CN102773807A - 一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法 - Google Patents

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Abstract

一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法，包括以下步骤：（1）选择砂轮基体材料并利用机械加工的方法制备砂轮基体；（2）在保护环境下制备厚度均匀的非晶合金结合层；（3）室温时，把立方氮化硼磨粒排布并固定在非晶合金结合层表面，制作砂轮毛坯，顶部放置陶瓷压片、施压物质；（4）把砂轮毛坯、陶瓷压片和施压物质放入加热炉中，随后快速冷却到室温，获得单层立方氮化硼砂轮。非晶合金材料具有高抗拉强度，高硬度，低热膨胀系数等优点，可以提高砂轮结合材料的强度和耐磨性，降低磨粒和结合材料之间形成的残余应力。把磨料颗粒压制到非晶合金中，由于材料中含有较多可以和立方氮化硼反应的活性元素，通过延长保温时间，可以形成少量化合物，提高非晶合金对磨粒的把持力。制备的砂轮表面加工质量较高，可以用于高精度磨削加工。

Description

一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法
技术领域
本发明属于超硬磨料磨具制作领域，尤其涉及一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法。
背景技术
立方氮化硼具有高的硬度、热稳定性和化学惰性，制备的磨具可以解决硬度高韧性好材料难以加工的问题，同时具有磨削锋利，耐磨性好，单位磨损少，生产率高，加工表面质量高等特点，在磨具行业具有广泛的应用。为了满足生产需求和提高产品质量需要，人们不断提出新的磨具制作方法并对新方法进行研究，主要是如何提高加工效率、产品质量和磨具寿命。
作为磨具，要满足以下几个方面的要求：1）磨削切割方向上，相邻磨粒之间要有足够空间，能进行自由切割；2）磨粒应具有较高的出露高度，出露高度一致；3）结合材料对磨粒具有较高把持力；4）结合材料具有合适的性能，像强度、硬度、耐磨性等。
电镀是制备单层超硬材料磨具最常用的方法，利用Ni或Co镀层把磨料颗粒固结到磨具基体上。电镀单层超硬材料磨具只有一层磨粒，具有较高的加工效率；但是，磨粒、镀层和磨具基体三者之间只是物理包裹作用和范德华分子结合力，结合强度低。为了提高镀层对磨粒的结合强度，镀层高度通常达到磨粒高度的60%～80%，降低了磨粒出露高度和容屑空间。电镀过程中，磨粒容易在磨具基体表面发生聚集，缩小相邻磨粒之间距离，不能进行自由切割。电镀法制备的立方氮化硼磨具的磨粒出露高度不同，不能保证较好的磨削加工精度。
制备单层超硬材料磨具既要保证磨粒具有较高的出露高度，同时最好在磨粒和结合材料之间形成化学冶金结合，结合材料对磨粒具有较高把持力。钎焊法制备的超硬材料磨具可以满足上述要求，但是，磨料颗粒分布较难，钎料和磨粒之间存在较大物理和化学性能差异，导致钎焊后接头处形成较大残余应力。
银基钎料（Ag-Cu-Ti合金）是最早用来制备钎焊超硬材料磨具的材料，但是，银基钎料价格昂贵，磨具制备成本较高，钎料硬度较低，耐磨性不好，磨具使用过程中，磨料颗粒和钎焊层之间不能保持合适磨削比，易导致磨料过早脱落，降低磨具寿命。
 
