聚晶金刚石复合片耐磨性能的喷砂检测方法_王裕昌

实验中喷砂距离 s （ 图 1 ） 有 0． 1 mm 的误差， 压缩 喷砂时间为每 空气的压强变化范围为 0． 7 ～ 0． 8 MPa， 次 20 min。磨料和喷嘴每次使用后更新。经过使用后 磨料的粒度和形貌会发生变化， 为保持相同的喷砂效 需要用新磨料替换旧磨料。 磨料制备方法是对所 率， 购入的商品 SiC 磨料进行筛分， 所用上下筛分别为 40 目和 50 目。同样， 使用后喷嘴内径由 6． 0 mm 扩至6． 7 mm， 也需要更新。 为了提高样品质量称量精度， 每次对 PCD 复合片 样品称量前均用超声波清洗机进行清洗， 再对清洗后 的样品进行消磁和烘干。 消磁对样品准确称量很重 要。如果不消磁， 重复称量同一样品在天平分辨范围 内就得不到一致的质量。 PCD 复合片的耐磨性能可以用两种形式来表示： （ 1 ） 规定时间内样品质量损失 ΔW； （ 2 ） 单位时间样品 t 为喷砂时间。实验采用后者。 质量损失 ΔW / t，
— —喷 砂 检 测 法。该 方 法 采用高速 直 线 运动 的 摘要 提出了一种新的检测 PCD 复合片耐磨性能的 方 法— SiC 磨料粒子束， 取代传统的 SiC 砂轮检测方法中的砂轮作为磨损待测样品的手段， 用规 定 时 间 或 单 位 时 间内的样品质量损失来表征其耐磨性能。原理 上， 只 要 磨 料 粒子 束 的 强 度 足 够 稳 定， 该 方 法 就 具有 相 当 高的再现性。通过一系列实验， 研究了影响检测结果精度的主要参数。通过对比 实 验 证 明了 该 方 法 的 精 度明显高于砂轮检测方法。 关键词 聚晶金刚石; 耐磨性; 喷砂法 中图分类号 TQ164 ； TG74 文献标志码 A
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影响喷砂检测结果的主要因素
影响喷砂检测结果的因素可以分为两大类 。 第一 类， 喷嘴与样品相对位置， 包括喷嘴与样品之间的夹角
图2
Fig． 2
检测用样品
The samples for wear resistance testing
（ 图 1 中的 α） ， 喷嘴出口至样品的距离 （ 图 1 中的 s ） 。 第二类， 决定磨料射流强度的因素， 包括 SiC 磨料的纯 空压机气压、 单位时间内或固定时间内经喷 度和粒度、 嘴喷出的磨料质量及喷嘴内径。上述所有因素都可量 化， 因而能被规范化或标准化， 并作为检测条件加以确 定。为了提高检测结果的再现性， 下面对上述诸因素， 即喷砂检测法的主要误差来源， 进行进一步探讨。 其 他因素如喷砂时间也对结果有影响， 但因易于控制而 不做讨论。 3． 1 喷嘴与样品相对位置 喷嘴与样品之间的距离影响到磨料颗粒撞击到样 品表面的速度， 会影响检测结果。距离很近时， 因样品 直接阻碍喷嘴出口处的压缩空气流的流动 ， 降低磨料 颗粒运动速度， 造成喷砂效率降低。距离很远时， 因空 气阻力的存在， 磨料颗粒运动速度会逐渐降低， 喷砂效 率也会降低。所以， 理论上存在一个最佳距离 s0 ， 在这 个距离上喷砂效率达到最高 （ ΔW ∣ s = s0 = ΔW max ） ， 同 时， 喷砂效率对距离的导数为 0 （ ΔW / s ∣ s = s0 = 0 ） ， 在 s0 附近同样的距离误差 Δs 导致结果 ΔW 的误差也 会达到最小。本研究使用支架固定喷嘴和样品， 将距 离直接设置成 20． 0 mm， 没有进行优化。 喷砂角度 α（ 图 1 ） 的影响。 在磨料射流中磨料颗 粒密度较高时， 磨料颗粒与样品表面发生碰撞后， 还可 能会与从喷嘴直接喷出的磨料颗粒发生碰撞 。 磨料颗
表3
Table 3 No 1 2 3 4 平均值
喷砂实验结果
ΔW/ t / （ mg /min） 0． 784 5 0． 793 0 0． 736 5 0． 827 0 0． 785 3
The results of abrasive test by the sand blasting method ΔW /mg 15． 690 15． 860 14． 730 16． 540 15． 705 t /min 20 20 20 20 20 ΔW 相对误差 － 0． 10% 0． 99% － 6． 21% 5． 32%
