CN105414692B - 一种高频感应加热钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法 - Google Patents

一种高频感应加热钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超硬材料工具制作领域，具体涉及钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法。所述聚晶立方氮化硼具有优异的力学性能和物理性能，TiAl、NiAl金属间化合物具有高熔点、高硬度和良好的高温性能，采用Ti、Ni、Al、Cu单质金属混合粉作为钎料，其中的Ti能够与立方氮化硼实现化合反应。采用高频感应加热钎焊可以实现Al、Ni以及Ti、Al之间的放热反应，Cu可以调控反应的程度，将Ni、Al、Ti、Cu单质金属粉作为钎料布置在聚晶立方氮化硼刀片与刀体之间，在高频感应钎焊的快速加热下，钎缝处形成金属间化合物的同时，立方氮化硼与钎料间发生界面反应，实现良好的润湿，钎缝性能好，且成本低。

Description

一种高频感应加热钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法
技术领域
本发明属于超硬材料工具制作领域，具体涉及高频感应钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法。
背景技术
立方氮化硼的硬度仅次于金钢石，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。聚晶立方氮化硼是由立方氮化硼微粉在结合剂作用下，高温高压烧结而成的立方氮化硼多晶体（PcBN）。聚晶立方氮化硼具有优异的力学性能和物理性能，主要包括：（1）具有很高的硬度和耐磨性；（2）具有很高的热稳定性和高温硬度，其耐热性可达1200℃以上；（3）具有较高的化学稳定性；（4）具有良好的导热性；（5）具有较低的摩擦系数。聚晶立方氮化硼刀具品种繁多，以立方氮化硼含量划分，大体可分为高含量（体积比大于80%）和低含量（体积比小于60%）两类；以粘接剂成分划分，可分为金属粘结剂（如镍、铝、钛等）和陶瓷粘结剂（如Al2O3、TiN、TiC）两类。为了制作刀具，常采用钢基体作为基体与PcBN进行钎焊，但由于cBN和粘结剂的化学惰性，普通钎料对PcBN较难实现润湿，另外，由于PcBN刀具使用中依加工对象的不同，其使用温度也不相同，所以，本发明通过调节钎料配方来改善钎料的润湿性，适应PcBN刀具使用中温度的变化，并且成本低廉。
聚晶立方氮化硼具有优异的高温性能，这类刀具常用于加工淬硬钢，加工过程产生的切削热能够使淬硬钢适当回火而硬度降低，完成加工要求，但在加工过程中，刀具上的聚晶立方氮化硼需要承受高的温度和磨削力，因此要求刀具钎焊中的钎缝应能承受高的温度。同时，由于聚晶立方氮化硼中的立方氮化硼对大多数金属呈惰性，因此在钎料中添加适当的活性元素能够提高钎焊过程中的润湿性。
金属间化合物是两种金属以整数比（或在接近整数比的一定范围内）形成的化合物，它的结构与金属组元本身的结构不同，形成了有序的超点阵结构，因此金属间化合物具有良好的机械性能，包括高熔点、高硬度、良好的疲劳性能，并且其强度随着温度升高而增大，因此选择Ni、Al、Ti等容易形成金属间化合物的金属粉作为钎料，其中的Ti作为活性元素，能够提高钎焊的润湿性，促进钎料与立方氮化硼实现化合反应。
采用感应钎焊可以实现Al、Ni以及Ti、Al之间发生快速放热反应。
发明内容
本发明的目的是利用高频感应加热的快速加热方式，实现Al、Ni以及Ti、Al发生快速放热反应，使钎缝局部高温并生成NiAl、TiAl金属间化合物，提高聚晶立方氮化硼刀具钎缝的力学性能，最终实现聚晶立方氮化硼刀具良好的高温切削性能。
（1）钎料的制备：采用质量纯度超过99.9%、粉末粒度在5~30μm之间的单质金属粉，按质量百分比，取20~30%的Al粉、20~30%的Ti粉、24~36%的Ni粉、10~30%为Cu粉，进行混合后，作为钎料。
（2）清洗：刀体采用钢基体，聚晶立方氮化硼刀片、刀体采用超声波清洗机在有机溶剂中清洗干净。
（3）钎料浆液制备和涂覆：钎料与压敏胶按质量比1∶1.2~1.5制成钎料浆液，将钎料浆液涂在聚晶立方氮化硼刀片、刀体的待焊表面。
（4）聚晶立方氮化硼的固定装配：按照底层为刀体、中层为钎料浆液、上层为聚晶立方氮化硼刀片的样式固定装配在一起，为待焊件。
