CN105195845B - 铜基钎料激光钎焊立方氮化硼磨粒的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜基钎料激光钎焊立方氮化硼磨粒的制造方法，具体包含以下步骤：(1).将45钢基体和CBN磨料放入有机溶剂中采用超声波清洗方法进行去油、去污处理；(2).将铜基钎料布于45钢基体之上，将CBN磨粒有序排布于钎料之上；(3).将待加试样置入由CO2激光器、数控加工机床以及气体保护装置组成钎焊设备上，通过CO2激光器发射一定频率激光使铜基钎料受热熔化，钎料对钢基体和CBN磨粒表现出较好的浸润性。本发明制造价格低廉，采用激光进行钎焊CBN磨粒，能量密度高、升降温速度快，可以实现局部加热，热影响区小，不易产生热损伤；并且激光束可用光纤传输，几乎可以对任何钎焊的部位进行加工，灵活性较好。

Description

铜基钎料激光钎焊立方氮化硼磨粒的制造方法
技术领域
本发明涉及高温钎焊技术领域，具体涉及一种铜基钎料激光钎焊立方氮化硼磨粒的制造方法。
背景技术
立方氮化硼(Cubic boron nitride，c-BN)为立方结构的氮化硼，分子式为BN，它具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性等优异性能，它的硬度仅次于金钢石，为HV72000～98000兆帕，但热稳定性远高于金钢石，对铁系金属元素有较大的化学稳定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，还能有效地提高工件的磨削质量。用立方氮化硼磨具磨削钢材时，大多可获得高的磨削比和加工表面质量。其制品非常适合加工铁基合金材料(如淬硬钢、高速工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢)、高硅铝合金和钛合金等高硬度韧性大的金属材料。
近年来，随着高温钎焊技术的迅速发展，采用活性钎料钎焊CBN以制造各种磨削工具受到广泛的关注。高温钎焊CBN磨料1有关钎料大致可以分为两种：银基活性钎料和铜基活性钎料。银基钎料钎焊制备CBN工具和制品，成本高，工作温度低，制品和工具的高温性能与CBN的热稳定性不匹配，不能满足CBN作为高温耐磨材料的要求，致使磨具在高温磨削过程中性能损失严重。铜基活性钎料熔点适中(860-1000℃)、工艺性能较好、钎焊强度较高，而且成本较低，能充分发挥CBN磨料1的超硬耐磨作用。
目前单层高温钎焊立方氮化硼砂轮制作工艺主要依靠真空钎焊完成的，但真空钎焊在实际应用中却存在如下局限性：钎焊过程加热、冷却时间长；致使生产的周期变长，费时耗能，CBN磨料1长时间处于高温环境下会使磨粒表面出现不利产物。
发明内容
本发明目的是提供一种铜基钎料激光钎焊立方氮化硼磨粒的制造方法，它能有效地解决真空钎焊中存在生产周期长，工具尺寸受限的问题，且能够解决CBN磨粒的钎焊成本较高、连接强度低的问题。
铜基钎料激光钎焊立方氮化硼磨粒的制造方法，具体包含以下步骤：
(1).将45钢基体和CBN磨料放入有机溶剂中采用超声波清洗方法进行去油、去污处理，此过程应严格要求，防止油污受热后存留于金属表面，破坏液态钎料对钢基体和无镀膜CBN磨粒的润湿效果，影响钎料层的形成；
(2).将铜基钎料布于45钢基体之上，将CBN磨粒有序排布于钎料之上，制成45钢基体-铜基钎料-CBN磨粒由下向上顺序排列的待加工试样；
(3).将待加试样置入由CO2激光器、数控加工机床以及气体保护装置组成钎焊设备上，通过CO2激光器发射一定频率激光使铜基钎料受热熔化，钎料对钢基体和CBN磨粒表现出较好的浸润性，在与两者结合界面处发生化学冶金反应，实现铜基钎料激光钎焊立方氮化硼磨粒。
所述的铜基钎料为高温铜基活性钎料，铜基钎料成份按重量百分比为Cu∶78-81％，Ni∶5-6％，Sn∶3-5.5％，Ti∶10-12％；无镀膜CBN磨粒的粒度为40/50/60目。
由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：制造价格低廉，采用激光进行钎焊CBN磨粒，能量密度高、升降温速度快，可以实现局部加热，热影响区小，不易产生热损伤；并且激光束可用光纤传输，几乎可以对任何钎焊的部位进行加工，灵活性较好；同时，在激光钎焊过程中，可以通过控制激光工艺参数来控制磨粒的损伤，提高焊后CBN磨具的切削性能；激光钎焊过程能够通过计算机软件实现钎焊过程的自动化、智能化，在大规模制造中较低生产成本，提高生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明，下面将结合附图对实施例作简单的介绍。
