摘要：對(duì)金剛石工具加工硬脆材料時(shí)的磨損及其影響因素的國(guó)內(nèi)外研究成果進(jìn)行了綜述，討論了金剛石工具的磨損機(jī)理和影響金剛石工具磨損的各種因素，提出了需要深入研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
 
　　關(guān)鍵詞：金剛石工具，磨損
 
　　1.引言
　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，硬脆材料(如激光和紅外光學(xué)晶體、陶瓷、石英玻璃、硅晶體和石材等)的應(yīng)用日益廣泛。由于硬脆材料硬度高、脆性大，其物理機(jī)械性能尤其是韌性和強(qiáng)度與金屬材料相比有很大差異，因此這些材料很難甚至不能采用普通的加工方法進(jìn)行加工。金剛石是自然界已知的硬度最高的物質(zhì)，其優(yōu)異的性能使其在硬脆材料加工領(lǐng)域具有廣闊的前景。目前，采用金剛石工具對(duì)硬脆材料進(jìn)行切割和磨削仍是有效的加工方法，如用金剛石切割工具切割石材、用金剛石砂輪磨削陶瓷等。
　　加工硬脆材料的金剛石工具主要有各種金剛石鋸和金剛石砂輪等，盡管各種工具的應(yīng)用范圍和加工特點(diǎn)不同，但其磨損機(jī)理都大致相同。因?yàn)榻饎偸ぞ叩哪p對(duì)工件的加工質(zhì)量和加工過(guò)程的影響很大，工具的磨損性能是反映工具性能、工藝參數(shù)是否合理的一個(gè)重要指標(biāo)，所以對(duì)金剛石工具磨損機(jī)理的研究對(duì)指導(dǎo)金剛石工具的合理制造和工藝參數(shù)的合理選擇具有重要意義。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者致力于金剛石工具磨損機(jī)理的研究，并已取得了可喜的成果。
　　2.金剛石工具磨損機(jī)理的研究
　　用金剛石工具加工硬脆材料時(shí)，由于劇烈摩擦、高溫等的作用，工具不可避免地會(huì)產(chǎn)生磨損，而磨損是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。
　　(1)磨損的三個(gè)階段
　　金剛石工具的磨損由三個(gè)階段組成：初始的快速磨損階段(也稱過(guò)渡階段)、磨損率約為常數(shù)的穩(wěn)定磨損階段以及隨后的加速磨損階段。加速磨損階段表明工具不能繼續(xù)工作，需要重新修整。
　　(2)磨粒磨損形式
　　磨粒磨損形式可分為：整體磨粒、微破碎磨粒、宏觀破碎磨粒、磨粒脫落及磨粒磨平。這幾種磨損形式所占的比例決定于不同的磨損階段、所用工具和被加工材料等。T W Liao等定量研究了微進(jìn)給磨削結(jié)構(gòu)陶瓷時(shí)金剛石砂輪的磨損并指出：在過(guò)渡階段和穩(wěn)定磨損階段，砂輪的磨損不同。過(guò)渡階段的磨損不僅決定于砂輪的規(guī)格、材料特性和磨削條件，更重要的決定于砂輪的制備方法。在過(guò)渡階段，因砂輪剛修整過(guò)，磨粒伸出最大，許多磨粒不參加切削，所以整體磨粒的比例比穩(wěn)定階段高;同時(shí)，修整使許多磨粒伸出過(guò)大，把持力不夠，磨粒脫落的比例比穩(wěn)定階段高;此外，修整會(huì)削弱一些磨粒，使微破碎磨粒的比例比穩(wěn)定階段高。穩(wěn)定階段的磨粒磨損主要是摩擦磨損，較低的微破碎磨粒比例和相對(duì)高的摩擦磨損比例說(shuō)明砂輪沒出現(xiàn)自鋒利現(xiàn)象，這對(duì)加工是不利的。哈工大的仇中軍等通過(guò)用金剛石砂輪磨削氧化鋁陶瓷，指出砂輪的磨損主要是磨粒磨損和磨粒脫落。S Y LUO對(duì)金剛石鋸片切割花崗巖進(jìn)行了研究，指出鋸片的失效主要是由于磨粒宏觀破碎和(或)磨粒脫落，當(dāng)破碎和脫落的磨粒數(shù)超過(guò)1/3時(shí)，工具失效。華僑大學(xué)的于怡青等通過(guò)對(duì)切割石材、混凝土等材料的過(guò)程中金剛石工具表面金剛石及結(jié)合劑狀態(tài)的大量跟蹤觀察和SEM分析表明：整體磨粒保持越久，加工越容易進(jìn)行，工具耐磨度也越高;宏觀破碎狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致金剛石出刃高度顯著下降，甚至失去切削能力;工具切削相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后，磨粒自然磨鈍，出刃高度降低，隨著磨粒周圍結(jié)合劑的進(jìn)一步磨損，對(duì)金剛石的把持力減弱，導(dǎo)致金剛石脫落。