CN101905449B - 多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮的制备方法，包括砂轮节块的制备和砂轮节块与砂轮基体的连接。制备出的一种多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮孔隙率在45％～70％，砂轮节块的三点抗弯强度为75MPa～200MPa。由于孔隙结构的引入，该新型砂轮的修整修锐能力、磨料出刃能力以及容屑空间较致密金属结合剂砂轮得到明显改善，而且砂轮自锐性好。同时，砂轮节块强度高，金属结合剂对磨料的把持力好，砂轮在磨削硬脆材料时可承受较重载荷，且磨料不易过早脱落，砂轮耐用度好，加工效率高。
Description
技术领域
本发明属于超硬磨料磨具制造领域，尤其涉及一种多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮的制备方法。
背景技术
传统金属结合剂超硬磨料工具都为密实型的，工具在其制造中为了追求对磨料的高把持力，普遍将其致密度作为衡量砂轮制造质量的重要指标。由于金属结合剂超硬磨料砂轮的高致密化，在其使用之初和磨损后造成工具的整形和修锐困难，而且砂轮中磨料出刃难，容屑空间小，在磨削过程中易发生砂轮堵塞问题，这一直是致密金属结合剂金刚石砂轮在使用中无法克服的顽疾。为了解决致密金属结合剂砂轮修整修锐的难题，已发展了多种新型超硬工具的修整修锐方法，如砂轮对滚整形法、ELID在线修整法以及激光修整技术等，但这些技术在实际使用中却存在砂轮修整过程费时费力，砂轮整形精度较低，辅助系统结构复杂，价格昂贵等问题。
上世纪九十年代，国外曾尝试开发制备一种多孔金属结合剂金刚石砂轮，此种砂轮是将多孔陶瓷结合剂的孔隙结构引入到金属结合剂中去，通过砂轮自身结构来改善金属结合剂砂轮修整修锐困难，磨料不易出刃，容屑空间差的问题，从而提高金属结合剂金刚石砂轮的使用性能。通过对这种多孔金属结合剂金刚石砂轮制造工艺、孔隙控制、磨削性能进行研究发现，孔隙结构的引入大大改善了传统致密金属结合剂砂轮磨料不易出刃、砂轮修整修锐困难的弊病，也使得砂轮在磨削加工过程中不易发生堵塞现象。虽然这种多孔金属结合剂金刚石砂轮取得了预期的效果，但同时也带来更为严重的问题，追究其中的原因，主要是由于砂轮中存在的孔隙结构降低了金属结合剂对磨料的把持力，而且砂轮节块的强度很低，从而造成磨料在加工中易过早脱落失效，砂轮在较重载荷磨削下损耗极大，使用寿命短，所以这种砂轮仅在磨削负载较小的精密磨削中表现出易修整修锐的性能优势。
近十年来，高温钎焊金刚石工具取得迅速发展，它是一种采用活性钎料或镍基钎料焊接金刚石，使金刚石与结合剂实现冶金化学结合，从而大大提高结合剂对金刚石的把持力。研究结果表明，金刚石高温钎焊技术能够提供极高的界面结合强度，在所制作的单层金刚石工具中，结合层厚度只需维持在磨粒高度20％～30％的低水平上，就足以在大负荷的高速高效磨削中使结合剂牢固地把持住磨粒。因此，单层高温钎焊金刚石单层工具可以说从根本上解决了磨料与结合剂的结合强度问题。
综上所述，如能将孔隙引入到金属结合剂砂轮中，同时借鉴单层高温钎焊金刚石技术获得结合剂对磨料高的把持力，从而有效解决传统致密金属结合剂金刚石砂轮使用中现存的问题，大幅度提升金属结合剂多层金刚石砂轮的使用性能有着十分重要的意义。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮的制备方法，使金属结合剂金刚石砂轮中具有孔隙结构，从而改善金属结合剂砂轮的修整修锐、磨料出刃的能力以及容屑空间，同时实现金属结合剂对磨料高的把持力，获得高强度的砂轮节块，使这种改进的砂轮在承受较重磨削载荷时仍具有好的耐用度，且加工效率得到提高。