发明内容
本发明所要解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种压力焊制备立方氮化硼砂轮的方法。
为了解决上述技术问题采用以下技术方案：一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法，包括以下步骤：
（1）选择砂轮基体材料并利用机械加工的方法制备砂轮基体，然后去除砂轮基体表面的氧化皮，除油除锈；
（2）在保护环境下，采用真空沉积或液体激冷的方法制备厚度均匀的非晶合金结合层；
（3）室温时，利用人工或机械的方法把立方氮化硼磨粒排布并固定在非晶合金结合层表面，制作砂轮毛坯，立方氮化硼磨粒顶部放置陶瓷压片，陶瓷压片上面安置施压物质；
（4）把砂轮毛坯、陶瓷压片和施压物质放入加热炉中，加热到非晶合金的过冷液相区保温10～60min，随后快速冷却到室温，去除磨粒表面陶瓷压片和施压物，获得单层立方氮化硼砂轮。
所述的非晶合金为Cu基非晶合金或Ni基非晶合金。
所述的非晶合金中含有可以和立方氮化硼发生化学反应的活性元素Ti。
所述的非晶合金为Cu60Zr30Ti10、Cu60Hf25Ti15、Cu60Hf20Ti20、Cu60Zr20Ti20、Ni59Zr20Ti16Si2Sn3、Ni42Ti19 Zr22.5Al8Cu5、Ni60Nb25Ti15或Ni60Nb20Ti15Zr5。
所述的非晶合金结合层的厚度在制备超硬材料砂轮时立方氮化硼磨粒直径的1/3～2/3之间。
所述的非晶合金结合层的厚度为10～150μm。
所述的非晶合金的过冷液相区在400～500℃之间。
所述的加热炉为真空炉。
本发明利用非晶合金作为制作立方氮化硼砂轮时的结合材料，具有以下作用。非晶合金材料具有高抗拉强度，高硬度，低热膨胀系数等优点，可以提高砂轮结合材料的强度和耐磨性，降低磨粒和结合材料之间形成的残余应力。非晶合金材料具有特殊的过冷液相区，可以发生牛顿流动；变形温度低，一般在0.6Tm以下；变形应力小，变形过程中不会产生空洞等缺陷；变形过程发生在牛顿流动的过冷温度区间时，冷却后，非晶合金转变为合金，在使用过程中不再发生牛顿流动。当非晶合金发生牛顿流动时，把磨料颗粒压制到非晶合金中，由于材料中含有较多可以和立方氮化硼反应的活性元素，通过延长保温时间，可以形成少量化合物，提高非晶合金对磨粒的把持力。磨粒压制到非晶合金后，在磨粒和非晶合金界面结合处，非晶合金和磨粒之间形成弧度过渡，快速冷却后，非晶合金对磨粒具有较高的把持力。非晶合金的过冷液相区温度较低，加热过程中，磨粒的性能下降较小；砂轮基体变形较小。另外，可以控制非晶合金结合层的厚度，提高磨粒出露高度，立方氮化硼磨粒的性能可以得到充分发挥。制备砂轮过程中，立方氮化硼磨粒表面放置利用陶瓷压片和施压物质，可以确保砂轮制备过程中立方氮化硼磨粒具有相同的出露高度，制备的砂轮表面加工质量较高，可以用于高精度磨削加工。
附图说明
图1 立方氮化硼砂轮制作结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法，包括以下步骤：
（1）按照制备单层立方氮化硼砂轮的相关要求选择砂轮基体材料1，采用机械加工的方法按照尺寸要求制备砂轮基体1，然后去除砂轮基体表面氧化皮，并除油除锈；砂轮基体材料为常用材料，例如40Cr、45#钢。
（2）采用真空沉积的方法在洁净的砂轮基体1表面制备具有一定厚度并且厚度均匀的非晶合金结合层2，非晶合金结合层2的厚度为10～150μm；非晶合金为镍基或铜基等非晶合金材料，非晶合金中含有可以和立方氮化硼发生反应的活性元素钛等。
（3）室温时，利用人工的方法把立方氮化硼磨粒3按预先设置的方式排布并固定在非晶合金结合层2表面，制作砂轮毛坯，立方氮化硼磨粒3顶部放置陶瓷压片4，陶瓷压片4上面安置施压物质5。
（4）把砂轮毛坯、陶瓷压片和施压物质放入真空加热炉中，加热到非晶合金的过冷液相区进行保温10～60min，其过冷液相区在400～500℃之间，在此温度区间实现压焊的化学冶金结合；随后快速冷却到室温，去除立方氮化硼磨粒表面陶瓷压片和施压物质，获得单层立方氮化硼砂轮。
所述的非晶合金结合层厚度在制备砂轮时所用磨粒直径的1/3～2/3之间。
利用非晶合金作为立方氮化硼磨粒的结合材料，可以提高结合材料的硬度和耐磨性，降低砂轮制备过程中形成的残余应力。利用非晶合金的特殊过冷液相区把立方氮化硼磨粒压入非晶合金中，非晶合金和立方氮化硼磨粒之间形成的弧度过渡和界面结合处形成的少量化合物可以实现非晶合金对立方氮化硼磨粒高的把持力，减少立方氮化硼磨粒性能下降，立方氮化硼磨粒的性能可以得到最大发挥。非晶合金的过冷液相温度区温度较低，砂轮基体变形较少。立方氮化硼磨粒表面放置陶瓷压片，制备的砂轮的立方氮化硼磨粒出露高度一样，可以保证加工表面质量较好，进行精密磨削加工。
实施例2
一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法：砂轮基体选用45#钢，真空沉积铜基非晶合金Cu60Zr30Ti10，结合层厚度为立方氮化硼磨粒直径的1/2左右。利用人工的方法把磨粒按照预先设定方式排布并固定到非晶合金结合层表面，磨粒上面放置陶瓷压片和施压物质，然后放入真空炉加热。加热到Cu60Zr30Ti10的过冷液相区保温30min，然后快速冷却到室温，制备单层立方氮化硼砂轮。
其他同实施例1。
实施例3
一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法：砂轮基体选用45#钢，采用液相激冷的方法制备非晶合金Cu60Hf25Ti15，结合层厚度为立方氮化硼磨粒直径的1/2左右。利用人工的方法把磨粒按预先设定方式排布并固定到非晶合金结合层表面，磨粒上面放置陶瓷压片和施压物质，然后放入真空炉加热。加热到Cu60Hf25Ti15的过冷液相区保温40min，然后快速冷却到室温，制备单层立方氮化硼砂轮。
其他同实施例1。
实施例4
一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法：砂轮基体选用40Cr，采用真空沉积的方法在砂轮基体上制备厚度均匀的Cu60Hf20Ti20非晶合金结合层，结合层厚度为立方氮化硼磨粒直径的1/2左右。利用机械的方法把磨粒按预先设定方式排布并固定到非晶合金结合层表面，磨粒上面放置陶瓷压片和施压物质，然后放入真空炉加热。加热到Cu60Hf20Ti20的过冷液相区保温35min，然后快速冷却到室温，制备单层立方氮化硼砂轮。
其他同实施例1。
实施例5
一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法：砂轮基体选用40Cr，采用真空沉积的方法在砂轮基体上制备厚度均匀的Cu60Zr20Ti20非晶合金结合层，结合层厚度为立方氮化硼磨粒直径的1/2左右。利用机械的方法把磨粒按预先设定方式排布并固定到非晶合金结合层表面，磨粒上面放置陶瓷压片和施压物质，然后放入真空炉加热。加热到Cu60Zr20Ti20的过冷液相区保温30min，然后快速冷却到室温，制备单层立方氮化硼砂轮。
其他同实施例1。
实施例6
一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法：砂轮基体选用45#钢，采用真空沉积的方法在砂轮基体上制备厚度均匀镍基非晶合金Ni59Zr20Ti16Si2Sn3结合层，结合层厚度为立方氮化硼磨粒直径的1/2左右。利用人工的方法把磨粒按预先设定方式排布并固定到非晶合金结合层表面，磨粒上面放置陶瓷压片和施压物质，然后放入真空炉加热。加热到Ni59Zr20Ti16Si2Sn3的过冷液相区保温40min，然后快速冷却到室温，制备单层立方氮化硼砂轮。
其他同实施例1。
实施例7
一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法：砂轮基体选用45#钢，采用真空沉积的方法在砂轮基体上制备厚度均匀镍基非晶合金Ni42Ti19 Zr22.5Al8Cu5结合层，结合层厚度为立方氮化硼磨粒直径的1/2左右。利用人工的方法把磨粒按预先设定方式排布并固定到非晶合金结合层表面，磨粒上面放置陶瓷压片和施压物质，然后放入真空炉加热。加热到Ni42Ti19 Zr22.5Al8Cu5的过冷液相区保温35min，然后快速冷却到室温，制备单层立方氮化硼砂轮。
其他同实施例1。
实施例8
一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法：砂轮基体选用40Cr，采用真空沉积的方法在砂轮基体上制备厚度均匀镍基非晶合金Ni60Nb25Ti15，结合层厚度为立方氮化硼磨粒直径的1/2左右。利用机械的方法把磨粒按预先设定方式排布并固定到非晶合金结合层表面，磨粒上面放置陶瓷压片和施压物质，然后放入真空炉加热。加热到Ni60Nb25Ti15的过冷液相区保温40min，然后快速冷却到室温，制备单层立方氮化硼砂轮。
其他同实施例1。
实施例9
一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法：砂轮基体选用40Cr，采用真空沉积的方法在砂轮基体上制备厚度均匀镍基非晶合金Ni60Nb20Ti15Zr5，结合层厚度为立方氮化硼磨粒直径的1/2左右。利用机械的方法把磨粒按预先设定方式排布并固定到非晶合金结合层表面，磨粒上面放置陶瓷压片和施压物质，然后放入真空炉加热。加热到Ni60Nb20Ti15Zr5的过冷液相区保温30min，然后快速冷却到室温，制备单层立方氮化硼砂轮。
其他同实施例1。