徐西鵬等研究鋸切花崗石時(shí)的金剛石節(jié)塊磨損，認(rèn)為金剛石實(shí)際磨損過(guò)程需經(jīng)歷不同的路徑：從完整晶型開始，經(jīng)歷微破碎再到宏觀破碎，最后發(fā)生脫落;也可以開始就發(fā)生脫落。這取決于金剛石的品質(zhì)、所承受載荷和結(jié)合劑等因素。而用于金剛石固位載體的金屬結(jié)合劑的磨損過(guò)程則具有較復(fù)雜的摩擦學(xué)特性?；◢徥那行己徒饎偸樾荚谇邢饕旱膸?dòng)下沖蝕結(jié)合劑表面，在其表面形成沖蝕痕跡，結(jié)合劑在類似流體研削的條件下被磨蝕。金剛石前端的月牙洼凹坑顯示在鋸切過(guò)程中流體形成氣穴而引起沖蝕。此外，結(jié)合劑還受到花崗石中硬質(zhì)點(diǎn)的刮削和犁削，其形貌類似于金屬磨削加工中的紋理。
　　(3)金剛石工具磨損機(jī)理
　　金剛石工具的磨損機(jī)理大致有以下幾種：摩擦磨損、磨粒破碎、結(jié)合劑破碎、磨蝕磨損、表面疲勞和沖擊等，摩擦磨損使磨粒磨鈍和磨平，結(jié)合劑破碎使磨粒脫落，磨蝕磨損由于減弱了結(jié)合劑強(qiáng)度而促進(jìn)了磨粒脫落。不同的加工過(guò)程其磨損機(jī)理是有區(qū)別的，如：用金剛石砂輪微進(jìn)給磨削結(jié)構(gòu)陶瓷時(shí)，金剛石砂輪的磨損主要有三種形式：摩擦磨損、磨粒破碎和結(jié)合劑破碎;除此之外，另一種形式的磨損是結(jié)合劑磨蝕。Yiyang Zhou等用陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削藍(lán)寶石，認(rèn)為陶瓷結(jié)合劑砂輪的磨損主要是結(jié)合劑脆性斷裂，而金屬和樹脂結(jié)合劑砂輪的磨損主要為磨耗和磨蝕。文獻(xiàn)[5]的作者通過(guò)用金剛石鋸片切割花崗巖，指出：工具的磨損機(jī)理主要有四個(gè)：摩擦磨損、磨蝕磨損、表面疲勞和沖擊。徐西鵬等研究鋸切花崗石時(shí)的金剛石節(jié)塊磨損，認(rèn)為金剛石在經(jīng)受與花崗石的直接摩擦磨損的同時(shí)，還受到花崗石切削碎屑的沖擊和腐蝕，其磨損類型可歸結(jié)為：磨粒磨損、沖擊磨損和流體中固體微粒引起的沖蝕。X P XU等定量分析了作用于磨粒上的載荷和切削區(qū)的溫度，認(rèn)為磨粒破碎主要由沖擊力引起，但溫度變化也很重要，因?yàn)樗鼤?huì)引起熱疲勞損壞和熱應(yīng)力。
　　3.影響金剛石工具磨損的因素
　　(1)工具
　　金剛石品級(jí)、含量、粒度、結(jié)合劑與金剛石的匹配及工具形狀等與工具本身有關(guān)的因素是影響工具磨損的重要因素。
　　通常金剛石含量低，功耗也低;但金剛石含量太低，宏觀破碎會(huì)劇增，從而造成出刃高度不足，使功耗反而增加;金剛石含量高，則功耗增加，進(jìn)而導(dǎo)致金剛石脫落，工具耐磨性反而下降。若金剛石品級(jí)較高，在較低含量情況下，其完整晶型率仍較高，節(jié)塊耐磨性高，功耗低，但金剛石品級(jí)應(yīng)與結(jié)合劑選擇相匹配。吳健等分析了金剛石品質(zhì)分散性對(duì)鋸切過(guò)程的影響，指出高質(zhì)量金剛石的耐磨性好，必須要求結(jié)合劑也具有很好的耐磨性，只有這樣才能充分發(fā)揮高質(zhì)量金剛石的作用。而對(duì)低質(zhì)量金剛石，由于其抗壓和抗沖擊能力都較差，即使切割較容易的礦物成分時(shí)也會(huì)發(fā)生較明顯的磨損和破碎，在遇到特別難切割部分時(shí)，一般會(huì)發(fā)生宏觀破碎而失去切削能力，此時(shí)對(duì)結(jié)合劑耐磨性的要求應(yīng)相對(duì)低一些，以保證金剛石有足夠的出刃高度。文獻(xiàn)[10]同時(shí)指出，應(yīng)盡量降低金剛石的品質(zhì)分散性。