CN111251200A

CN111251200A - 一种基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮及其制备方法

Info

Publication number: CN111251200A
Application number: CN202010081164.7A
Authority: CN
Inventors: 陈雪梅; 蒲昌兰; 陈清良; 苏宏华; 丁文锋; 赵彪
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2020-06-09

Abstract

一种基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮及其制备方法，该砂轮工作层由Cu‑Sn‑Ti复合钎料（10%Ti，72%Cu，18%Sn）、二硫化钼颗粒、尿素颗粒、金刚石磨粒组成，制备方法是：将45wt.%~60wt.%的Cu‑Sn‑Ti复合钎料和5wt.%~20wt.%的二硫化钼颗粒，添加缩丁醛胶体溶液后混合均匀，经烘干、球磨、过筛后获得复合结合剂；将复合结合剂与15wt.%尿素颗粒和20wt.%金刚石磨粒机械混合均匀，将芯轴插入模具，并通过特定单侧轴向冷压成型制成工作层毛坯，然后通过水溶方式去除造孔剂，制得多孔砂轮毛坯；再经真空液相烧结形成多孔金刚石砂轮。制得的开孔金刚石砂轮兼具高开放气孔率、高强度、自润滑性能好、透水性好和导热性好等特性。

Description

一种基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于超硬磨料工具技术领域，特别是涉及一种基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮的制备方法。

背景技术

随着诸如镍基高温合金与钛合金等难加工材料在航空航天制造业中的广泛应用，金刚石砂轮作为一种超硬磨料砂轮被广泛应用于难加工材料的磨削加工。然而因其热导率和弹性模量低等特点，导致钛合金磨削过程中存在磨削效率低、工件表面易烧伤、砂轮磨损严重等问题，严重限制了镍基高温合金与钛合金等难加工材料去除效率和加工表面质量，为适应以镍基高温合金为代表的难加工材料磨削过程中出现的砂轮磨损快、磨削载荷大、磨削温度高的问题，理论上金刚石砂轮磨料层除需具备磨粒把持力高、切削刃锋利、型面稳定性好外，还须同时满足高强度与高气孔率的要求。

现阶段，国内外有关磨削钛合金的研究成果，普遍认为，增大磨粒锋利度、耐磨性和容屑空间，是减少磨削热，最终提升磨削加工效率和工件表面质量的有效途径。目前应用较广的金刚石砂轮主要包括：树脂结合剂金刚石砂轮、陶瓷结合剂金刚石砂轮和金属结合剂金刚石砂轮（包括烧结型金属结合剂金刚石砂轮、电镀金属结合剂金刚石砂轮和单层钎焊金属结合剂金刚石砂轮）。从结合剂与金刚石磨粒的结合强度角度考虑，树脂结合剂金刚石砂轮主要采用弹性大、耐热性差的酚醛树脂材料作为结合剂，因此磨粒把持力弱，易脱落，不适合重负荷高效磨削加工。陶瓷结合剂金刚石砂轮带有孔洞，使得切削液能有效地进入磨削弧区，并有较大的容屑空间，磨削过程中不易发热和堵塞，砂轮的自锐性很好。但是，陶瓷结合剂金刚石砂轮的烧结温度高，其强度和抗冲击性较低。而且陶瓷结合剂金刚石砂轮是靠磨削过程中结合剂的不断磨损来自锐，砂轮使用寿命受限。烧结型金属结合剂金刚石砂轮通常采用青铜、铁和镍合金等为主的结合剂，磨料把持强度相对较高，耐温导热性能好，使用寿命长，形状保持性好，能承受较大的负荷。但传统的金属结合剂金刚石烧结砂轮都为密实型，而且砂轮与工件间较大的摩擦系数，造成砂轮自锐性差、容易堵塞、使用之初和磨损后的整形和修锐困难以及加工表面烧伤严重。

有鉴于此，为了提升金属结合剂金刚石砂轮加工高强韧难加工材料时的磨削性能，保证砂轮磨料层兼备高开放气孔率、高强度和自润滑性能好的要求仍是多孔金属结合剂金刚石砂轮研制过程中急需解决的关键问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮及其制备方法，能提升金属结合剂金刚石砂轮的开放气孔率、强度和自润滑性能，所得砂轮能实现高效精密磨削以镍基高温合金为代表的难加工材料。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮，由Cu-Sn-Ti复合钎料、二硫化钼颗粒、尿素颗粒和金刚石磨粒按照均匀混合，加压成型，水溶造孔、真空液相烧结操作步骤最终制得多孔金刚石砂轮。

