CN102172902B - 一种具有磨粒自锐功能的砂轮工作层制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有磨粒自锐功能的聚晶立方氮化硼PCBN砂轮工作层制作方法，属于超硬磨料工具制作领域。方法包括将Cu-Sn-Ti合金粉，聚晶立方氮化硼磨粒，TiC颗粒融合、制作毛坯、高温烧结。聚晶立方氮化硼PCBN磨粒是由CBN微晶颗粒和AlN粘结剂在高温高压下烧结而成。一旦CBN微晶颗粒被磨钝之后，CBN微晶5与AlN粘结剂4的结合界面会随着磨削力与磨削温度的升高而变弱，使得磨钝的CBN微晶颗粒脱落，新的CBN微晶颗粒迅速出露而参与到磨削过程。聚晶立方氮化硼PCBN磨粒的这种微破碎特性使得超硬磨料砂轮可始终保持高锋利度状态，不会产生磨削力和磨削温度急剧升高的现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有磨粒自锐功能的聚晶立方氮化硼（PCBN）砂轮工作层制作方法，属于超硬磨料工具制作领域。
背景技术
立方氮化硼（CBN）是美国物理化学家R.H. Wentorf在1957年通过转化六方氮化硼（HBN）而得到的超硬磨料。CBN的硬度仅次于金刚石，但其热稳定性和化学惰性都优于金刚石。采用CBN材料制作的超硬磨料砂轮已经应用于以镍基高温合金为代表的高强韧性难加工材料的磨削加工。
虽然CBN磨粒有着优异的耐磨性，但在磨削过程中，由于工件材料与CBN磨粒之间强烈的力-热耦合作用，CBN磨粒将发生严重磨耗磨损和大块破碎，这会导致磨粒钝化，最终失去锐利的切削刃。一旦磨粒上的棱角被磨平，磨削温度将随着磨钝磨粒与工件之间的摩擦加剧而急剧上升，甚至烧伤工件，降低加工质量。但在常规磨削过程中，由于CBN砂轮选用的磨粒均为单晶材料，无法实现CBN磨粒的微破碎，导致砂轮不能长时间稳定地保持高的锋利度。因此，如何确保砂轮始终保持高锋利度是CBN砂轮研制和应用中重点关注的难题。
试想，如果采用一种具有微破碎特性的聚晶立方氮化硼（PCBN）超硬磨粒制作砂轮，当磨粒在磨削力和磨削热的综合作用下主动发生微破碎而形成新的锐利切削刃，将可长时间稳定地保持砂轮的高锋利度，显著减小工件与砂轮之间的摩擦，降低磨削力和磨削温度。
另一方面，聚晶立方氮化硼磨粒的微破碎能力必须在确保砂轮工作层已实现对磨粒的牢固把持前提下才能充分发挥。因此，依靠聚晶立方氮化硼PCBN磨粒中的CBN微晶颗粒与AlN（氮化铝）粘结剂分别与Cu-Sn-Ti胎体合金之间的高温烧结化学反应从而实现对磨粒的牢固把持尤为重要。同时，为了降低高温烧结过程在磨粒内部产生过大的残余热应力以防止磨粒热损伤，有必要添加TiC（碳化钛）硬质颗粒以减小PCBN磨粒与Cu-Sn-Ti胎体合金之间的热膨胀系数差异。只有综合运用上述因素，才能制作成功具有磨粒自锐功能的高性能PCBN砂轮工作层。
发明内容
本发明提供了一种具有磨粒自锐功能的砂轮工作层制作方法，解决了砂轮在磨削加工过程中，无法长时间保持锋利度导致磨削温度上升而对工件材料产生不利影响的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种具有磨粒自锐功能的砂轮工作层制作方法，方法如下，
1）、将Cu-Sn-Ti合金粉1与聚晶立方氮化硼磨粒2与TiC颗粒3均匀混合；
2）、将上述步骤中混合后的材料放入模具中压制成所需砂轮工作层毛坯；
3）、将上述的成型的毛坯放入真空烧结炉中在保温的环境下烧结，随炉冷却后即完成。
本发明所述的具有磨粒自锐功能的砂轮工作层制作方法，其特征在于：所述的步骤1中Cu-Sn-Ti合金粉1中Cu:Sn:Ti的元素质量比例是7:2:1。
本发明所述的具有磨粒自锐功能的砂轮工作层制作方法，其特征在于：所述步骤1中的聚晶立方氮化硼（PCBN）磨粒占毛坯总质量的10~20%，TiC颗粒占毛坯总质量的5~10%，其余为Cu-Sn-Ti合金粉。
本发明所述的具有磨粒自锐功能的砂轮工作层制作方法，其特征在于：所述步骤3中真空烧结炉烧结毛坯的温度为880~940℃。
有益效果