耐磨性能是 PCD 复合片的主要性能之一， 准确地 评价 PCD 复合片的耐磨性能对于各类 PCD 复合片的 研究开发以及有关学术交流至关重要 。 产品质量控制、 人们对 PCD 复合片耐磨性能的检测方法进行了大量 的探索， 遗憾的是到目前为止还没有一种高精度的方 。 法 目前， 在 国 内 普 遍 采 用 的 是 根 据 行 业 标 准 JB / T3235 － 1999 规范化的磨耗比测试办法 （ 以下简称砂 ［1 ］ 轮检测方法 ） 。该方法使用陶瓷结合剂 SiC 平行砂 轮， 在一定的线速度和一定的正压力条件下 ， 对待测 PCD 复合 片 的 边 缘 进 行 磨 削， SiC 粒 度 80 目， 待测 PCD 复合片平面表面与磨削切线方向呈 45° 角。 PCD
Experimental parameters taken in the sand blasting method 数值 20． 0 ± 0． 1 0． 76 ± 0． 04 6． 0 ～ 6． 7 50． 0 ± 0． 1 90° ± 5° 40 /50 20． 0
参数 喷砂距离 s / mm 压缩空气压强 p / MPa 喷嘴内径 d / mm 喷嘴长度 l / mm 喷砂角度 α SiC 磨料粒度 / 目 喷砂时间 t / min
复合片的耐磨性能采用磨耗比来量化 。磨耗比的定义 是砂轮磨耗重量损失与 PCD 复合片磨耗重量损失之 则所测样品的耐磨性能越强， 反之亦 比。磨耗比越高， 然。在实际检测中， 因为陶瓷结合剂 SiC 砂轮本身的 SiC 磨料质量指 耐磨性受到陶瓷结合剂配方和粒度、 、 标 砂轮烧结工艺参数等多重复杂因素的影响 ， 不确定 性非常大， 加之待测 PCD 复合片的形状、 尺寸、 乃至倒 角与否以及倒角大小， 导致同一复合片磨耗比检测值 相差一倍甚至数倍的现象频频发生 。 另据作者所知， 金刚石烧结体耐磨性能检测的新 行业标准已经修订完毕， 现在正处于等待有关部门审
文章编号 1006 － 852X（ 2013 ） 04 － 0056 － 05
Wear resistance test for PCD by sand blasting method
WANG Yuchang （ Henan Huanghe Whirlwind Co． ，Ltd，Changge 461500 ，Henan，China） Abstract The wear resistance of PCD is tested by sand blasting method． The new method uses a highspeed
Schematic diagram of the instrument for the sand blasting method
喷砂检测实验所用设备是吸入式喷砂机 （ 北京长 空喷砂设备有限公司 ） ， 喷嘴为普通工业用刚玉喷嘴， 配套使用的空气压缩机是德斯兰压缩机 （ 上海有限公 司生产的型号为 DSＲ － 75 型的螺杆空气压缩机 ） 。 称 量 PCD 复合片样品质量的分析天平 （ AB135 － S 型， Mettler Toledo） 的精度为 0． 01 mg。磨料选择绿色碳化 硅， 这是因为它的硬度比黑色碳化硅和刚玉高 ， 同时具 有较好的自锐性。 碳化硅纯度 99% 以上。 实验参数 如表 1 。
2013 年 8 月 第 4 期 第 33 卷 总第 196 期
金刚石与磨料磨具工程 Diamond ＆ Abrasives Engineering
No． 4
ห้องสมุดไป่ตู้
Aug． 2013 Vol． 33 Serial 196
聚晶金刚石复合片耐磨性能的喷砂检测方法
王裕昌
（ 河南黄河旋风股份有限公司， 河南 长葛 461500 ）
flow of SiC abrasive particles as the tool to wear the sample instead of SiC abrasive wheel in traditional method， and the mass loss of the sample in a given time or unit time is used to describe the wear resistance of the sample． In principle，as soon as the intensity of the abrasive flow is