CN102699565A - 用于立方氮化硼磨粒的无热损伤活性钎焊方法及所用钎焊材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于立方氮化硼磨粒的无热损伤活性钎焊方法及所用钎焊材料，材料是由以下原料组成：Ag-Cu-Ti合金粉末92重量%-96重量%、TiC颗粒4重量%-8重量%；Ag-Cu-Ti合金粉末中Ag、Cu、Ti三种元素的重量百分比分别为66.2%、25.8%、8%；TiC颗粒的粒径介于100nm-5μm。钎焊方法是采用分段式升温至最高加热温度890-910℃、保温6-10分钟。加入TiC颗粒，降低了钎焊CBN磨粒的残余应力，解决了单纯采用Ag-Cu-Ti合金钎焊CBN磨粒的热损伤问题，提高所制作的单层钎焊CBN磨具的工具寿命和材料去除率、以及加工质量。该CBN磨具可用于航空航天、汽车等行业的关键零部件加工。
Description
技术领域
本发明涉及用于立方氮化硼（CBN）磨粒的无热损伤活性钎焊方法及所用的材料，可用于制作单层钎焊CBN磨具，属于超硬磨粒工具制备技术领域。
背景技术
立方氮化硼（CBN）超硬磨料具有“三高一好”（硬度、热稳定性和化学惰性高、导热性好）的优点。与金刚石超硬磨具相比，由CBN磨粒制作的各型固结磨料磨具在钛合金、高温合金等高强韧性难加工材料磨削加工中具有更广阔的应用前景。但是，对于传统多层树脂、陶瓷和金属结合剂CBN磨具、以及单层电镀CBN磨具而言，由于磨粒与结合剂层之间仅仅依靠机械镶嵌作用结合，对CBN磨粒的把持力不足，导致重负荷磨削过程中磨粒极易过早脱落，磨具寿命和耐用度不理想，同时磨削效率（材料去除率）也受到限制。为了充分发挥CBN磨粒的超强耐磨性能，提出了单层钎焊CBN磨具的研究构想，期望通过CBN磨粒、活性钎料、磨具基体之间的化学结合实现磨具对磨粒的牢固把持，以此满足难加工材料高效重负荷磨削加工对磨具磨粒把持强度的高要求。此外，单层钎焊CBN磨具还能够避免树脂磨具结合剂材料耐热性差、强度低，陶瓷磨具结合剂容易局部脆性崩碎、甚至大块碎裂，而金属结合剂磨具虽强度高，但自锐性太差、修整极其困难等弊端，同时也能够满足超高速磨削对磨具旋转安全性的要求，可用于高速超高速磨削。
需要指出的是，普通单层钎焊CBN磨具通常选用Ag、Cu、Ti三种元素的重量百分比分别为68.4%、26.6%、5%的Ag-Cu-Ti合金钎料，需要加热到920℃、保温5min。虽然能够实现对CBN磨粒的牢固把持，但存在着无法克服的内在问题。也就是，由于CBN磨粒、Ag-Cu-Ti合金钎料之间存在显著的热膨胀系数差异，分别为4.55×10-6K-1、20×10-6K-1，导致焊后CBN磨粒内部存在较大的残余应力，进而产生磨粒热损伤，降低磨粒的强度与耐磨性，甚至于使CBN磨粒直接产生微裂纹。这种情况显著降低了单层钎焊CBN磨具的加工性能，包括工具寿命、磨削表面粗糙度、材料去除率等远低于预期值。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于立方氮化硼（CBN）磨粒的无热损伤活性钎焊方法，提高所制作的单层钎焊CBN磨具的工具寿命和材料去除率、以及加工质量。
本发明的另一个目的在于提供一种用于立方氮化硼磨粒的无热损伤活性钎焊材料。
为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
用于立方氮化硼磨粒的无热损伤活性钎焊材料，其特征在于，由以下原料组成：Ag-Cu-Ti合金粉末92重量%-96重量%、TiC颗粒4重量%-8重量%。
Ag-Cu-Ti合金粉末Ag、Cu、Ti三种元素的重量百分比分别为66.2%、25.8%、8%；TiC颗粒的尺度为亚微米级（介于100nm-5μm）；
与现有技术所采用的材料相比较，Ag-Cu-Ti合金粉末，Ti的含量提高，功能在于增强在较低的最高加热温度（890-910℃）与CBN磨粒之间的化学反应能力；