聚晶立方氮化硼（PCBN）磨粒是由CBN微晶颗粒和AlN粘结剂在高温高压下烧结而成。将PCBN作为砂轮的磨粒，利用CBN微晶颗粒的微切削刃快速去除工件材料。一旦CBN微晶颗粒被磨钝之后，CBN微晶5与AlN粘结剂4的结合界面会随着磨削力与磨削温度的升高而变弱，使得磨钝的CBN微晶颗粒脱落，新的CBN微晶颗粒迅速出露而参与到磨削过程。聚晶立方氮化硼（PCBN）磨粒的这种微破碎特性使得超硬磨料砂轮可始终保持高锋利度状态，不会产生磨削力和磨削温度急剧升高的现象。
另一方面，向胎体合金添加亚微米级TiC颗粒后，可以减弱Cu-Sn-Ti合金与聚晶立方氮化硼PCBN磨粒之间的热膨胀系数差异，降低高温烧结过程中聚晶立方氮化硼PCBN磨粒内部的残余热应力，防止聚晶立方氮化硼PCBN磨粒因内部应力过大而发生整块破碎现象，有利于聚晶立方氮化硼PCBN磨粒充分发挥微破碎自锐能力。此外，亚微米尺度的TiC颗粒（粒度为100nm~5μm）既能够避免微米级TiC颗粒（粒度大于5μm）无法充分发挥降低烧结残余热应力作用的缺陷，又能够解决纳米级TiC颗粒（粒度小于100nm）烧结过程中容易聚团的弊端。
附图说明
图1是本发明砂轮工作层示意图；
图2是本发明涉及的图1中聚晶立方氮化硼PCBN磨粒的放大示意图；
图中1是Cu-Sn-Ti合金粉，2是聚晶立方氮化硼PCBN磨粒，3是TiC颗粒，4是AlN粘结剂，5是CBN微晶颗粒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明：
如图所示：一种具有磨粒自锐功能的砂轮工作层制作方法，包括Cu-Sn-Ti合金粉1，聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2，TiC颗粒3，方法如下，
1）、将Cu-Sn-Ti合金粉1与PCBN磨粒2与TiC颗粒3均匀混合；
2）、将上述步骤1中混合后的材料放入模具中压制成所需砂轮工作层毛坯；
3）、将上述的成型的毛坯放入真空烧结炉中在保温的环境下烧结，随炉冷却后即完成。
实施例1：所用的原料为Cu-Sn-Ti合金粉1（Cu、Sn、Ti元素的质量比为7:2:1）、聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2（CBN微晶5与AlN粘结剂4的质量比为9:1）、亚微米级TiC颗粒3（100nm~5μm）。其中，聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2占原料总质量的10%、TiC颗粒3占原料总质量的10%，其余为Cu-Sn-Ti合金粉。将上述原料的混合物机械搅拌均匀后放入粉末压片机中压制成毛坯，然后在加热温度880℃、保温时间30分钟的工艺下进行真空液相烧结，使得Cu-Sn-Ti合金中的Ti元素分别与聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2中的CBN微晶颗粒5和AlN粘结剂4发生化学反应，牢固把持聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2，最后随炉冷却至室温出炉。
实施例2：所用的原料为Cu-Sn-Ti合金粉1（Cu、Sn、Ti元素的质量比为7:2:1）、聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2（CBN微晶与AlN粘结剂4的质量比为9:1）、亚微米级TiC颗粒3（100nm~5μm）。其中，聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2占原料总质量的20%、TiC颗粒3占原料总质量的5%，其余为Cu-Sn-Ti合金粉。将上述原料的混合物机械搅拌均匀后放入粉末压片机中压制成毛坯，然后在加热温度940℃、保温时间10分钟的工艺下进行真空液相烧结，使得Cu-Sn-Ti合金中的Ti元素分别与聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2中的CBN微晶颗粒5和AlN粘结剂4发生化学反应，牢固把持聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2，最后随炉冷却至室温出炉。