技术方案：一种多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮的制备方法，制备步骤包括：a.砂轮节块的制备：以WC粉【碳化钨粉】、活性Ni-Cr合金粉【Cr：10-15％；Si：2-5％；B：2-3％；Ni：余量】、碳酸氢铵颗粒和金刚石为主要原料，各成分配比如下：WC粉末：10～25质量份；活性Ni-Cr合金粉末：10～25质量份；造孔剂：1～8质量份；成形剂：2～8质量份；金刚石：1～5质量份；其中WC粉为骨架相；活性Ni-Cr合金粉烧结时为液相，是结合剂；碳酸氢铵颗粒为造孔剂；所述成形剂为聚乙烯醇缩丁醛与无水乙醇的混合溶液；先将所述WC粉、Ni-Cr合金粉、金刚石、造孔剂颗粒和成形剂按上述比例混合均匀，然后把混合粉末装填在已设计的模具中冷压成形，成型压力为300～800MPa，保压时间1～3min，随后脱模，再将脱模后成形的砂轮节块放入150℃的烘箱中，保温1～2个小时除去造孔剂，然后把砂轮节块放入真空炉中烧结，烧结温度为1000℃～1100℃，保温时间5～45分钟，真空度1×10-1～1×10-3帕，随炉冷至室温；b.砂轮节块与砂轮基体的连接：将冷却后的砂轮节块与砂轮基体安装固定在焊接定位夹具上，采用高频感应加热法实现其结合，得到金刚石砂轮。碳酸氢铵颗粒大小20～60目。所述成形剂为聚乙烯醇缩丁醛与无水乙醇按质量比1∶10～1∶20混合均匀的溶液。上述制备过程中，先将所述WC粉、Ni-Cr合金粉、金刚石、造孔剂颗粒和成形剂按比例混合均匀，然后把混合粉末装填在已设计的模具中冷压成形，粉末成形压力300～800MPa，保压时间1～3min，随后脱模，再将脱模后成形的砂轮节块放入150℃的烘箱中，保温1～2个小时除去造孔剂，然后把砂轮节块放入真空炉中烧结，烧结温度为1000℃～1100℃，保温时间5～45分钟，真空度1×10-1～1×10-3帕，随炉冷至室温。上述步骤b中，焊接所用钎料选304银焊片，银焊片厚度0.2～0.5mm，钎焊剂选QJ305A膏状银焊溶剂，保护气体为纯度99.99％的氩气，焊缝位置的加热温度低于800℃，保温时间小于20s，随后冷至室温。所述活性Ni-Cr合金在烧结温度时为液相，并与金刚石发生表面化学反应，实现金属结合剂对磨料牢固的化学结合把持力。
有益效果：本发明制备出的一种多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮孔隙率在45％～70％，砂轮节块的三点抗弯强度为75MPa～200MPa。由于孔隙结构的引入，该新型砂轮的修整修锐能力、磨料出刃能力以及容屑空间较致密金属结合剂砂轮得到明显改善，而且砂轮自锐性好。同时，砂轮节块强度高，金属结合剂对磨料的把持力好，砂轮在磨削硬脆材料时可承受较重载荷，且磨料不易过早脱落，砂轮耐用度好，加工效率高。
具体实施方式
实施例1
所述砂轮的制备过程如下：
1、选用所述活性Ni-Cr合金粉做结合剂、所述WC粉做骨架相，所述碳酸氢铵颗粒做造孔剂，造孔剂平均颗粒大小40目，所述WC粉与所述活性Ni-Cr合金粉的质量份数都为18，造孔剂质量份数为4，金刚石质量份数为1，金刚石粒度80/100#。(金刚石粒度，它表示筛网的格子大小，就是说磨料的大小与该筛网格子大小基本一致。磨料粒度行业内常用此种方式表述其大小。根据筛网可以查到对应的粒度大小)
2、将所述Ni-Cr合金粉、WC粉、金刚石、造孔剂与4质量份数的成形剂混合均匀，然后将所述混合粉末按一定质量装填在模具中冷压成形，粉末成形压力500MPa，保压2min，随后脱模。砂轮节块大小尺寸为28×6×10(单位：mm)，其节块焊接面的曲率半径为125mm。节块的高度由填粉量决定，根据砂轮设计尺寸大小，砂轮节块尺寸可由相应尺寸的模具制备。
3、将脱模成形好的砂轮节块放在150℃的烘箱中1.5h除去造孔剂，然后放入真空炉中烧结，烧结温度1050℃，保温30min，真空度1×10-2Pa～1×10-3Pa，随后炉冷完成砂轮节块的制备，砂轮节块的金刚石浓度为20％。(超硬磨具的磨料浓度，是指磨料在整个磨削层中所占的体积比。规范规定：每立方厘米工作胎体中含4.4克拉的金刚石时，其浓度为100％)
4、将清洗干净的砂轮节块、所述银焊片、砂轮基体安装固定在焊接定位夹具上，银焊片上均匀涂有所述焊剂，然后采用保护气氛下(氩气)的高频感应方法对其焊缝位置进行局部加热。焊缝位置的加热温度700℃，保温时间10s。
制备出的多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮有节块数24个，砂轮外径为Φ270mm，工作面宽为6mm。
