 250 200 300 6 磨平磨粒 200 脱落磨粒 黎 破碎磨粒 四 100 8 20406080 100 204060 80 100 20406080100 石材去除体积/cm3 石材去除体积cm3 石材去除体积cm? 图3金刚石磨损状态变化曲线 Fig.3 Wearing state curves of the grits 2.1.2单颗磨粒平均载荷 法向载荷还是平均切向载荷，都随切深的增加而增 图4为钎焊砂轮在磨削过程中金刚石磨粒承受 大，随砂轮转速的提高而减小，磨削过程中单颗磨 的平均载荷随切深a。的变化曲线.从图中可以看 粒承受的载荷非常小，法向最大平均载荷为3N,切 出，在砂轮三种转速条件下，无论是单颗磨粒的平均 向最大平均载荷为1.12N. 33a -'.=3250r-minl .-V=5 200 r.min 12 V=3 250 r.min 3.0 *'=6500r-min 1.0 ◆V=5200rmin V.-6 500 r.min 2.7 0.8 2.4 0.6F 0.4 0.02 0.04 0.060.08 0.2L 0.02 0.04 0.06 0.08 a/mm a/mm 图4单颗磨粒承受平均载荷.(a)f。:(b)fi Fig.4 Average grinding force of the single diamond grit:(a)f(b)f 2.2磨粒静强度结果 更加厉害，图5(b)为钎焊后磨粒的静剪切强度同真 图5为钎焊后金刚石磨粒的静强度测定结果. 空度及钎焊时间的关系图，仅从力的大小来看，不 从图5(a)中可以看出，磨粒的静压强度随钎焊时间 同的真空度，相同的钎焊时间，试样的剪切破坏力不 的增长而急剧变小，在低真空度环境下，强度下降得 相同，在钎料未熔化的情况下，如加热时间为13s
图2 剪切实验装置示意图 Fig．2 Illustration of shearing experimental set-up 切块材料为45号钢．实验时固定剪切样块不动 先让剪切块同磨粒轻接触然后通过在机床工作台 上匀速施加推力直到磨粒发生破坏从力的变化曲 线上读出最大剪切力．考虑到金刚石磨粒的各向异 性［11］和感应钎焊局部受热不均匀的影响实验中每 个试样上钎焊时沿基体圆周上均布40颗金刚石磨 粒静强度数值为40颗磨粒的平均值． 2 实验结果及分析 2∙1 磨削实验结果 2∙1∙1 磨粒的磨损状态 图3为磨削过程中磨粒的磨损状态随石材切除 量的变化趋势．从图中可以看出除了刚开始磨削 阶段由于钎焊工艺和金刚石磨粒本身的因素有少 数磨粒脱落外在整个磨削过程中金刚石主要以破 碎为主很少有脱落现象发生． 图3 金刚石磨损状态变化曲线 Fig．3 Wearing state curves of the grits 2∙1∙2 单颗磨粒平均载荷 图4为钎焊砂轮在磨削过程中金刚石磨粒承受 的平均载荷随切深 ap 的变化曲线．从图中可以看 出在砂轮三种转速条件下无论是单颗磨粒的平均 法向载荷还是平均切向载荷都随切深的增加而增 大随砂轮转速的提高而减小．磨削过程中单颗磨 粒承受的载荷非常小法向最大平均载荷为3N切 向最大平均载荷为1∙12N． 图4 单颗磨粒承受平均载荷．（a） f n；（b） f t Fig．4 Average grinding force of the single diamond grit：（a） f n；（b） f t 2∙2 磨粒静强度结果 图5为钎焊后金刚石磨粒的静强度测定结果． 从图5（a）中可以看出磨粒的静压强度随钎焊时间 的增长而急剧变小在低真空度环境下强度下降得 更加厉害．图5（b）为钎焊后磨粒的静剪切强度同真 空度及钎焊时间的关系图．仅从力的大小来看不 同的真空度相同的钎焊时间试样的剪切破坏力不 相同．在钎料未熔化的情况下如加热时间为13s 第10期 张国青等： 钎焊金刚石磨粒焊接强度 ·1151·
,1152 北京科技大学学报 第30卷 时，两种真空条件下试样的剪切破坏力相差不大，而 样的剪切破坏力近似是低真空环境下的1.5倍，随 当钎焊时间增加到15s时，高真空度环境下钎焊试 着钎焊时间的延长，两者的差值进一步加大， (a) (b)·-真空度5Pa 70 真空度0.01Pa 600 60 500- 50 400 0 真空度0.01Pa ·-真空度SPa 30 300- 20 2000 10上 3 6 9121518 13 15 16 17 轩焊时间s 纤焊时间s 图5磨粒的静压强度(a)和静剪切强度(b)随钎焊时间的变化 Fig.5 Variations of static compressive strength (a)and static shearing strength(b)of grits with brzing time 结合Hirox KH一lOO0体视数字显微系统对样 存在，可能是CrC3和CrC2121],磨粒的静剪切强 块的钎料层的观察，在真空度为5Pa的条件下，钎 度达到40N(如图5()所示)·图6(c)为钎焊时间 焊时间分别为13,15和17s时的钎料层形貌如图6 17s时钎料层的形貌图，此时合金粉末钎料充分熔 所示.