CN111203811B

CN111203811B - 一种具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法

Info

Publication number: CN111203811B
Application number: CN202010189768.3A
Authority: CN
Inventors: 伍俏平; 李博新; 段良辉
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2040-03-18
Also published as: CN111203811A

Abstract

本发明公开一种具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，通过将具有良好导电性和自润滑性能的碳微球添加到活性钎料粉末中，通过模压成型和高温钎焊技术制备出多层钎焊砂轮。碳微球的存在有效提高了钎焊砂轮电解修整中电解腐蚀的剧烈程度，显著增大电解修整氧化膜的成膜速度和厚度，促进磨损磨粒的及时脱落，保证了钎焊砂轮工作表面的锋利性和修整效率；而碳微球均匀分布于氧化膜中，也能有效提高氧化膜的粘附强度，氧化膜的研磨、抛光作用和碳微球的自润滑性能得以充分发挥，显著提高钎焊砂轮的加工表面质量，且能在电解修整过程中被充分利用，从而明显降低成本，可用于工程陶瓷等难加工材料的高效低损伤加工中。

Description

一种具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法

技术领域

本发明涉及钎焊砂轮制备及其电解修整技术，具体涉及一种具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法。

背景技术

钎焊砂轮具有磨粒把持力大、出刃高度大、加工性能优良等特点，目前在制造加工领域中得到了应用和发展。但由于制备工艺的限制，目前的钎焊砂轮大多为单层超硬磨粒钎焊砂轮，工作层的磨粒只有一层，该层磨粒磨耗后砂轮即失效，使用寿命有限。对此，本发明人在前期的研究中，采用模压成型和高温钎焊技术开发出了多层钎焊金刚石砂轮，多层钎焊金刚石砂轮的磨粒是多层分布的，上层磨粒磨耗后，下层磨粒如能及时出露发挥其切削性能，则能大大提高钎焊砂轮的使用寿命。电解修整技术能促使金属材料被电解腐蚀去除，从而使得上层磨损磨粒顺利脱落，下层磨粒出露更新，砂轮的使用寿命得到大幅度提高。但由于钎焊砂轮中包含有钛、铬等活性元素，该类元素极易氧化形成钝化层，该钝化层会阻碍电解腐蚀的进行而影响电解成膜效果，造成氧化膜的成膜速度慢且厚度较薄，这对磨损膜粒的及时脱落是极为不利的。为了改善电解修整效果，中国发明CN201910819949.7提供了一种用于大粒度多层钎焊砂轮电解修整的含碳纳米管电解液及其制备方法，提出制备一种含碳纳米电解液以提高电解成膜厚度和速度，获得理想的电解修整效果。该发明已经取得了较好的技术效果，但仍然存在一些不足：1、含碳纳米管电解液在喷射过程中，只是部分碳纳米管真正进入到电解修整区域，一部分碳纳米管随电解液而流失，材料没有得到充分利用；2、为了能将碳纳米管吸附在作为电解阳极的钎焊砂轮表面，碳纳米管需进行热酸氧化处理使其表面带有负电荷，该工艺较繁琐，且周期较长；3）碳纳米管具有长径比大、螺旋卷曲结构，其不容易分散均匀，容易相互缠绕产生团聚，且材料成本高。因此，仍然需要针对这些问题做进一步的研究。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法。该方法首先将碳微球、阳离子表面活性剂按一定比例加入到无水乙醇中，并利用超声波振动分散获得理想分散效果的含碳微球管悬浊液；然后将含碳微球悬浊液加入到铜基钎料粉末中，并采用机械球磨法均匀混炼；再将球磨后的钎料粉末与金刚石磨粒利用三维混料机进行机械混合制备出喂料，然后利用模压成型技术将喂料进行模压成型制备出金刚石节块生坯，并采用高温钎焊技术使金刚石节块成型坯产生致密化烧结，制备出具有良好力学性能、组织致密、磨粒把持强度大的金刚石节块；最后将多个金刚石节块与砂轮基体进行低熔点焊接制备出具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮；并采用电解修整技术对钎焊砂轮进行电解修整，碳微球的存在使得电解生成的氧化膜的成膜速度和成膜厚度显著提升，实现上层磨损磨粒的顺利脱落、下层磨粒持续更新发挥切削性能。与此同时，分布于氧化膜中的碳微球能有效提高氧化膜的粘附强度，氧化膜的研磨、抛光作用和碳微球的自润滑性能得以充分发挥，在获得良好的加工效果的同时，钎焊砂轮的使用寿命也得以显著提升。

本发明采用的技术方案是：

一种具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，其特征在于，将碳微球加入到钎料粉末中均匀混合，并通过模压成型和高温钎焊技术制备出具有自润滑功能和良好电解成膜性能的多层钎焊砂轮，具体包括如下步骤：