进一步，所述的金属复合结合剂金刚石砂轮工作层的原料组分以及质量百分比含量为：20%的金刚石磨粒、5~20%的二硫化钼颗粒、15%的尿素颗粒、45%~60%的Cu-Sn-Ti复合钎料；较佳地，二硫化钼颗粒含量为5%。

进一步，所述的Cu-Sn-Ti复合钎料的原料各组分的质量百分比含量为：10%Ti，72%Cu，18%Sn。

进一步，所述的金刚石磨粒粒径为355~425微米；

砂轮芯轴采用硬质合金材料，芯轴端部通过滚花处理，增大芯轴与磨料层的结合强度；

二硫化钼颗粒粒径大小约为30微米；

尿素颗粒为近球状，直径为400~600微米；尿素颗粒对磨料层强度的影响较大，直径越大，尿素颗粒分布越难以均匀控制，磨料层强度越低，通过前期研究可知，当尿素颗粒直径为400-600微米时，磨料层强度最大，能够满足磨头高效磨削加工对磨料层强度的要求。

Cu-Sn-Ti复合钎料颗粒的粒径为20~30微米。

上述基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮的制备方法，首先，向Cu-Sn-Ti复合钎料中均匀混合二硫化钼颗粒制得二硫化钼复合结合剂；将造孔剂尿素和金刚石磨粒加入二硫化钼复合结合剂中，充分混合均匀；将芯轴装入冷压模具，然后将混好的复合结合剂装入模具，并通过单向挤压制成砂轮毛坯；后经过水溶去除造孔剂、烘干和真空液相烧结步骤最终制得兼具高气孔率及优异自润滑性能的开孔金刚石砂轮工作层，而且在很大程度上增强了砂轮工作层的透水性和导热性。

具体而言，包括以下步骤：

（1）将二硫化钼和Cu-Sn-Ti复合钎料混合均匀，滴入事先配制好的浓度为5wt.%的缩丁醛胶体溶液，混合均匀后干燥、球磨、过筛，制得二硫化钼复合结合剂；

（2）将金刚石磨粒和尿素颗粒加入到二硫化钼复合结合剂中，混合均匀，将芯轴装入冷压模具，然后将混好的复合结合剂装入模具，并通过单向挤压制成砂轮毛坯；

（3）将制得的砂轮毛坯通过水溶法去除造孔剂尿素，制得多孔砂轮毛坯；

（4）将多孔砂轮毛坯置于80℃恒温箱1小时烘干，然后置于真空钎焊炉内升温至880℃进行真空液相烧结，升降温曲线均为10℃每分钟；然后随炉冷却至室温出炉，制得多孔金刚石砂轮。具备高开孔气孔率、高强度和自润滑性能好等特点。

对多孔复合结合剂磨料层节块断口处金刚石磨粒与复合钎料结合界面进行X射线衍射分析,烧结过程中Cu-Sn-Ti合金粉末与MoS2粉末间相互扩散并发生了化学反应，从而形成了稳固的结合。

金刚石磨粒中的C原子在高温液相烧结过程中向含Ti的复合结合剂中扩散，发生如下化学反应：

本发明的有益效果是：

本发明向Cu-Sn-Ti复合钎料中均匀混合二硫化钼颗粒制得二硫化钼复合结合剂，二硫化钼复合结合剂与金刚石磨粒在真空液相烧结过程中发生化学反应，改善了金属结合剂对金刚石的润湿性，另外通过水溶法制备的砂轮开放孔隙，在提升磨粒把持强度、自润滑性能和孔隙率的同时，保持金刚石磨粒超强耐磨性和锋利切削刃的特点。

附图说明

图1为金刚石砂轮组织结构示意图；

图2为多孔金刚石砂轮示意图；

图3为本发明制备的多孔金刚石砂轮实物图。

上图中：1-开放孔隙；2-金刚石磨粒；3-二硫化钼颗粒；4-Cu-Sn-Ti活性胎体合金；5-芯轴。

具体实施方式：

实施例1

多孔金刚石砂轮，由Cu-Sn-Ti复合钎料、二硫化钼颗粒、尿素颗粒和金刚石磨粒1按照均匀混合，加压成型，水溶造孔、真空液相烧结等操作步骤最终制得。

近球状尿素颗粒粒径为400~600微米，其所占整体工作层质量百分比为15%，最终通过阿基米德排水法测得实际孔隙率为50%。

选用Cu-Sn-Ti活性胎体合金4质量百分比为60%（其中，Ti含量为10%，Cu、Sn合金含量为90%，比例为4:1），粒径为20~30微米。

砂轮芯轴5采用硬质合金材料，芯轴端部通过滚花处理，增大芯轴与磨料层的结合强度；

二硫化钼颗粒3粒径大小约为30微米，质量百分比为5%；

金刚石磨粒2粒径为355~425微米，质量百分比为20%（磨料浓度约为100%）。

制备方法是：

（1）、将二硫化钼和Cu-Sn-Ti复合钎料混合均匀，并滴入1ml、浓度为5wt.%缩丁醛胶体溶液，充分搅拌后置入恒温鼓风箱在60℃温度下烘烤30分钟，将混合物进行充分球磨、过筛，制得二硫化钼复合结合剂；