实施例3：所用的原料为Cu-Sn-Ti合金粉1（Cu、Sn、Ti元素的质量比为7:2:1）、聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2（CBN微晶与AlN粘结剂4的质量比为9:1）、亚微米级TiC颗粒3（100nm~5μm）。其中，聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2占原料总质量的10%、TiC颗粒占原料总质量的10%，其余为Cu-Sn-Ti合金粉。将上述原料的混合物机械搅拌均匀后放入粉末压片机中压制成毛坯，然后在加热温度940℃、保温时间10分钟的工艺下进行真空液相烧结，使得Cu-Sn-Ti合金1中的Ti元素分别与聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2中的CBN微晶颗粒5和AlN粘结剂4发生化学反应，牢固把持聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2，最后随炉冷却至室温出炉。
实施例4：所用的原料为Cu-Sn-Ti合金粉（Cu、Sn、Ti元素的质量比为7:2:1）、聚晶立方氮化硼PCBN磨粒（CBN微晶与AlN粘结剂4的质量比为9:1）、亚微米级TiC颗粒（100nm~5μm）。其中，聚晶立方氮化硼PCBN磨粒占原料总质量的20%、TiC颗粒占原料总质量的5%，其余为Cu-Sn-Ti合金粉。将上述原料的混合物机械搅拌均匀后放入粉末压片机中压制成毛坯，然后在加热温度920℃、保温时间20分钟的工艺下进行真空液相烧结，使得Cu-Sn-Ti合金1中的Ti元素分别与聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2中的CBN微晶颗粒5和AlN粘结剂4发生化学反应，牢固把持聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2，最后随炉冷却至室温出炉。
实施例5：所用的原料为Cu-Sn-Ti合金粉1（Cu、Sn、Ti元素的质量比为7:2:1）、聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2（CBN微晶与AlN粘结剂4的质量比为9:1）、亚微米级TiC颗粒3（100nm~5μm）。其中，聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2占原料总质量的15%、TiC颗粒3占原料总质量的5%，其余为Cu-Sn-Ti合金粉。将上述原料的混合物机械搅拌均匀后放入粉末压片机中压制成毛坯，然后在加热温度920℃、保温时间20分钟的工艺下进行真空液相烧结，使得Cu-Sn-Ti合金1中的Ti元素分别与聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2中的CBN微晶颗粒5和AlN粘结剂4发生化学反应，牢固把持聚晶立方氮化硼PCBN磨粒2，最后随炉冷却至室温出炉。
Claims (1)
1.一种具有磨粒自锐功能的砂轮工作层制作方法，包括Cu-Sn-Ti合金粉（1），聚晶立方氮化硼磨粒（2），TiC颗粒（3），其特征在于：方法如下，
1）、将Cu-Sn-Ti合金粉（1）与聚晶立方氮化硼磨粒（2）与TiC颗粒（3）均匀混合，Cu-Sn-Ti合金粉（1）中Cu:Sn:Ti的元素质量比例是7:2:1；聚晶立方氮化硼磨粒（2）占毛坯总质量的10~20%，TiC颗粒（3）占毛坯总质量的5~10%，其余为Cu-Sn-Ti合金粉（1）；
2）、将上述步骤1中混合后的材料放入模具中压制成所需砂轮工作层毛坯；
3）、将上述的成型的毛坯放入真空烧结炉中在保温的环境下烧结，真空烧结炉烧结毛坯的温度为880~940℃，随炉冷却后即完成。
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