图6(a)为钎焊时间13s时的钎料层形貌，此 化，熔化的钎料流动性好，在钎焊加热过程中，通过 时钎料已经有部分熔化，钎料层比较均匀地铺展在 人眼可以观察到有少量熔化的钎料沿基体四周流 基体表面上，熔化的钎料晶体比较细密均匀，未观察 失，使得钎焊后工具的钎料层变薄，磨粒和钎料的结 到磨粒和钎料界面有新的物质生成，其静剪切强度 合面积减少，磨粒的静剪切强度下降到18.9N(如 只有18.8N(如图5(b)所示)·图6(b)为钎焊时间 图5(b)所示)·利用数字显微系统观察，在1000倍 15s时的钎料层形貌图，此时合金粉末钎料熔化充 显示下，发现钎焊后的纤料层晶粒被拉长，在金刚石 分，且有一定的流动性，在体视数字显微系统1000 磨粒和基体结合处有大量的片状物质生成，可能是 倍显示下，可以同时观察到有片状和棱柱状物质的 Cr7C3- 100m 00n 图6钎料层形貌.(a)13s:(b)15s:(c)17s Fig.6 Micrographs of brazing alloy layer:(a)13s:(b)15s:(c)17s 2.3结果分析 大平均切向载荷为1.12N,分别近似是其最小静压 文献[14]指出，金刚石磨粒的静载与动载之间 强度和静剪切强度的1/69和1/17；并且从图3金 有较好的相关性.从图5和图6可以看出，即使是 刚石的磨损状态可知，磨粒大部分发生微破碎，很少 在钎焊时间不充分或者钎焊时间过长的情况下，金 有折断和脱落现象发生， 刚石磨粒的静压强度最小为220.5N,最小静剪切 强度为18.8N;而从图4中可以看出，在一般磨削过 3结论 程中，金刚石磨粒的最大平均法向载荷为3.2N,最 (1)一般磨削条件下，钎焊金刚石磨粒以微破
时两种真空条件下试样的剪切破坏力相差不大而 当钎焊时间增加到15s 时高真空度环境下钎焊试 样的剪切破坏力近似是低真空环境下的1∙5倍随 着钎焊时间的延长两者的差值进一步加大． 图5 磨粒的静压强度（a）和静剪切强度（b）随钎焊时间的变化 Fig．5 Variations of static compressive strength （a） and static shearing strength （b） of grits with brzing time 结合 Hirox KH—1000体视数字显微系统对样 块的钎料层的观察在真空度为5Pa 的条件下钎 焊时间分别为1315和17s 时的钎料层形貌如图6 所示．图6（a）为钎焊时间13s 时的钎料层形貌此 时钎料已经有部分熔化钎料层比较均匀地铺展在 基体表面上熔化的钎料晶体比较细密均匀未观察 到磨粒和钎料界面有新的物质生成其静剪切强度 只有18∙8N（如图5（b）所示）．图6（b）为钎焊时间 15s 时的钎料层形貌图此时合金粉末钎料熔化充 分且有一定的流动性在体视数字显微系统1000 倍显示下可以同时观察到有片状和棱柱状物质的 存在可能是 Cr7C3 和 Cr3C2 ［12—13］磨粒的静剪切强 度达到40N（如图5（b）所示）．图6（c）为钎焊时间 17s 时钎料层的形貌图此时合金粉末钎料充分熔 化熔化的钎料流动性好在钎焊加热过程中通过 人眼可以观察到有少量熔化的钎料沿基体四周流 失使得钎焊后工具的钎料层变薄磨粒和钎料的结 合面积减少磨粒的静剪切强度下降到18∙9N（如 图5（b）所示）．利用数字显微系统观察在1000倍 显示下发现钎焊后的钎料层晶粒被拉长在金刚石 磨粒和基体结合处有大量的片状物质生成可能是 Cr7C3． 图6 钎料层形貌．（a）13s；（b）15s；（c）17s Fig．6 Micrographs of brazing alloy layer：（a）13s；（b）15s；（c）17s 2∙3 结果分析 文献［14］指出金刚石磨粒的静载与动载之间 有较好的相关性．从图5和图6可以看出即使是 在钎焊时间不充分或者钎焊时间过长的情况下金 刚石磨粒的静压强度最小为220∙5N最小静剪切 强度为18∙8N；而从图4中可以看出在一般磨削过 程中金刚石磨粒的最大平均法向载荷为3∙2N最 大平均切向载荷为1∙12N分别近似是其最小静压 强度和静剪切强度的1／69和1／17；并且从图3金 刚石的磨损状态可知磨粒大部分发生微破碎很少 有折断和脱落现象发生． 3 结论 （1） 一般磨削条件下钎焊金刚石磨粒以微破 ·1152· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第10期 张国青等：钎焊金刚石磨粒焊接强度 ,1153. 碎为主，未出现脱落和整颗折断现象， 究.中国机械工程，2004,15(12)：1085) (2)利用一般的钎焊技术制备单层金刚石工 [7]Huang H,Zhang G Q,Xu X P.Study on the wear of brazed dia- mond grits.J Fuzhou Univ Nat Sci,2005,33(3):313 具，钎焊后金刚石磨粒的静压强度随钎焊时间的延 (黄辉，张国青，徐西鹏.