（1）将十六烷基三甲基溴化铵的阳离子表面活性剂按照1.4~1.8g/L的比例配置到无水乙醇中，得到阳离子表面活性剂的无水乙醇溶液，再将质量分数为0%~0.4%且大于0（优选0.2%~0.3%）的碳微球（碳微球粒径大小为1~10微米）加入其中，并采用超声波振动方式提高分散均匀性，超声振动时间为25~40分钟，并利用玻璃棒辅助机械搅拌3~5次，每次1~2分钟，得到含碳微球悬浊液；

（2）将步骤（1）所得含碳微球悬浊液倒入到铜基钎料粉末中进行球磨混合，然后将混合物与金刚石机械混合，得到喂料；

（3）将步骤（2）所得喂料进行模压成型制备出金刚石节块生坯；

（4）脱模后采用高温钎焊技术实现钎料粉末的致密化烧结，得到具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮；

（5）利用电解修整技术对步骤（4）所得钎焊砂轮进行修整以实现磨损磨粒的及时脱落。

进一步地，所述铜基钎料粉末的具体成分为Cu-Sn-Ti， Cu质量分数为80~85%，Sn质量分数为8~10%，Ti质量分数为5~12%，粉末的粒径大小为5~15微米，粉末形状为球形或近球形。

进一步地，步骤（2）中，球磨混合采用行星式球磨机，磨球选用碳化硅陶瓷材料，磨球直径为1~10mm，球料比为15~20：1，转速为150~180 转/分钟，球磨时间为2~3小时。

进一步地，步骤（2）中，机械混合采用三维混料机，其中，金刚石磨粒的晶型为MBD8，磨粒粒径大小为200~300微米，混合物与金刚石磨粒的体积比为1.2~1.5：1，三维混料机的转速为80~100转/分钟，混料时间为20~30分钟，可使喂料粉末分布均匀、碳微球分散良好。

进一步地，步骤（3）中，模压成型工艺参数如下：模压压力80MPa~110MPa，保压时间10~16分钟，为了避免成型过快而造成模具内腔压溃问题的出现，模压过程中优选采取梯度施压的方式，即开始缓慢施加80~90MPa，并保压5~8分钟，使粉末获得一定的紧实度，然后施加100~110MPa的模压力，保压5~8分钟后脱模。

进一步地，步骤（3）中，在模压成型之前模具内腔涂有油性脱模剂，有助于顺利脱模。

进一步地，步骤（4）中，高温钎焊技术包括钎焊和整体焊接。钎焊温度利用差示扫描量热分析法测量铜基钎料粉末的固相线温度T₁和液相线温度T₂确定。为了保证钎焊强度和致密性的同时，又不能使钎料完全熔化而失去形状保持性，钎焊温度的选取一般采用固液并存烧结，即在固相线温度T₁和液相线温度T₂之间选取钎焊温度。最终钎焊工艺参数的选取如下：钎焊气氛为真空环境，且真空度控制在10^-1Pa以下，钎焊温度选为900℃~920℃，钎焊时间为10~15分钟；金刚石节块制备后，利用低熔点焊剂将多个金刚石节块与砂轮基体材料进行整体焊接制备出具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮。具体操作如下：选用的焊剂主要成分为CuPSnNi，整体焊接温度为700~720℃，保温时间为20 ~25分钟，升降温速度为5~8℃/分钟。

进一步地，步骤（5）中，电解修整技术的电解工艺参数范围为：电解电压60~120伏，电解时间5~15分钟，占空比80%~120%。比较碳微球的加入量（质量百分比）为0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%的电解修整效果。电解修整效果主要通过分析氧化膜的成膜厚度和粘附强度来评价，其中氧化膜成膜厚度是采用超景深显微镜进行测量，并用标尺进行标记。粘附强度是采用胶带粘附法来测量，具体操作为：砂轮电解修整后，放置于室温下干燥2小时，利用胶带对氧化膜进行粘附，记录将氧化膜完全粘掉而露出金属胎体材料所需要次数，粘附次数的多少间接表征氧化膜的吸附强度（即粘附次数越多，则表明氧化膜粘附强度越大）。

在上述基础上，还分析了钎焊砂轮磨削工程陶瓷的加工表面粗糙度和磨削表面残余应力，以考察碳微球加入量对磨削加工表面质量的影响。其中磨削参数设置为：磨削深度为10微米，砂轮主轴转速为3000转/秒，工件进给速度为25毫米/秒。通过上述性能指标来整体评价钎焊砂轮的电解修整及磨削效果。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明采用的碳微球形状简单，为球形或近球形，更容易均匀分布于砂轮胎体材料中；碳微球本身又具有优良的导电性能，其在砂轮胎体材料中的均匀分散可有效提高电解腐蚀剧烈程度，且电解后直接进入到生成的氧化膜中，这会大幅度的降低氧化膜的绝缘性，延长电解腐蚀时间，从而显著提高氧化膜的成膜速度和成膜厚度，促进磨损磨粒的及时脱落更新，保证了钎焊砂轮表面的锋利性。