（2）、将二硫化钼复合结合剂与尿素颗粒和金刚石磨粒通过机械搅拌方式混合均匀，将芯轴装入冷压模具，然后将混好的复合结合剂装入模具，并通过200MPa单侧轴向加压方式将上述均匀混合物制成金刚石砂轮毛坯；

（3）、将制得的砂轮毛坯通过水溶法去除造孔剂尿素，制得多孔砂轮毛坯；

（4）、将多孔砂轮毛坯置于80℃恒温箱1小时烘干，然后置于真空钎焊炉内升温至880℃进行真空液相烧结，升降温曲线均为10℃每分钟；然后随炉冷却至室温出炉，制得多孔金刚石砂轮。

图1所示为发明实施例1制备的金刚石砂轮工作层磨粒及气孔排布示意图，由尿素颗粒制备的孔隙率可达50%，并且气孔形状呈近球状；通过三点弯曲试验测得其抗弯强度超过80MPa，满足了砂轮工作层高气孔率及高强度要求。此外，工作层节块弯曲试验断裂过程中，断面未发现磨粒脱落现象，证明结合剂层对磨粒提供了高把持力的同时，保持了磨粒的锋利切削刃和超强耐磨性。

实施例1-4所采用的不同于实施例1的工艺参数如表1所示，其余未列举内容同实施例1：

表1

在二硫化钼添加量为5wt.%，金刚石磨粒质量分数为20wt.%的情况下，添加尿素颗粒制备孔隙率50vol.%的节块试样，试验研究尿素颗粒对节块弯曲强度及开放孔隙率的影响规律。结果显示，孔隙率保持不变的情况下，二硫化钼颗粒含量越高，节块强度越低，二硫化钼颗粒含量从5wt.%升至20wt.%，节块强度从93.2MPa降至63.7MPa。

当尿素颗粒固定在20%时，考察二硫化钼颗粒质量分数对性能的影响，发现开放孔隙率随二硫化钼颗粒质量分数的增加基本保持不变。

二硫化钼颗粒在节块中充当骨架相作用，且当二硫化钼添加量低于5wt.%时，节块无法保持钎焊前形状，出现坍塌，高于5%时，则节块试样弯曲强度幅度降低，提升砂轮自润滑性能，但耐磨损性能下降。

Claims

1.一种基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮，其特征在于，其原料组分以及质量百分比含量为：20%的金刚石磨粒、5~20%的二硫化钼颗粒、15%的尿素颗粒、45%~60%的Cu-Sn-Ti复合钎料。

2.权利要求1所述的基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮，其特征在于二硫化钼颗粒的质量百分比含量5%。

3.权利要求1所述的基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮，其特征在于：Cu-Sn-Ti复合钎料的原料各组分的质量百分比含量为：10%Ti，72%Cu，18%Sn。

4.权利要求1所述的基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮，其特征在于：

所述的金刚石磨粒粒径为355~425微米；

二硫化钼颗粒粒径30微米左右；

尿素颗粒为近球状，直径为400~600微米；

Cu-Sn-Ti复合钎料颗粒的粒径为20~30微米。

5.权利要求1所述的基于二硫化钼和开放孔隙的金属复合结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤（1）、将二硫化钼颗粒和Cu-Sn-Ti复合钎料混合均匀，滴入缩丁醛胶体溶液，混合均匀后干燥、球磨、过筛，制得二硫化钼复合结合剂；

步骤（2）、将金刚石磨粒和造孔剂尿素颗粒加入到二硫化钼复合结合剂中，混合均匀，将芯轴装入冷压模具，然后将混好的复合结合剂装入模具，并通过单向挤压制成砂轮毛坯；

步骤（3）、将制得的砂轮毛坯通过水溶法去除造孔剂尿素，制得多孔砂轮毛坯；

步骤（4）、将多孔砂轮毛坯烘干，然后置于真空钎焊炉内升温至880℃进行真空液相烧结，升降温曲线均为10℃/分钟；然后随炉冷却至室温出炉，制得多孔金刚石砂轮。