聚晶金刚石PCD研磨机理

　　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。

　　一、湿研磨去除机理

　　图4、图5分别为PCD未研磨、湿研磨表面形貌的SEM照片。由图可知，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。

图4 PCD未研磨表面形貌                       图5 PCD湿研磨表面形貌

　　二、干研磨去除机理

　　PCD干研磨表面的SEM照片如图6所示。从图中可看到其表面呈平滑形貌，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。

图6 PCD干研磨表面形貌

　　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，且磨粒硬度高于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高于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。