其中，Ag-Cu-Ti合金起与CBN磨粒发生化学反应、实现对磨粒牢固把持的活性钎料作用。
本发明是利用TiC颗粒的热膨胀系数（6.52×10-6K-1）介于CBN磨粒的热膨胀系数(4.55×10-6K-1)与Ag-Cu-Ti合金的热膨胀系数(20×10-6K-1）的优势，通过向Ag-Cu-Ti合金粉末中加入亚微米级TiC颗粒制成复合钎料钎焊CBN磨粒，从而缓解CBN磨粒与Ag-Cu-Ti合金之间因热膨胀系数差异过大（即热膨胀系数失配）而导致的钎焊CBN内部残余应力过大、进而使磨粒热损伤的问题。
同时，与纳米尺度（小于100nm）和微米尺度（大于5μm）的TiC颗粒相比，本发明选用的亚微米尺度（100nm-5μm）TiC颗粒既避免了纳米尺度TiC颗粒容易聚团而影响对钎焊CBN磨粒的把持强度，又克服了微米尺度TiC颗粒易降低磨具结合剂层（钎料层）强度的弊端。
用于立方氮化硼（CBN）磨粒的无热损伤活性钎焊方法，其特征在于：
首先将Ag-Cu-Ti合金粉末与TiC粉末机械混合；
然后将混合粉末排布于磨具基体表面，粉末厚度为0.4~0.6mm；
然后将立方氮化硼（CBN）磨粒均匀排布于混合粉末之上，再将整个试样放入真空加热炉；
然后将反应体系的温度在55-65分钟内自室温升温到380-420℃，保温13-17分钟；
然后在55-65分钟内升温到580-620℃，保温13-17分钟；
然后在55-65分钟内升温到760-800℃，保温13-17分钟；
然后在55-65分钟内升温到890-910℃，保温6-10分钟；
然后在190-210分钟内降温到580-620℃，保温13-17分钟；
然后在55-65分钟内降温到280-320℃，随炉冷却，低于150℃，开炉门；低于80℃出炉。
再具体而言，首先将Ag-Cu-Ti合金粉末与TiC粉末机械混合；
然后将混合粉末排布于磨具基体表面，粉末厚度为0.5mm；
然后将CBN磨粒均匀排布于混合粉末之上，再将整个试样放入真空加热炉；
然后将反应体系的温度在60分钟内自室温升温到400℃，保温15分钟；
然后在60分钟内升温到600℃，保温15分钟；
然后在60分钟内升温到780℃，保温15分钟；
然后在60分钟内升温到900℃，保温8分钟；
然后在200分钟内降温到600℃，保温15分钟；
然后在60分钟内降温到300℃，随炉冷却，低于150℃，开炉门；
低于80℃出炉。
采用此工艺，可确保钎焊CBN磨粒内部的残余应力低至不影响钎焊磨粒强度与耐磨性的程度。
使用本发明钎焊CBN磨粒制作的多个系列单层钎焊CBN磨具可用于航空航天、汽车等行业的多个关键零部件加工，例如航空发动机涡轮叶片榫齿、导向叶片橼板、汽车发动机凸轮轴、变速器齿轮等。
附图说明
图1为无热损伤立方氮化硼磨粒钎焊试样示意图。
图2为亚微米尺度TiC颗粒的扫描电镜图像。
图3为钎焊后结合剂层的背散射图像，说明了TiC颗粒与Ag-Cu-Ti合金的紧密结合状态，两者之间无裂缝。
图4为本发明获得的钎焊立方氮化硼磨粒的扫描电镜图，说明钎焊磨粒表面无裂纹。
图5为传统方法获得的钎焊CBN磨粒的扫描电镜图，钎焊CBN磨粒内部会因残余应力过大而在表面产生微裂纹。
具体实施方式
在具体实施例与对比例中，采用的CBN磨粒的粒度均为80/100目。
具体实施例详见表1与表2（注：表中含量为重量百分比）。
表1 实施例1至3所采用原料的含量以及理化参数
实施例1至3所采用的钎焊方法，是首先按比例取Ag-Cu-Ti合金粉末与TiC粉末机械混合；然后将混合粉末排布于磨具基体表面，粉末厚度为0.5mm；然后将CBN磨粒均匀排布于混合粉末之上，再将整个试样放入真空加热炉；然后将反应体系的温度在60分钟内升温自室温升温到400℃，保温15分钟；然后在60分钟内升温到600℃，保温15分钟；然后在60分钟内升温到780℃，保温15分钟；然后在60分钟内升温到900℃，保温8分钟；然后在200分钟内降温到600℃，保温15分钟；然后在60分钟内降温到300℃，随炉冷却，低于150℃，开炉门；低于80℃出炉。
