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首 頁 >> 技術文章 >>超硬磨料砂輪的磨粒塗層
超硬磨料砂輪的磨粒塗層
日期: 2009-02-10
 
      在未塗層超硬磨料(金剛石和CBN)砂輪的應用中,存在三個日益突出的問題:磨粒把持力不足、磨粒保護不充分和磨粒與結合劑發生不良化學反應(採用金屬和陶瓷結合劑的砂輪只存在後兩個問題)。採用超硬磨粒塗層技術則有助於解決這三個問題,從而使砂輪的磨削性能得以提高。該技術就是在磨粒與結合劑材料結合並形成砂輪之前在超硬磨粒上塗覆金屬基塗層。
 
  磨粒塗層的主要目的是使磨粒更牢固地把持在結合劑中。把持力的實際提高程度取決於塗層的類型並與結合劑系統本身有關。例如,鎳基塗層通常應用於樹脂結合劑砂輪的超硬磨粒,它可通過增加塗層磨粒與結合劑之間的表面積來增強把持力,從而增大二者之間的機械附著力,這有助於防止磨粒過早地從結合劑中剝落,從而能延長砂輪的使用壽命。
 
  樹脂結合劑砂輪的磨粒塗層
 
  超硬磨粒塗層在樹脂結合劑砂輪上應用最為普遍,而鎳和銅是首選使用的塗層材料。鎳是最常用的塗層材料,因為它價格相對低廉且易於塗覆。銅塗層一般應用於幹式磨削加工,因為它具有很好的磨削區散熱作用。
 
  塗層厚度取決於塗層材料。銅塗層通常占塗層磨粒總重量的50;鎳塗層則占塗層磨粒總重量的30、56或60。“塗層占總重量30時對金剛石磨粒的把持力當然不如占56時,但其產生的熱量更少,”GeneralIndustrialDiamond公司(位於新澤西州的Whippany)的技術副總裁RichardAndrews說。“顯然,含量56的鎳塗層具有更強的磨粒把持力(把持時間更長),但它產生的熱量也更多。因此,這是一個尋求平衡的問題。”
 
  銀也可以用作樹脂結合劑砂輪的磨粒塗層,儘管它價格昂貴,但具有砂輪需要的潤滑性能。“銀塗層超硬砂輪主要用於磨削硬質合金鑽頭的螺旋槽,”DiamondInnovations公司(位於俄亥俄州的Worthington)的高級研發工程師TimSmith說。
 
  最新研發的一種鎳塗層具有由許多尖峰組成的表面形態。這些尖峰大大增加了塗層磨粒與結合劑之間的表面積,從而使磨粒把持力和磨削性能都得到顯著提高。
 
  金屬與陶瓷結合劑砂輪的磨粒塗層
 
  在樹脂結合劑砂輪大量使用磨粒塗層的同時,一些金屬結合劑砂輪也使用了磨粒塗層。“大約80的塗層用於樹脂結合劑砂輪,其餘的用於金屬結合劑砂輪,”DiamondAbrasives公司(位於紐約)的技術支援經理GabreilDontu介紹說。
 
  用於金屬結合劑砂輪的塗層為金屬-碳化物基塗層——這意味著碳化物是在塗層沉積過程中形成的。最常見的塗層材料是碳化鈦和碳化鉻。“這些塗層在增強磨粒把持力上表現極佳,因為在磨粒/塗層介面上形成了化學鍵,而在塗層/結合劑介面上形成了金屬鍵。”Smith說。
 
  如上所述,除了增強磨粒把持力外,塗層還可提供其他好處。金屬-碳化物基塗層還能保護金剛石磨粒免受砂輪製造過程中可能出現的磨粒與結合劑發生不良反應的影響。由於加工金屬結合劑金屬粉末的工藝溫度遠比加工樹脂結合劑的工藝溫度高得多,在高溫下,結合劑中的某些元素會浸蝕金剛石磨粒,使磨粒變得脆弱,並最終降低砂輪的壽命和磨削性能。“比如說,鐵能浸蝕未塗層的金剛石,在表面形成Fe3C,”Smith說,“這樣就容易使金剛石磨粒發生逆變或石墨化,而塗層有助於保護磨粒免受這種剝蝕作用。”
 
  金屬結合劑砂輪取得的另一項進展是採用碳化矽塗層(稱作Si2),它的主要作用是允許砂輪製造商在結合劑堥洏帡炊顐猁瘍K,加工出的砂輪在高溫下也不會發生磨粒剝蝕現象。“你可以在100的鐵基結合劑中利用Si2塗層保護金剛石磨粒,”Smith說,“與很多傳統的結合劑材料——如使用成本昂貴且對環境有害的鈷——相比,這是一個更為經濟的選擇。”
 
  用於陶瓷結合劑砂輪中的超硬磨粒塗層顯示出與用於金屬結合劑砂輪時相同的優點:有助於控制磨粒與陶瓷結合劑之間潛在的有害化學反應。鈦是用於這種超硬磨粒塗層的典型材料,鈦塗層有助於減輕磨粒在結合劑中可能發生的不良化學反應。“在金屬結合劑砂輪中,塗層是保護金剛石磨粒免受結合劑系統的影響;而在陶瓷結合劑砂輪中,塗層是保護結合劑系統免受CBN磨粒的影響。”Smith說。
 
  同樣,塗層也增強了磨粒把持力。“在陶瓷結合劑中使用的玻璃料不夠‘濕潤’,或者說不能與未塗層的磨粒表面很好結合,”Smith說。因此在磨粒上塗覆碳化鈦塗層能有效提高磨粒的濕潤性並增大把持力。
 
  磨粒塗層的缺點
 
  使用塗層磨粒超硬砂輪唯一的潛在缺點可能就是成本的增加。“目前市場上供應商為砂輪磨粒塗層收取的額外費用在0.05∼0.1美元之間。”Dontu說。但由於塗層可以提高砂輪的使用壽命,因此這筆花費通常還是物有所值。
 
  在大多數情況下,磨粒塗層的超硬磨料砂輪比未塗層的砂輪表現更為出色(儘管也有例外)。“如果砂輪製造商不改進結合劑以充分發揮塗層的性能優勢,那麼終端用戶可能就看不出塗層與不塗層之間的區別。”Smith說,“當把結合劑與塗層作為一個整體系統來設計時,可以收到最好的效果。例如,可以將鐵基結合劑與Si2塗層配套使用。但如果仍然使用現有的鈷基結合劑,那麼採用Si2塗層就不會有任何改進性能的效果。”
 
  磨粒塗層的選擇
 
  那麼,終端用戶如何瞭解應購買塗層還是未塗層的超硬磨料砂輪呢?他們需要砂輪製造商或超硬磨料製造商的建議。
 
  “我們需要終端用戶與我們共用砂輪的使用資訊,如砂輪用於何種加工以及採用的結合劑類型等,目的在於向用戶推薦合適的塗層濃度或塗層材料。”Dontu說。
 
  首先需要考慮的是工件材料,它的特性決定了所使用的磨粒類型。砂輪製造商需要瞭解工件材料的硬度以及它屬於鐵族材料還是非鐵族材料,以決定應選擇金剛石磨粒還是CBN磨粒。砂輪製造商還需要瞭解工件的表面品質要求和加工時的材料去除率。
 
  “設計砂輪是一個按部就班的過程,而這一過程總是從使用要求和最終零件的要求開始。”Dontu說。“你首先必須選擇磨粒材料的種類,然後確定材料的具體類型,再設計砂輪的尺寸和結合劑。在此基礎上,再考慮是否需要塗層。”
 
 
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