聚晶金剛石PCD研磨機理

　　為了弄清產生上述試驗結果的原因，需對PCD材料去除機理進行探討。

　　一、濕研磨去除機理

　　圖4、圖5分別為PCD未研磨、濕研磨表面形貌的SEM照片。由圖可知，濕研磨表面雖也凹凸不平，但與未研磨表面凹凸狀態(tài)完全不同，明顯存在大量的剝落坑。這種現(xiàn)象說明PCD表面發(fā)生了脆性去除。筆者認為其脆性去除方式是動載脆性去除(即疲勞脆性去除)而不是靜載脆性去除。這是因為研磨狀態(tài)下法向載荷F較小(20N)，作用在PDD表面上的應力大大低于靜載荷下產生裂紋的極限應力值，因此基本不會發(fā)生靜載脆性去除。但英國學者coopr曾通過試驗指出：金剛石在沖擊載荷的循環(huán)作用下，產生裂紋的應力值大大低于所需的靜應力。而研磨過程中PCD片承受的是交變沖擊載荷，因此將會產生疲勞脆性去除。濕研磨時PCD材料的脆性去除方式正是這種疲勞脆性去除。在圖5中同時還可觀察到局部平滑區(qū)，這是PCD局部發(fā)生熱化學去除的結果。因濕研磨時雖然冷卻液加在研磨區(qū)內，PCD表面與砂輪間產生的摩擦熱大部分被冷卻液帶走，研磨區(qū)平均溫度較低，但仍會產生局部高溫接觸點，使此處PCD材料產生氧化、石墨化的熱化學去除。由此可見，PCD材料濕研磨時，其去除機理以疲勞脆性去除為主，同時存在局部的熱化學去除。

圖4 PCD未研磨表面形貌                       圖5 PCD濕研磨表面形貌

　　二、干研磨去除機理

　　PCD干研磨表面的SEM照片如圖6所示。從圖中可看到其表面呈平滑形貌，基本無剝落坑，說明干研磨時PCD材料基本不發(fā)生疲勞脆性去除。

圖6 PCD干研磨表面形貌

　　干研磨時PCD材料去除機理應以熱化學去除為主。這是因為干研磨時冷卻液未加在研磨區(qū)，PCD材料表面與砂輪中金剛石磨粒間產生的摩擦熱只能通過PCD片和砂輪擴散出去，所以研磨區(qū)平均溫度較高。另外，在高溫非高壓條件下，石墨或無定形碳是熱力學上碳的穩(wěn)定結構，金剛石的硬度隨著溫度的升高(T>350℃)而降低，且研磨是在空氣氛圍下進行，PCD材料表面將會發(fā)生氧化、石墨化，同時表面還會產生一定的硬度軟化層。同時砂輪中金剛石磨粒也將發(fā)生氧化、石墨化，產生硬度軟化層，但程度較輕，且磨粒硬度高于PCD軟化層硬度。因為干研磨時冷卻液加在砂輪非工作層的基體上，砂輪中金剛石磨粒初始溫度較低，因此磨粒工作溫度比PCD片低;另外，磨粒瞬時通過研磨區(qū)，其保溫時間比PCD片短，有研究表明：溫度不變，金剛石燒失率隨著保溫時間呈線性增加;而且PCD材料中殘存觸媒鉆等，在高溫非高壓條件下又進一步促使其產生氧化、石墨化和硬度軟化。所以，干研磨時PCD材料的熱化學去除包括PCD表面氧化、石墨化去除以及因磨粒硬度高于PCD軟化層硬度而產生一定的機械去除，由于產生機械去除的原因是熱作用的結果，所以在此稱為機械熱去除。

　　綜上所述，由于干、濕研磨時PCD材料去除機理不同，從而導致干、濕研磨時材料去除率明顯不同，即Q干>Q濕。濕研磨時材料去除機理以疲勞脆性去除為主，而干研磨時材料去除機理以熱化學去除為主，基本不發(fā)生疲勞脆性去除，所以濕研磨不能使PCD表面達到鏡面，而干研磨當砂輪磨損到一定程度時將會使PCD表面達到鏡面。干研磨時，隨著法向載荷F的增大，研磨區(qū)溫度將升高，PCD材料更易產生熱化學去除，所以其去除率口隨著法向載荷F的增大而增加(見圖3)。由耶格爾的觀點可知：溫升與載荷F成正比。因此，材料去除率Q應與F基本成正比，但圖3中卻存在折點A(F=15N)，這與耶格爾的觀點并不矛盾，只是以折點A為分界點，PCD材料的熱化學去除方式發(fā)生變化而已。當F≤15N時，由于法向載荷F較小，研磨區(qū)平均溫度T<750℃，因此其熱化學去除將以機械熱去除方式為主，以局部氧化、石墨化去除方式為輔;當F>15N時，研磨區(qū)平均溫度T>750℃，其熱化學去除將同時以PCD表面氧化、石墨化及機械熱去除方式進行，因此材料去除率遠大于F≤15N時的去除率。

　　從上述分析可知：只有干研磨才能使PCD表面達到鏡面，而PCD干研磨時材料的去除機理是熱化學去除，因此可以嘗試采用價格低廉、熔點較高的非金剛石磨粒的砂輪進行研磨加工，以降低PCD刀具的加工成本;干研磨時，高材料去除率必然帶來研磨后PCD表面硬度軟化加劇，這將在一定程度上影響PCD刀具的使用壽命，因此PCD表面的鏡面加工應采用逐漸減載的干研磨工藝，既可保持較高的研磨效率，又可降低研磨后表面硬度的軟化程度。