（2）碳微球分布于氧化膜中，其弥散强化作用能有效提高氧化膜的粘附强度，使其不容易在离心力或电解液冲刷作用下非正常脱落，氧化膜的研磨、抛光作用和碳微球的自润滑性能得以充分发挥，可显著提高钎焊砂轮的加工表面质量。

（3）碳微球分布在钎焊砂轮胎体材料中，其在电解修整过程中能够充分利用，不存在随电解液喷射而过早流失的情况，且其材料成本较低，明显节约了加工费用。

总而言之，本发明的具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，在获得良好的加工表面质量的同时，钎焊砂轮的使用寿命长，本发明在难加工材料的精密磨削加工中具有较大的应用前景。

附图说明

图1为实施例4所得产品的氧化膜生成厚度图。

图2为实施例13所得产品的氧化膜生成厚度图。

图3为实施例13所得产品的氧化膜表面形貌图。

图4为实施例7所得产品的氧化膜生成厚度图。

图5为实施例7所得产品的氧化膜表面形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于此。

一种具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，包括如下步骤：

将阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵按照1.6g/L的比例配置到无水乙醇中；将碳微球加入其中，碳微球粒径大小为1~5微米，并采用超声波振动方式提高其分散均匀性，超声振动时间为30分钟，期间利用玻璃棒辅助机械搅拌3次，每次2分钟，以此配制出含碳微球悬浊液。再将碳微球悬浊液倒入到Cu-Sn-Ti钎料粉末中，粉末组成为：Cu质量分数为82%，Sn质量分数为9%，Ti质量分数为9%)，粉末粒径大小为12微米，粉末形状为近球形；然后将混合物放置于行星式球磨机的料罐中进行机械球磨，磨球选用碳化硅陶瓷材料，磨球直径为5 mm，球料比为18：1，转速为160 转/分钟，球磨时间为2.5小时。然后将球磨后的钎料粉末与金刚石磨粒利用三维混料机进行机械混合，金刚石磨粒粒径大小为250微米，铜基钎料粉末与金刚石磨粒的体积比为1.3：1，三维混料机的转速为90转/分钟，混料时间为25分钟，制备出粉末分布均匀、碳微球分散良好的喂料。

将喂料进行模压成型以制备金刚石节块生坯，模压过程中采取梯度施压的方式，先缓慢施加85MPa，并保压6分钟，使粉末获得一定的紧实度，然后施加105MPa的模压力，保压7分钟后脱模。且在模压成型之前在模具内腔涂有油性脱模剂，帮助顺利脱模。

脱模后采用高温钎焊技术实现钎料粉末的致密化烧结。钎焊工艺参数的选取如下：钎焊气氛为真空环境，钎焊温度为910℃，钎焊时间为12分钟。金刚石节块制备后，利用低熔点焊剂将多个金刚石节块与砂轮基体材料进行整体焊接制备出多层钎焊砂轮。具体操作如下：选用的焊剂主要成分为CuPSnNi，砂轮整体焊接温度为700℃，保温时间为25分钟，升降温速度为6℃/分钟。