钎焊金刚石磨粒磨损性能研究，福州 长而下降，在低真空度条件下下降更加剧烈， 大学学报：自然科学版，2005,33(3)：313) (3)经过高温钎焊后，金刚石磨粒的动强度和 [8]Huang H.Zhan Y J.Xu X P.Characteristics of brazed diamond 静强度之间仍保持一定的联系，利用钎焊技术制备 wear in grinding of granite.Tribology.2007.27(3):279 的磨削工具完全能满足一般磨削要求. (黄辉，詹友基，徐西鹏，磨削花岗岩过程中钎焊金刚石磨损特 征分析.摩擦学学报，2007,27(3)：279) 参考文献 [9]Huang H.Zhang G Q.Zhan Y J.et al.Force in surface grinding of granites with a brazed diamond wheel.Key Eng Mater,2006. [1]Chattopadhyay A K.Hintermann H E.Induction brazing of dia 315/316,185 mond with Ni-Cr hardfacing alloy under argon atmosphere.Surf [10]Xu X P.Li Y.Malkin S.Forces and energy in circular sawing Coat Technol.1991,45:293 and grinding of granite.J Manuf Sci Eng.2001.123:13 [2]Huang S F,Tsai H L.Lin S T.Effects of brazing route and [11]Guo Z M.Song Y Q.Chen H X.et al.Super Hard Material brazing alloy on the interfacial structure between diamond and bonding matrix.Mater Chem Phys.2004.84(2/3):251 8.Tool.Beijing:Metallurgical Industry Press.1966:10 (郭志猛，宋月清，陈宏霞，等·超硬材料与工具，治金工业出版 [3]Khalid F A.Klotz U E,Elsener H R.et al.On the interfacial 社，1996：10) nanostructure of brazed diamond grits.Scripta Mater,2007.50 [12]Xiao B.Xu HJ.Form and distribution characterization of reac- (8):1139 tion products at the brazing interface between Ni-Cr alloy and di- [4]Trenker A.Seidemann H.High vacuum brazing of diamond tools.Ind Diamond Rev.2002.(1):49 amond.Key Eng Mater.2004.258/259:151 [13]Wu Z B.Xu H J.Yao Z J.et al.A research on the framework [5]Yang JJ.Meng W R.He L.Evaluation of the interfacial charac- of organization of brazed mono-layer diamond grinding wheel teristics between diamond and filling alloy using tensile test method.Diamond Abrasives Eng:2004(1):49 with Ni-Cr alloy.JAppl Sei.2002.20(1):10 (武志斌，徐鸿钧，姚正军，等.N℃r合金钎焊单层金刚石砂 (杨吉军，孟卫如，贺林.拉伸法评价钎料/金刚石单晶颗粒的 轮界面结构的研究.应用科学学报，2002,20(1)：10) 界面结合特性.金刚石与磨料磨具工程，2004(1)：49) [14]Zhang J Z.Analysis on determination method of diamond [6]Ma B J.Xu HJ.Fu Y C.Study on the grain damage characteris- strength.Super Hard Mater Gem,2002,14(46):5 tics of diamond quills in face grinding.China Meck Eng.2004. (章兼植，对金刚石强度测定方法的分析·超硬材料与宝石， 15(12)：1085 2002,14(46):5) (马伯江，徐鸿钧，傅玉灿.金刚石磨盘磨削的磨粒损伤特性研