Claims (8)

1.一种压力焊制备单层立方氮化硼砂轮的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）选择砂轮基体材料并利用机械加工的方法制备砂轮基体，然后去除砂轮基体表面的氧化皮，除油除锈；
（2）在保护环境下，采用真空沉积或液体激冷的方法制备厚度均匀的非晶合金结合层；
（3）室温时，利用人工或机械的方法把立方氮化硼磨粒排布并固定在非晶合金结合层表面，制作砂轮毛坯，立方氮化硼磨粒顶部放置陶瓷压片，陶瓷压片上面安置施压物质；
（4）把砂轮毛坯、陶瓷压片和施压物质放入加热炉中，加热到非晶合金的过冷液相区保温10～60min，对立方氮化硼实现压焊，随后快速冷却到室温，去除磨粒表面陶瓷压片和施压物，获得单层立方氮化硼砂轮。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的非晶合金为Cu基非晶合金或Ni基非晶合金。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的非晶合金中含有可以和立方氮化硼发生化学反应的活性元素Ti。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的非晶合金为Cu60Zr30Ti10、Cu60Hf25Ti15、Cu60Hf20Ti20、Cu60Zr20Ti20、Ni59Zr20Ti16Si2Sn3、Ni42Ti19 Zr22.5Al8Cu5、Ni60Nb25Ti15或Ni60Nb20Ti15Zr5。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的非晶合金结合层的厚度在制备超硬材料砂轮时立方氮化硼磨粒直径的1/3～2/3之间。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的非晶合金结合层的厚度为10～150μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的非晶合金的过冷液相区在400～500℃之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的加热炉为真空炉。
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