表2列出实施例4至7采用实施例1的原料含量，但阶梯升、降温过程不同。
表2 实施例4至7所采用的阶梯升、降温过程参数
对比实施例详见表3（注：表中含量为重量百分比）。
表3 对比实施例所采用的组分表
表3中，仅在第5、6列示范了钎焊最高温度以及在钎焊最高温度的保温时间，其余的升、降温过程参数同实施例1。
表4是本发明7个实施例与10个对比例中钎焊CBN磨粒与制作的单层钎焊CBN磨具性能、以及电镀CBN磨具的性能对比结果。
CBN磨粒强度测试执行国家机械行业标准JBT7988.1-1999《超硬磨料抗压强度测定方法》，每组测试40颗磨粒，取其算术平均值。
磨削试验条件：平面往复磨削；工件材料为镍基高温合金GH4169；磨具外径φ400mm，厚度12mm；磨具线速度80m/s，工件进给速度3m/min。考察指标的定义以及单位：强度（磨粒破碎时承受的最大压力平均值）/N；耐磨性（磨削去除材料总体积）/cm3；材料去除率/mm3/mm·s；磨削表面粗糙度Ra/μm。
表4 钎焊CBN磨粒及磨具磨削性能对比表
与普通电镀CBN磨具和普通钎焊CBN磨具相比，本方法制作的单层钎焊CBN磨具的锋利度显著提高，材料去除率由5-10mm3/mm·s提高到20-30mm3/mm·s，磨削表面粗糙度由Ra 0.8μm提高到Ra0.3-0.4μm；由于焊后CBN磨粒无热损伤，磨具耐磨性和寿命提高2.5-3倍，单个磨具去除材料的总体积由800-1000cm3提高到2400-2500cm3，提高了综合经济效益。经过三年的生产验证，应用该磨具磨削可使表面粗糙度普遍提高1-2个精度等级、材料去除效率提高3-4倍、磨具寿命提高2.5-3倍。
Claims (3)
1.用于立方氮化硼磨粒的无热损伤活性钎焊材料，其特征在于，由以下原料组成：Ag-Cu-Ti合金粉末92重量%-96重量%、TiC颗粒4重量%-8重量%；Ag-Cu-Ti合金粉末中Ag、Cu、Ti三种元素的重量百分比分别为66.2%、25.8%、8%；TiC颗粒的粒径介于100nm-5μm。
2.用于立方氮化硼磨粒的无热损伤活性钎焊方法，其特征在于：
首先将Ag-Cu-Ti合金粉末与TiC粉末机械混合；
然后将混合粉末排布于磨具基体表面，粉末厚度为0.4~0.6mm；
然后将立方氮化硼磨粒均匀排布于混合粉末之上，再将整个试样放入真空加热炉；
然后将反应体系的温度在55-65分钟内自室温升温到380-420℃，保温13-17分钟；
然后在55-65分钟内升温到580-620℃，保温13-17分钟；
然后在55-65分钟内升温到760-800℃，保温13-17分钟；
然后在55-65分钟内升温到890-910 ℃，保温6-10分钟；
然后在190-210分钟内降温到580-620 ℃，保温13-17分钟；
然后在55-65分钟内降温到280-320 ℃，随炉冷却，低于150 ℃，开炉门；低于80 ℃出炉。
3.根据权利要求2所述的用于立方氮化硼磨粒的无热损伤活性钎焊方法，其特征在于：
首先将Ag-Cu-Ti合金粉末与TiC粉末机械混合；
然后将混合粉末排布于磨具基体表面，粉末厚度为0.5mm；
然后将CBN磨粒均匀排布于混合粉末之上，再将整个试样放入真空加热炉；
然后将反应体系的温度在60分钟内自室温升温到400℃，保温15分钟；
然后在60分钟内升温到600℃，保温15分钟；
然后在60分钟内升温到780℃，保温15分钟；
然后在60分钟内升温到900 ℃，保温8分钟；
然后在200分钟内降温到600 ℃，保温15分钟；
然后在60分钟内降温到300 ℃，随炉冷却，低于150 ℃，开炉门；
低于80 ℃出炉。
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