碎为主未出现脱落和整颗折断现象． （2） 利用一般的钎焊技术制备单层金刚石工 具钎焊后金刚石磨粒的静压强度随钎焊时间的延 长而下降在低真空度条件下下降更加剧烈． （3） 经过高温钎焊后金刚石磨粒的动强度和 静强度之间仍保持一定的联系利用钎焊技术制备 的磨削工具完全能满足一般磨削要求． 参 考 文 献 ［1］ Chattopadhyay A KHintermann H E．Induction brazing of diamond with N-i Cr hardfacing alloy under argon atmosphere．Surf Coat Technol199145：293 ［2］ Huang S FTsai H LLin S T．Effects of brazing route and brazing alloy on the interfacial structure between diamond and bonding matrix．Mater Chem Phys200484（2／3）：251 ［3］ Khalid F AKlotz U EElsener H Ret al．On the interfacial nanostructure of brazed diamond grits．Scripta Mater200750 （8）：1139 ［4］ Trenker ASeidemann H． High-vacuum brazing of diamond tools．Ind Diamond Rev2002（1）：49 ［5］ Yang J JMeng W RHe L．Evaluation of the interfacial characteristics between diamond and filling alloy using tensile test method．Diamond Abrasives Eng2004（1）：49 （杨吉军孟卫如贺林．拉伸法评价钎料／金刚石单晶颗粒的 界面结合特性．金刚石与磨料磨具工程2004（1）：49） ［6］ Ma B JXu H JFu Y C．Study on the grain damage characteristics of diamond quills in face grinding．China Mech Eng2004 15（12）：1085 （马伯江徐鸿钧傅玉灿．金刚石磨盘磨削的磨粒损伤特性研 究．中国机械工程200415（12）：1085） ［7］ Huang HZhang G QXu X P．Study on the wear of brazed diamond grits．J Fuz hou Univ Nat Sci200533（3）：313 （黄辉张国青徐西鹏．钎焊金刚石磨粒磨损性能研究．福州 大学学报：自然科学版200533（3）：313） ［8］ Huang HZhan Y JXu X P．Characteristics of brazed diamond wear in grinding of granite．T ribology200727（3）：279 （黄辉詹友基徐西鹏．磨削花岗岩过程中钎焊金刚石磨损特 征分析．摩擦学学报200727（3）：279） ［9］ Huang HZhang G QZhan Y Jet al．Force in surface grinding of granites with a brazed diamond wheel．Key Eng Mater2006 315／316：185 ［10］ Xu X PLi YMalkin S．Forces and energy in circular sawing and grinding of granite．J Manuf Sci Eng2001123：13 ［11］ Guo Z MSong Y QChen H Xet al．Super Hard Material ＆ Tool．Beijing：Metallurgical Industry Press1966：10 （郭志猛宋月清陈宏霞等．超硬材料与工具．冶金工业出版 社1996：10） ［12］ Xiao BXu H J．Form and distribution characterization of reaction products at the brazing interface between N-i Cr alloy and diamond．Key Eng Mater2004258／259：151 ［13］ Wu Z BXu H JYao Z Jet al．A research on the framework of organization of brazed mono-layer diamond grinding wheel with N-i Cr alloy．J Appl Sci200220（1）：10 （武志斌徐鸿钧姚正军等．Ni—Cr 合金钎焊单层金刚石砂 轮界面结构的研究．应用科学学报200220（1）：10） ［14］ Zhang J Z． Analysis on determination method of diamond strength．Super Hard Mater Gem200214（46）：5 （章兼植．对金刚石强度测定方法的分析．超硬材料与宝石 200214（46）：5） 第10期 张国青等： 钎焊金刚石磨粒焊接强度 ·1153·