实施例2
一种多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮的制备方法，制备步骤包括：a.砂轮节块的制备：以WC粉、活性Ni-Cr合金粉、碳酸氢铵颗粒和金刚石为原料，各成分配比如下：WC粉末：10质量份；活性Ni-Cr合金粉末：10质量份；造孔剂：1质量份；成形剂：2质量份；金刚石质量份：1质量份；其中WC粉为骨架相；活性Ni-Cr合金粉烧结时为液相，是结合剂；碳酸氢铵颗粒为造孔剂，颗粒大小20目；所述成形剂为聚乙烯醇缩丁醛与无水乙醇按物质质量比1∶10混合均匀的溶液；先将所述WC粉、Ni-Cr合金粉、金刚石、造孔剂颗粒和成形剂按上述比例混合均匀，然后把混合粉末装填在已设计的模具中冷压成形，成型压力为300MPa，保压时间1min，随后脱模，再将脱模后成形的砂轮节块放入150℃的烘箱中，保温1个小时除去造孔剂，然后把砂轮节块放入真空炉中烧结，烧结温度为1000℃，保温时间5分钟，真空度1×10-1帕，随炉冷至室温。所述活性Ni-Cr合金在烧结温度时为液相，并与金刚石发生表面化学反应，实现金属结合剂对磨料牢固的化学结合把持力；b.砂轮节块与砂轮基体的连接：将冷却后的砂轮节块与砂轮基体安装固定在焊接定位夹具上，采用高频感应加热法实现其结合，得到金刚石砂轮。上述步骤b中，焊接所用钎料选304银焊片，银焊片厚度0.2mm，钎焊剂选QJ305A膏状银焊溶剂，保护气体为纯度99.99％的氩气，焊缝位置的加热温度低于800℃，保温时间小于20s，随后冷至室温。
实施例3
一种多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮的制备方法，制备步骤包括：a.砂轮节块的制备：以WC粉、活性Ni-Cr合金粉、碳酸氢铵颗粒和金刚石为原料，各成分配比如下：WC粉末：25质量份；活性Ni-Cr合金粉末：25质量份；造孔剂：8质量份；成形剂：8质量份；金刚石质量份：5质量份；其中WC粉为骨架相；活性Ni-Cr合金粉烧结时为液相，是结合剂；碳酸氢铵颗粒为造孔剂，颗粒大小60目；所述成形剂为聚乙烯醇缩丁醛与无水乙醇按物质质量比1∶20混合均匀的溶液；先将所述WC粉、Ni-Cr合金粉、金刚石、造孔剂颗粒和成形剂按上述比例混合均匀，然后把混合粉末装填在已设计的模具中冷压成形，成型压力为800MPa，保压时间3min，随后脱模，再将脱模后成形的砂轮节块放入150℃的烘箱中，保温2个小时除去造孔剂，然后把砂轮节块放入真空炉中烧结，烧结温度为1100℃，保温时间45分钟，真空度1×10-3帕，随炉冷至室温；所述活性Ni-Cr合金在烧结温度时为液相，并与金刚石发生表面化学反应，实现金属结合剂对磨料牢固的化学结合把持力；b.砂轮节块与砂轮基体的连接：将冷却后的砂轮节块与砂轮基体安装固定在焊接定位夹具上，采用高频感应加热法实现其结合，得到金刚石砂轮。上述步骤b中，焊接所用钎料选304银焊片，银焊片厚度0.5mm，钎焊剂选QJ305A膏状银焊溶剂，保护气体为纯度99.99％的氩气，焊缝位置的加热温度低于800℃，保温时间小于20s，随后冷至室温。
实施例4
所述砂轮的制备过程如下：
1、选用所述活性Ni-Cr合金粉做结合剂、所述WC粉做骨架相，所述碳酸氢铵颗粒做造孔剂，造孔剂平均颗粒大小40目，所述WC粉与所述活性Ni-Cr合金粉的质量份数分别为24和12，造孔剂质量份数为6，金刚石质量份数为2，金刚石粒度140/170#。
2、将所述Ni-Cr合金粉、WC粉、金刚石、造孔剂与6质量份数的成形剂混合均匀，然后将所述混合粉末按一定质量装填在模具中冷压成形，粉末成形压力700MPa，保压2min，随后脱模。砂轮节块大小尺寸为27×6×10(单位：mm)，砂轮节块焊接面的曲率半径为125mm。
3、将脱模成形好的砂轮节块放在150℃的烘箱中1.5h除去造孔剂，然后放入真空炉中烧结，烧结温度1050℃，保温30min，真空度1×10-2Pa～1×10-3Pa，随后炉冷完成砂轮节块的制备，砂轮节块的金刚石浓度为40％。