（5）高频感应加热钎焊：采用高频感应加热的方式加热待焊件至钎料熔化，其中高频感应加热电流的工作频率550kHz-2MHz之间，高频感应加热电流10A-15A 之间，钎焊温度为980~1040℃，保温3-120秒，埋置放入沙坑中进行缓冷，即为成品。另外，需要设置有保护气罩，保护气氛为Ar气。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的工艺方法形成的钎缝为金属间化合物，使钎缝连接层具有耐高温、强度高的性能，适应聚晶立方氮化硼刀具加工高韧性材料的要求，提高生产效率，综合增加经济效益。
（2）本发明使用的钎料中含有一定的Ti粉，能够提高钎焊润湿性，促进聚晶立方氮化硼中的立方氮化硼、各种陶瓷相与钎料发生界面反应，钎焊效果好，且成本低。
（3）在感应的快速加热下，钎料中的Al、Ni和Ti、Al，在加热过程中可以发生放热反应，使钎缝局部高温液化。
具体实施方式
实施例1
一种高频感应加热钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法，包括以下步骤：
（1）钎料的制备：采用质量纯度超过99.9%、粉末粒度在5~30μm之间的单质金属粉，按质量百分比，取30%的Al粉、30%的Ti粉、24%的Ni粉、16%为Cu粉，进行混合后，作为钎料。
（2）清洗：聚晶立方氮化硼刀片、刀体采用超声波清洗机在丙酮有机溶剂中清洗干净。
（3）钎料浆液制备和涂覆：钎料与压敏胶按质量比1∶1.2制成钎料浆液，将钎料浆液涂在聚晶立方氮化硼刀片、刀体的待焊表面。
（4）聚晶立方氮化硼的固定装配：按照底层为刀体、中层为钎料浆液、上层为聚晶立方氮化硼刀片的样式固定装配在一起，为待焊件。
（5）高频感应加热钎焊：采用高频感应加热的方式加热待焊件至钎料熔化，其中高频感应加热电流的工作频率为550kHz，高频感应加热电流15A，钎焊温度为1020℃，保温5秒，埋置入沙坑中进行缓冷，即为成品。另外，需要设置有充满Ar气的保护气罩进行保护避免氧化。
结果表明，该钎焊方法在钎缝处形成了金属间化合物TiAl、NiAl，有利于提高钎缝力学性能，另外，Ti与立方氮化硼发生界面反应，实现了钎缝与聚晶立方氮化硼的化学冶金结合。
实施例2
一种高频感应加热钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法，包括以下步骤：
（1）钎料的制备：采用质量纯度超过99.9%、粉末粒度在5~30μm之间的单质金属粉，按质量百分比，取25%的Al粉、25%的Ti粉、25%的Ni粉、25%为Cu粉，进行混合后，作为钎料。
（2）清洗：聚晶立方氮化硼刀片、刀体采用超声波清洗机在丙酮有机溶剂中清洗干净。
（3）钎料浆液制备和涂覆：钎料与压敏胶按质量比1∶1.2制成钎料浆液，将钎料浆液涂在聚晶立方氮化硼刀片、刀体的待焊表面。
（4）聚晶立方氮化硼的固定装配：按照底层为刀体、中层为钎料浆液、上层为聚晶立方氮化硼刀片的样式固定装配在一起，为待焊件。
（5）高频感应加热钎焊：采用高频感应加热的方式加热待焊件至钎料熔化，其中高频感应加热电流的工作频率为800kHz，高频感应加热电流12A，钎焊温度为1040℃，保温30秒，埋置入沙坑中进行缓冷，即为成品。另外，需要设置有充满Ar气的保护气罩进行保护避免氧化。
结果表明，该钎焊方法在钎缝处形成了金属间化合物，另外，Ti与立方氮化硼发生界面反应，生成了TiB2、TiN，实现了高的连接强度和钎缝处高的力学性能。
实施例3
一种高频感应加热钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法，包括以下步骤：
（1）钎料的制备：采用质量纯度超过99.9%、粉末粒度在5~30μm之间的单质金属粉，按质量百分比，取20%的Al粉、20%的Ti粉、36%的Ni粉、24%为Cu粉，进行混合后，作为钎料。
（2）清洗：聚晶立方氮化硼刀片、刀体采用超声波清洗机在丙酮有机溶剂中清洗干净。
（3）钎料浆液制备和涂覆：钎料与压敏胶按质量比1∶1.5制成钎料浆液，将钎料浆液涂在聚晶立方氮化硼刀片、刀体的待焊表面。
（4）聚晶立方氮化硼的固定装配：按照底层为刀体、中层为钎料浆液、上层为聚晶立方氮化硼刀片的样式固定装配在一起，为待焊件。
（5）高频感应加热钎焊：采用高频感应加热的方式加热待焊件至钎料熔化，其中高频感应加热电流的工作频率为1.8MHz，高频感应加热电流15A，钎焊温度为980℃，保温100秒，埋置入沙坑中进行缓冷，即为成品。另外，需要设置有充满Ar气的保护气罩进行保护避免氧化。
结果表明，该钎焊方法在钎缝处形成了金属间化合物，另外，Ti与立方氮化硼发生界面反应，实现了高的连接强度和钎缝处高的力学性能。