利用电解修整技术对其进行修整使磨损磨粒及时脱落。电解工艺参数范围为：电解电压60~120伏，电解时间5~15分钟，占空比80%~120%。

上述用于自润滑功能和良好电解成膜性能的含碳微球钎焊砂轮的电解修整，各实施例的具体组成如表1所示。

表1

部分实施例所述钎焊砂轮电解修整如表2所示。

表2

采用本发明的具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮进行电解修整时，碳微球的加入能够有效提高电解氧化膜成膜速率和成膜厚度，但实验结果表明：当碳微球含量为0.1%时（实施例4），即使电解时间达到15分钟，生成的氧化膜的厚度仅为75 微米，如图1所示，氧化膜不足以使磨损的金刚石磨粒及时脱落，这会造成磨削表面粗糙度和残余应力较大，加工表面质量得不到保证，这表明碳微球含量小于0.1%时达不到理想的效果；但当碳微球含量为0.4%时（实施例13），其电解腐蚀剧烈程度明显增大，成膜速度快，即使电解时间为5分钟时，氧化膜厚度也达到了187微米，如图2所示；但电解反应剧烈引起氧化膜疏松不致密，分布有大小不一的孔隙（氧化膜形貌如图3所示）；氧化膜的粘附性差（粘附次数只有9次），容易在离心力作用或工件刮擦作用而非正常脱落，氧化膜的研磨、抛光作用得不到充分发挥，磨削表面粗糙度也较大，加工质量受到影响；并对比实施例13和实施例14可发现，虽然随着电解时间和电解参数的增大，氧化膜的厚度有所增大，但氧化膜的粘附次数反而从9次降为7次，这是因为电解时间的延长，氧化膜的浸泡时间更长，氧化膜变得相对疏松，这势必会降低其粘附强度，也会影响其加工效果。而当碳微球的含量为0.2~0.3%范围内时，只要电解时间较充分，电解生成氧化膜的成膜厚度均比较理想，一般都在200微米以上。如实施例7生成的氧化膜厚度达到了212微米，如图4所示，这能有效实现磨损磨粒的顺利脱落；且氧化膜的粘附强度也较理想（粘附次数为17次），氧化膜组织较致密，碳微球均匀分布于氧化膜（氧化膜形貌如图5所示）；这能有效提高氧化膜的粘附强度，良好的氧化膜成膜特性也促进了磨削加工表面质量的提高，表面粗糙度达到了0.08微米。因此，碳微球的含量控制在0.2~0.3%能获得较理想的综合效果。

本发明通过在钎焊砂轮胎体材料中添加一定量的碳微球，有效提高电解修整过程中电解腐蚀程度，促进氧化膜成膜速率和成膜厚度的显著提升，磨损磨粒能及时脱落；碳微球均匀分布于氧化膜中，能有效提高氧化膜的粘附强度，氧化膜的研磨抛光作用能充分发挥；而在磨削过程中，碳微球具有自润滑性能，其能有效提高磨削表面质量。总而言之，本发明的具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，在获得良好的加工表面质量的同时，钎焊砂轮的使用寿命长，本发明在难加工材料的精密磨削加工中具有较大的应用前景。

Claims

1.一种具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，其特征在于，将碳微球加入到钎料粉末中均匀混合，并通过模压成型和高温钎焊技术制备出具有自润滑功能和良好电解成膜性能的多层钎焊砂轮；具体包括如下步骤：

（1）将十六烷基三甲基溴化铵的阳离子表面活性剂按照1.4~1.8g/L的比例配置到无水乙醇中，得到阳离子表面活性剂的无水乙醇溶液，再将质量分数为0%~0.4%且大于0的碳微球加入其中，并采用超声波振动方式提高碳微球分散均匀性，超声振动时间为25~40分钟，并利用玻璃棒辅助机械搅拌3~5次，每次1~2分钟，得到含碳微球悬浊液；

（5）利用电解修整技术对步骤（4）所得钎焊砂轮进行修整以实现磨损磨粒的及时脱落；

所述铜基钎料粉末的具体成分为Cu-Sn-Ti， Cu质量分数为80~85%，Sn质量分数为8~10%，Ti质量分数为5~12%，粉末的粒径大小为5~15微米，粉末形状为球形或近球形。

2.根据权利要求1所述的具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，其特征在于，步骤（2）中，球磨混合采用行星式球磨机，磨球选用碳化硅陶瓷材料，磨球直径为1~10 mm，球料比为15~20：1，转速为150~180 转/分钟，球磨时间为2~3小时。

3.根据权利要求1所述的具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，其特征在于，步骤（2）中，机械混合采用三维混料机，其中，金刚石磨粒的晶型为MBD8，磨粒粒径大小为200~300微米，混合物与金刚石磨粒的体积比为1.2~1.5：1，三维混料机的转速为80~100转/分钟，混料时间为20~30分钟。

4.根据权利要求1所述的具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，其特征在于，步骤（3）中，模压成型工艺参数如下：模压压力80MPa~110MPa，保压时间10~16分钟。

5.根据权利要求1所述的具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，其特征在于，步骤（3）中，模压成型采取梯度施压的方式，即开始缓慢施加80~90MPa，并保压5~8分钟，然后施加100~110MPa的模压力，保压5~8分钟后脱模。

6.根据权利要求1所述的具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，其特征在于，步骤（3）中，在模压成型之前模具内腔涂有油性脱模剂，有助于顺利脱模。

7.根据权利要求1所述的具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，其特征在于，步骤（4）中，高温钎焊技术包括钎焊和整体焊接；钎焊工艺参数为：钎焊气氛为真空环境，且真空度控制在10^-1Pa以下，钎焊温度选为900℃~920℃，钎焊时间为10~15分钟；整体焊接参数为：选用的焊剂主要成分为CuPSnNi，整体焊接温度为700~720℃，保温时间为20 ~25分钟，升降温速度为5~8℃/分钟。

8.根据权利要求1所述的具有自润滑功能和良好电解成膜性能的钎焊砂轮制备及电解修整方法，其特征在于，步骤（5）中，电解修整技术的电解工艺参数范围为：电解电压60~120伏，电解时间5~15分钟，占空比80%~120%。