4、将清洗干净的砂轮节块、所述银焊片、砂轮基体安装固定在焊接定位夹具上，银焊片上均匀涂有所述焊剂，然后采用保护气氛下(氩气)的高频感应方法对其焊缝位置进行局部加热。焊缝位置的加热温度750℃，保温时间5s。
制备出的多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮有节块数24个，砂轮外径为Φ270mm，工作面宽为6mm。
【砂轮节块强度评价】
根据相关国家标准(GB5319-85，烧结金属材料的横向断裂强度测定方法)确定节块试样尺寸，三点抗弯夹具的跨度间距为25mm，载荷下降速度1mm/min。实施例中相应制备出30×6×10的长方形砂轮节块，并以3个试样的平均值作为最终的试验结果：实施例1中砂轮节块的三点抗弯强度值为160MPa，实施例4中砂轮节块的三点抗弯强度值为80MPa。
【砂轮节块孔隙率评价】
砂轮节块的孔隙率指标采用孔隙所占体积与节块总体积的比率。通过排水法测得实施例1中砂轮节块的孔隙率为50％，实施例4中砂轮节块的孔隙率为65％。
实施例5
使用本发明实施例4中的试验砂轮进行修整试验和磨削试验，评价该砂轮的修整效果、加工材料的表面粗糙度Ra以及磨削比。
【砂轮修整条件】
修整工具：单颗金刚石修整笔
砂轮圆周速度：20m/s
修整导程：0.05mm/rev
修整进给量：0.008mm/次(一次走刀)×10次
砂轮修整结果：本发明实施例4中的砂轮使用单颗金刚石修整笔即可完成对砂轮整个修整过程，修整后的砂轮表面存在有孔隙，磨料能顺利出露。
【磨削试验条件】
砂轮尺寸：砂轮外径为Φ270mm，工作面宽为6mm
被磨削材料：Al2O3陶瓷，其性能参数见表1
磨削液：5％水基乳化液，流量90L/min
磨床：缓进给平面磨床，型号MMD7125
磨削方法：切入式顺磨
砂轮圆周速度：25m/s
工作台进给速度：0.3m/min
磨削深度：0.006mm
表1Al2O3的主要性能
磨削试验结果：使用本发明实施例4中的砂轮对Al2O3陶瓷进行磨削实验，该砂轮的磨耗比大于400，工件磨削后的表面粗糙度(平行于工件进给方向)Ra为0.7～0.9μm。
Claims (4)
1.一种多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮的制备方法，其特征在于制备步骤包括：
a.砂轮节块的制备：以WC粉、活性Ni-Cr合金粉、碳酸氢铵颗粒和金刚石为主要原料，各成分配比如下：WC粉末：10～25质量份；活性Ni-Cr合金粉末：10～25质量份；造孔剂：1～8质量份；成形剂：2～8质量份；金刚石：1～5质量份；其中WC粉为骨架相；活性Ni-Cr合金粉烧结时为液相，是结合剂；碳酸氢铵颗粒为造孔剂；所述成形剂为聚乙烯醇缩丁醛与无水乙醇的混合溶液；先将所述WC粉、活性Ni-Cr合金粉、金刚石、造孔剂颗粒和成形剂按上述比例混合均匀，然后把混合粉末装填在已设计的模具中冷压成形，成型压力为300～800MPa，保压时间1～3min，随后脱模，再将脱模后成形的砂轮节块放入烘箱中，保温1～2个小时除去造孔剂，然后把砂轮节块放入真空炉中烧结，烧结温度为1000℃～1100℃，保温时间5～45分钟，真空度1×10-1～1×10-3帕，随炉冷至室温；
b.砂轮节块与砂轮基体的连接：将冷却后的砂轮节块与砂轮基体安装固定在焊接定位夹具上，采用高频感应加热法实现其结合，得到金刚石砂轮。
2.根据权利要求1所述多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮的制备方法，其特征在于碳酸氢铵颗粒大小20～60目。
3.根据权利要求1所述多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮的制备方法，其特征在于所述成形剂中聚乙烯醇缩丁醛与无水乙醇按质量比例1∶10～1∶20混合。
4.根据权利要求1所述多孔金属结合剂钎焊金刚石砂轮的制备方法，其特征在于所述活性Ni-Cr合金在烧结温度时为液相，并与金刚石发生表面化学反应，实现金属结合剂对磨料牢固的化学结合把持力。
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