文獻(xiàn)[8]通過(guò)分析陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪加工藍(lán)寶石過(guò)程中的主軸變形(用變形表示磨削所需法向載荷的變化)，發(fā)現(xiàn)其變形成周期性變化，說(shuō)明砂輪具有自鋒利性，原因是陶瓷結(jié)合劑砂輪的磨損是結(jié)合劑材料的脆性斷裂，從而會(huì)快速出現(xiàn)新的磨粒。而金屬和樹脂結(jié)合劑砂輪的磨損主要為摩擦磨損和磨蝕。Y C Fu等給出了砂輪磨削的優(yōu)化模型，通過(guò)此模型，可根據(jù)加工要求和磨削參數(shù)來(lái)優(yōu)化砂輪(包括磨粒大小、濃度、伸出率和有效磨粒的空間)，也可根據(jù)砂輪和加工要求優(yōu)化磨削參數(shù)(包括磨削深度、砂輪轉(zhuǎn)速和工件進(jìn)給速度)。此外還有不少學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究。
　　(2)加工條件
　　由于金剛石工具的磨損與其負(fù)載狀態(tài)密切相關(guān)，因此加工條件會(huì)對(duì)磨損產(chǎn)生明顯影響。戴向國(guó)等分析了金剛石砂輪切割工程陶瓷時(shí)工藝參數(shù)對(duì)砂輪壽命的影響，認(rèn)為當(dāng)其它參數(shù)一定時(shí)，對(duì)應(yīng)每一切割深度均存在一最佳砂輪速度;當(dāng)切割深度和砂輪速度一定時(shí)，存在一最佳進(jìn)給速度;各工藝參數(shù)對(duì)砂輪徑向磨損量影響的主次順序?yàn)椋荷拜喫俣取懈钌疃取M(jìn)給速度。文獻(xiàn)[17]指出，工具磨損與加工工藝參數(shù)及加工工藝參數(shù)間的協(xié)調(diào)有很大關(guān)系，因此必須對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。Z J Pei分析了精磨硅片時(shí)的情況，得出如下結(jié)論：當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速為4350rpm、夾盤轉(zhuǎn)速為590rpm時(shí)，磨削力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定峰值時(shí)，又回到較低值，并繼續(xù)按此循環(huán)，說(shuō)明砂輪逐漸變鈍，當(dāng)磨削力達(dá)到一定值時(shí)磨粒破碎;當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速為2175rpm、夾盤轉(zhuǎn)速為40rpm時(shí)，砂輪在磨削力較小時(shí)破碎。所以，其磨削力基本為常數(shù)且磨損率高。
　　(3)被加工材料
　　不同的工件材料，其斷裂韌性、硬度等均相差較大，所以工件材料的性質(zhì)也影響金剛石工具的磨損。文獻(xiàn)[19]研究了用金剛石圓鋸切割不同石材時(shí)刀具的磨損并指出：當(dāng)切割硬的花崗石時(shí)，金剛石圓鋸的磨損主要是磨粒的宏觀破碎和脫落，原因是把持力不夠，切削條件惡劣;當(dāng)切割較軟的花崗石時(shí)，完整晶形和磨粒的微觀破碎占較大比例，同時(shí)磨粒脫落所占比例仍然較高，這種磨損使鋸片保持切割能力。徐西鵬認(rèn)為：花崗石中不同礦物的性質(zhì)及變形機(jī)理是決定金剛石失效方式的關(guān)鍵。石英含量越高，金剛石磨損越劇烈;正長(zhǎng)石的含量若明顯高，則鋸切過(guò)程相對(duì)較難進(jìn)行;在相同的鋸切條件下，粒度粗的花崗石較之粒度細(xì)的花崗石更難以發(fā)生解理斷裂。
　　4.結(jié)語(yǔ)
　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)金剛石工具的磨損機(jī)理及其影響因素進(jìn)行了大量研究，取得了令人矚目的成就，對(duì)于指導(dǎo)加工實(shí)踐和進(jìn)一步研究具有重要意義。與此同時(shí)，金剛石工具加工硬脆材料的領(lǐng)域還有許多問(wèn)題，比如研究工具失效的微觀機(jī)理、建立金剛石工具壽命的理論模型等，有待于研究者們不懈努力去解決。