Claims (4)

1.一种高频感应加热钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法，由聚晶立方氮化硼与刀体在保护气氛下高频感应加热钎料实现钎焊而成，其特征在于，所述的制作方法包括以下步骤：
步骤一、钎料的制备：采用质量纯度超过99.9%、粉末粒度在5~30μm之间的单质金属粉，按质量百分比为特定比例的Al粉、Ti粉、Ni粉、Cu粉进行混合后作为钎料，其使用的单质金属粉的质量百分比为：20~30%的Al粉、20~30%的Ti粉、24~36%的Ni粉、10~30%的Cu粉；
步骤二、清洗：聚晶立方氮化硼刀片、刀体采用超声波清洗机清洗，并在清洗机中添加有机溶剂清洗干净；
步骤三、钎料浆液制备和涂覆：钎料与压敏胶按质量比1∶1.2~1.5制成钎料浆液，将钎料浆液涂在聚晶立方氮化硼刀片、刀体的待焊表面；
步骤四、聚晶立方氮化硼的固定装配：按照底层为刀体、中层为钎料浆液、上层为聚晶立方氮化硼刀片的样式固定装配在一起，为待焊件；
步骤五、采用高频感应加热的方式加热待焊件至钎料熔化，钎焊温度为980~1040℃，保温3-120秒，埋置入沙坑中进行缓冷，即为成品；另外，加热和保温时设置有充满惰性气体的保护气罩。
2.根据权利要求1所述的高频感应加热钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法，其特征在于：所述的高频感应加热，其感应加热电流的工作频率在550kHz-2MHz之间，感应加热电流在10A-15A 之间，完成感应钎焊。
3.根据权利要求1所述的高频感应加热钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法，其特征在于：所述的保护气罩，该保护气罩与惰性气体源连接，惰性气体采用Ar气。
4.根据权利要求1所述的高频感应加热钎焊聚晶立方氮化硼刀具的制作方法，其特征在于：所述的刀体材料为钢。
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