controlled tightly enough，the new method could provide reasonably accurate results． The influences of main parameters upon the testing result in the new method are investigated experimentally． The comparision experiments show that new method exhibited much higher accuracy than the abrasive wheel method． Key words polycrystalline diamond； wear resistance； sand blasting
图1
Fig． 1
喷砂检测方法装置示意图
喷砂检测法中高速运动的固体磨料颗粒对靶材（ 样 品） 形成冲击磨损。从 1958 年喷砂冲击磨损的第一个 — —微切削理论问世以来［2］， 理论— 至今对于材料喷砂冲 击磨损的内在机理仍未能全面揭示， 然而这并不影响喷 砂检测方法的应用， 重要的是喷砂方法能否准确评价复 合片的耐磨性能。正如用较软的 SiC 砂轮磨削 PCD 复 虽然我们对磨削微观机理不了解， 但并不妨 合片一样， 碍我们使用 SiC 砂轮来磨削 PCD 复合片。 为了与传统的方法进行对比， 用砂轮检测法检测 所使用的设备为磨耗比 了 PCD 复合片样品的磨耗比， 测试仪（ JS2000 型， 桂林金刚石工业有限公司 ） 。 称量 砂轮质量采用普通工业天平， 精度为 0． 01 g， 样品称量 所采用的天平及称量流程同喷砂检测法 。 样品材料采用黄河旋风生产的切削用 PCD 复合
第4 期
王裕昌： 聚晶金刚石复合片耐磨性能的喷砂检测方法 表1
Table 1
57 喷砂检测法实验参数
批过程中。对于切削用 PCD 复合片， 新标准仍然采用 ， 砂轮检测法 磨耗比误差大的问题并没有改善 。 提出了一种新的检测 PCD 复合片耐磨性能的方 即喷砂检测方法。原理上， 本测试方法中以磨料砂 法， 粒代替了传统砂轮测试方法中的砂轮 ， 以待测 PCD 复 合片样品单位时间内质量损失代替传统砂轮测试方法 中的磨耗比来表征耐磨性能， 因为决定磨料砂粒磨耗 性能的因素远比决定砂轮磨耗性能的因素要少和简 单， 所以可以预见， 本测试方法的精度要远高于传统的 砂轮检测方法。
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实验装置及方法
喷砂检测法的基本思路是用高速磨料流束代替砂 轮， 实验装置的核心是一台喷砂机。 实验的原理是压 缩空气流通过喷枪时， 在喷嘴的入口处产生负压， 吸入 ， 磨料 气流携带磨料经过喷嘴向作为靶子的待测 PCD 复合片样品高速喷射， 大量高速运动的磨料颗粒对样 品表面产生冲击磨损。 固定喷嘴和样品位置， 经过一 段时间连续喷射后， 样品表面就会形成一个凹坑。 根 据喷砂前后样品的质量损失或单位时间内的质量损失 来判断样品的耐磨性能。 样品的质量损失越少， 则其 反之亦然。实验装置见图 1 。 耐磨性能越强，
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金刚石与磨料磨具工程
总第 196 期
PCD 层厚 0． 5 mm， 片， 复合片为 41 mm， 金刚石微粉 25 m 。 2 ， μ 如图 所示位置 用激光切割机切出 4 粒度为 片 13 mm 的小圆片， 然后用外圆磨床磨去周边的热 不做倒角处理。从一整片 PCD 复合片切下来 损伤层， 并加工好的 4 小片复合片全部用作喷砂检测法的样 品， 其中一小片同时用作砂轮检测法的样品。 由于砂 轮检测法使用的是复合片边缘部分， 而喷砂检测法使 或至少不是边缘部分， 所以即 用的是复合片中央部分， 使两种检测方法使用同一样品对结果互不影响 。
验结果见表 3 。表 3 中第 2 列和第 4 列分别为样品经 喷砂后质量损失 ΔW 和单 位 时 间 内 质 量 损 失 ΔW / t， ΔW 和 ΔW / t 均可用来表征样品的耐磨性能。 最后一 列 为 相 对 误 差 。 ΔW （ 或 ΔW / t ） 的 最 大 相 对 误 差 6． 21% ， 比磨耗比测试相对误差低一个量级 。