聚晶金刚石研磨工艺及机理研究
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6A2250×36×50×5120B100，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 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。 PCD材料去除量与研磨时间的关系 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 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。 1)湿研磨去除机理 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 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。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。石材
科学家设计出超硬新材料
图注：加州大学洛杉矶分校科学家制造出“超硬材料”二硼化铼。图中展示的是二硼化铼的粉未形态。这些粉未是通过加热熔炉中的元素炼制而成，其程序与电弧熔化炼丹法类似。 据报道，超硬材料的用途非常广泛，无论是钻探石油和修公路用的钻头，还是精密仪器和手表表面的抗摩涂层，都需要使用超硬材料。加州大学洛杉矶分校科学家开发出一种制造超硬材料的新方法，他们制造的超硬材料具有的耐摩性和抗裂性。他们的发现已经刊登在4月20日出版的《科学杂志》上。 这项研究的合著者查德·B·凯恩是加州大学洛杉矶分校无机化学、材料科学和工程学教授。他认为，金刚石之所以是世界上硬的材料，是因为金刚石的碳原子间具有极短的共价键。实事上，世界上所用的大多数金刚石都是人工合成的，而且价格非常昂贵。金刚石粉未可用于制造石油钻头、筑路机和挖山洞用的挖穴机。然而，金刚石不能用于切割钢铁，因为切割钢铁将毁坏金刚石刀片。凯恩说，立方结构的氮化硼是金刚石的替代品，可以用来用来切割钢铁，但它是在非常高的温度和压力条件上合成的，其价格比金刚石还要昂贵。 超硬材料具有“超级不可压缩性”，意思是它们具有抵抗外形变化的抗性，这正是产生硬度的必要条件。制造超硬材料的方法有两种：一种是通过使用碳元素并将其与硼或氮合成在一起来仿制金刚石，从而保持较短的共价键；另一种是寻找具有“不可压缩性”的金属并设法使其坚硬。凯恩和他的同事正在发展第二种方法。凯恩说：“我们的设想是合成一种‘不可压缩的’金属，这种金属碰巧是低硬度的，但它具有可以使其变硬的短共价键。”凯恩是加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究院成员，该研究院鼓励通过跨学科合作来解决纳米科学和纳米技术领域的相关问题。 锇是一种相对柔软的金属元素，是目前所知道的具“不可压缩性”的金属，2005年，凯恩的研究团队把锇元素与短共价键原子合成在一起，制造出一种几乎与金刚石同样“不可压缩的”材料。它是如此坚硬，甚至可以在硬度达9级的蓝宝石上划出痕迹（硬度的划分级别为1－10级）。“我们发现，如果我们把硼和锇结合在一起，我们只能使锇金属中锇原子的分隔距离扩大10%，这已经非常不错了；如果你想尽可能地缩小原子之间的分隔距离，就需要寻找更好的过渡金属。”凯恩说：“于是我们仔细搜索了所有过渡金属以确认是否有比锇更好的过渡金属，从而使膨胀系数少于10%。我们发现只有铼具有这种潜力，因此，我们制造出二硼化铼。” 铼是一种高密度、低硬度的金属，它在元素周期表中刚好排在锇元素的后面。“我们合成出了短共价键，我们只能使铼金属中铼原子的分隔距离扩大5%，从而使其既具有‘不可压缩性’又非常坚硬。铼金属中的铼原子之间的距离仅膨胀了5%——这是这篇科学论文的关键。在某个方向上，二硼化铼的‘不可压缩性’与金刚石相同，在另一个方向上，二硼化铼的‘可压缩性’仅比金刚石稍高。”在低作用力下，二硼化铼的硬度与立方结构的氮化硼相等，而氮化硼是第二硬的材料。在更高的作用力下，二硼化铼的硬度仅比氮化硼稍低。凯恩称：“我们的材料非常坚硬，足以划破金刚石，比二硼化锇要硬得多。” 而且其它超硬材料，包括金刚石和立方结构的氮化硼都是在昂贵的高压条件下制造出来的。凯恩说，“我们的材料只需要通过一种简单的程序就可以制造出来，不需要使用压力。”在谈到合作时，凯恩说，“我之所以来到加州大学洛杉矶分校，之所以喜欢这个地方，是因为无论你做什么，比如，以我个人来说，无论你何时想要制造一种新材料，你经常需要你自己不具有的设备和技能。而加州大学洛杉矶分校拥有材料制造领域的和相应的设备，每次我有疑问时，所有人都乐于帮助我进行实验并积极地与我合作。”凯恩认为，尽管新超硬材料有的潜力，但它们还不可能在短时间内取代金刚石。石材
六个步骤教你轻松驾驭云石切割机
给大家介绍一下云石切割机，它是，作为一种切割石材的电动机具，具有体积小、不受施工场地限制、重量轻、易于携带、操作简单、维修方便等优点，它是电工在装修装饰工程施工中在墙壁上切割线槽的常用工具之一。 （1）操作前检查电源电压和切割机额定电压是否相符，开关是否灵敏有效，切割片是否完好，确认无误后方可开机。（2）调节切割深度。旋松深度尺上的蝶形螺母并上下移动平台板，在预定的深度拧紧蝶形螺母以固定平台板。（3）安装冷水管。旋松固定管夹的蝶形螺母，将尼龙管接在水管上，拧紧蝶形螺母将水管用管夹夹紧。然后将尼龙管的一端接在旋塞上，另一端用连接器接到水龙头上。打开水龙头，调节旋塞即可调节水量。（4）启动切割机，只要压下把手开关即可。放开把手开关工具即停止转动。要使切割机连续转动，压下把手开关后再压下锁钮即可。（5）调准平台板，应将切割机平台板前部边缘与加工件上的切割线对齐。（6）调节好水的流量，握紧机具把手，将工具底板放在要切割的工件上面而不使切割片与工件接触，然后启动机具。待机具达到额定转速，方可缓慢地沿着工件表面向前移动。机具推进应保持基本水平，割口顺直光滑，前进速度均匀。停止操作，要等切割片完全停止转动后再将机具移出，以免损坏锯片。石材切割机只能用于水平直线切割，不能进行垂直或曲线切割。
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