图1是本发明中铜基钎料激光钎焊CBN磨粒示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
参看图1，铜基钎料激光钎焊立方氮化硼磨粒的制造方法，具体包含以下步骤：
(1).将45钢基体和CBN磨料1放入有机溶剂中采用超声波清洗方法进行去油、去污处理，此过程应严格要求，防止油污受热后存留于金属表面，破坏液态钎料对钢基体和无镀膜CBN磨粒的润湿效果，影响钎料层的形成；
(2).将铜基钎料2(Cu78-81Ni5-6Sn3-5.5Ti 10-12)布于45钢基体3之上，将40/50目的CBN磨粒1有序排布于铜基钎料2之上，制成45钢基体3-铜基钎料2-CBN磨粒1由下向上顺序排列的待加工试样；
(3).将待加试样置入由CO2激光器、数控加工机床以及气体保护装置组成钎焊设备上，调整CO2激光器，使激光钎焊工艺参数为：功率680W，扫描速度24mm/min，多模矩形光斑，面积为12mm2。使铜基钎料2受热熔化，完成铜基钎料2激光钎焊立方氮化硼磨粒。对结合界面进行微观分析，表明采用铜基钎料2钎焊CBN磨粒1至钢基体，在一定激光钎焊工艺参数条件下界面处发生了化学冶金反应，实现了CBN磨粒1和钢基体的高强度连接。
所述的铜基钎料2为高温铜基活性钎料，铜基钎料2成份按重量百分比为Cu∶78-81％，Ni∶5-6％，Sn∶3-5.5％，Ti∶10-12％；所述无镀膜CBN磨粒的粒度为40/50/60目。
实施例2
对CBN磨粒与铜基钎料界面组织结构进行分析，表明活性Ti元素明显向CBN磨粒表面发生偏聚；且CBN中B，N元素也向钎料层中表现出扩散现象，这些现象表明在界面处发生了化学反应。CBN磨粒被铜基钎料包覆着，表现出较好的浸润性，这表明CBN磨粒与钎料之间发生了润湿反应。深腐蚀处理后，通过SEM观察发现磨粒表面的反应产物呈棱柱状，X射线衍射谱物相表明，磨粒表面的反应产物为TiN，TiB和TiB2；
对45钢基体与铜基钎料界面组织结构进行分析，SEM形貌照片及元素线扫描，可以看出界面结合完好，无缺陷。Ti元素向钢基体发生偏聚，说明钎料与钢基体之间存在明显的相互扩散现象，两者形成了化学冶金结合；
将钎焊后的试样在花岗岩上进行重负荷磨削试验，结果表明，CBN磨粒属于正常磨损，未出现磨粒脱落现象，实现了45钢基体对CBN磨粒的牢固连接。
实施例3
本实施例采用的设备主要有：CO2激光器、数控加工机床以及气体保护装置。
CO2激光器的激光功率为600-750W，光斑扫描速度为15-35mm/min，激光光斑面积为8-15mm2，其中最佳的激光钎焊金CBN磨粒的工艺参数为：激光器的功率680W，扫描速度24mm/min，激光光斑面积为12mm2。
铜基钎料为高温铜基活性钎料，铜基钎料成份按重量百分比为Cu∶78-81％，Ni∶5-6％，Sn∶3-5.5％，Ti∶10-12％；无镀膜CBN磨粒的粒度为40/50/60目。
采用铜基钎料激光钎焊立方氮化硼磨粒于45钢基体上，在结合界面发生了化学冶金反应，实现CBN磨粒与基体的高强度连接；钎料中的活性Ti元素明显向CBN表面发生偏聚，并在CBN磨粒表面生成TiN，TiB和TiB2。
本实施例制备的钎焊砂轮适合加工铁基合金材料(如淬硬钢、高速工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢)、高硅铝合金和钛合金等高硬度韧性大的金属材料。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.铜基钎料激光钎焊立方氮化硼磨粒的制造方法，其特征在于具体包含以下步骤：
(1).将45钢基体和CBN磨料放入有机溶剂中采用超声波清洗方法进行去油、去污处理，此过程应严格要求，防止油污受热后存留于金属表面，破坏液态钎料对钢基体和无镀膜CBN磨粒的润湿效果，影响钎料层的形成；
(2).将铜基钎料布于45钢基体之上，将CBN磨粒有序排布于钎料之上，制成45钢基体-铜基钎料-CBN磨粒由下向上顺序排列的待加工试样；
(3).将待加试样置入由CO2激光器、数控加工机床以及气体保护装置组成钎焊设备上，通过CO2激光器发射一定频率激光使铜基钎料受热熔化，钎料对钢基体和CBN磨粒表现出较好的浸润性，在与两者结合界面处发生化学冶金反应，实现铜基钎料激光钎焊立方氮化硼磨粒；
所述的铜基钎料为高温铜基活性钎料，铜基钎料成份按重量百分比为Cu：78-81％，Ni：5-6％，Sn：3-5.5％，Ti：10-12％；无镀膜CBN磨粒的粒度为40/50/60目。
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