CN111975663B - 一种珩磨加工tb6钛合金材料用的油石及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种珩磨加工TB6钛合金材料用的油石及其制备方法和应用，其原料包括磨料和结合剂，以质量百分含量计，结合剂的原料包括：铜45‑55%、锡25‑35%、锑7‑13%、铁5‑12%和石墨1‑5%；磨料由投料质量比为1.5‑3.0∶1的金刚石和绿碳化硅构成；油石中，以体积百分含量计，磨料占72‑78%，结合剂占22‑28%；制备：按配方称取各原料，将结合剂中的各成分混合，再与采用润湿剂润湿的磨料进行混合，烧结，制成；及上述油石在珩磨加工TB6钛合金材料中的应用；本发明油石用于珩磨加工TB6钛合金时在具有良好自锐性的同时还保持较强的强度，油石磨削锋利，耐磨性强且磨削的工件具有较佳的表面精度。

Description

一种珩磨加工TB6钛合金材料用的油石及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于钛合金珩磨加工领域，尤其涉及TB6钛合金材料的珩磨加工，具体涉及一种珩磨加工TB6钛合金材料用的油石及其制备方法和应用。

背景技术

珩磨加工是内孔精加工的一种有效方法，它不仅能去除较大的加工余量，还能够提高被加工内孔的尺寸和几何形状以及降低内孔表面粗糙度值。珩磨技术因具有加工精度高、材料去除率大等优势，先被广泛地应用于精密孔的加工。但对于钛合金等高比强度的一类难加工材料而言，因其具有一定的材料特性，使得它在拥有优异力学性能的同时，又给其磨削加工带来了一些问题。

钛合金材料尤其是常用的TB6钛合金材料因为具有比强度高、高温强度高、热导率低、弹性模量较低等材料特性，在钛合金珩磨加工过程中存在加工硬化趋势严重，珩磨加工力大，磨削温度高，油石损耗快，油石与磨屑黏附严重等问题。同时，因为油石与磨屑发生严重黏附，堵塞油石进一步降低了油石的切削能力，还会造成工件内孔划伤，降低了加工精度及已加工表面的完整性，降低了珩磨工艺对底孔的尺寸和形状误差的纠正能力。

其中：

①表面硬化。由于钛合金的化学活性较强，在高温作用下易于和Al、C、O、N等元素形成多种化合物，使钛合金表面发生相变并产生表面硬化；

②磨削力大、磨削温度高。主要原因是因为由于钛合金的弹性模量小、导热性差，磨削时消耗于塑性变形的能量大，从而磨削力大、磨削温度高。

③油石磨损严重。磨削温度高促进了材料的活性，进一步加强了磨粒的磨损，加上钛屑在油石上的严重黏附，降低了油石的切削性能，相应的加大了油石的磨损。现常用的用于磨削钛合金的油石，多具有较强的自锐性，这固然能够减少黏附，但这同时也造成了油石强度下降严重，导致油石耐磨性差。

④油石黏附严重。珩磨钛合金时油石表面会黏附呈云雾状的钛屑且黏附力较强，在磨削力的作用下会造成黏附物脱落，导致磨粒的破碎与脱落，使油石磨损严重，磨削比下降。同时黏附物会对内孔表面造成划伤，降低加工表面质量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种改进的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石，该油石在具有良好的自锐性同时，还保持较强的强度，油石磨削锋利，耐磨性较强且磨削的工件能够获得良好的表面精度。

本发明同时还提供了一种制备上述珩磨加工TB6钛合金材料用的油石的方法。

本发明同时还提供了一种上述珩磨加工TB6钛合金材料用的油石在TB6钛合金材料珩磨加工中的应用。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种珩磨加工TB6钛合金材料用的油石，所述油石的原料包括磨料和结合剂，所述结合剂的原料包括铜、锡，其中，所述结合剂还包括锑、铁和石墨；以质量百分含量计，所述结合剂中，铜45-55％、锡25-35％、锑7-13％、铁5-12％和石墨1-5％；

所述磨料由金刚石和绿碳化硅构成，且所述金刚石与所述绿碳化硅的投料质量比为1.5-3.0∶1；

所述油石中，以体积百分含量计，所述磨料占72-78％，所述结合剂占22-28％。

根据本发明的一些优选方面，以质量百分含量计，所述结合剂中，铜48-54％、锡26-33％、锑8-12％、铁5-10％和石墨2-4％。

根据本发明的一些优选方面，所述结合剂中，所述铜、所述锡、所述锑、所述铁和所述石墨的投料质量比为12.0-26.0∶7.0-16.0∶2.0-6.0∶1.5-4.0∶1。

根据本发明的一些优选方面，所述结合剂中，所述铜、所述锡、所述锑、所述铁和所述石墨的投料质量比为13.0-24.0∶7.0-16.0∶2.0-6.0∶2.0-3.0∶1。

本发明中，铁为还原铁粉，具有多孔海绵形貌。

根据本发明的一些优选方面，所述金刚石与所述绿碳化硅的投料质量比为1.8-2.5∶1。

根据本发明的一些优选方面，所述金刚石的平均粒径大于所述绿碳化硅的平均粒径。

根据本发明的一些优选且具体的方面，所述金刚石的平均粒径为8-10μm，所述绿碳化硅的平均粒径为5-7μm。

本发明中，所述结合剂中采用的铜、锡、锑、铁和石墨均可以商购获得，粒度优选300目以细。

根据本发明的一些优选方面，所述油石通过将所述原料混合烧结、冷却而制成；其中，所述烧结的工艺为分阶段升温烧结，具体包括：从室温升温至第一温度，升温时间为4-6min；

在第一温度下保温2-4min；

从第一温度升至第二温度，升温时间为1-3min；

从第二温度升温至第三温度，升温时间为0.5-1.5min；

第三温度下保温5-8min；

所述第一温度为475～485℃，所述第二温度为575-585℃，所述第三温度为655-665℃。

本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石的制备方法，所述制备方法包括：按配方称取各原料，先将所述结合剂中的各成分混合，然后与采用润湿剂润湿的磨料进行混合，过筛，将过筛后的混合料(即筛除团聚颗粒后剩余的物料)装入模具中，预压，烧结，冷却，制成所述珩磨加工TB6钛合金材料用的油石；

其中，所述烧结工艺为：

从室温升温至第一温度，升温时间为4-6min；

在第一温度下保温2-4min；

从第一温度升至第二温度，升温时间为1-3min；

从第二温度升温至第三温度，升温时间为0.5-1.5min；

第三温度下保温5-8min；

所述第一温度为475～485℃，所述第二温度为575-585℃，所述第三温度为655-665℃；

所述冷却工艺为：从第三温度降温至415-425℃，降温时间为4-6min，然后自然冷却至室温。

本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石在珩磨加工TB6钛合金材料中的应用。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明创新地在锡青铜基础上同时添加锑、铁和石墨，并控制各成分的含量，制成了一种特定的结合剂，该结合剂结合复配的特定磨料，实现了油石在保持良好自锐性的前提下，还能够具有较佳的强度，油石磨削锋利，耐磨性较强且磨削的工件能够获得良好的表面精度，克服了以往油石珩磨TB6钛合金材料时出现的加工硬化趋势严重、油石黏附严重、油石磨损严重、磨削效率低、工件表面完整性差等问题。

具体实施方式

目前，钛合金材料尤其是常见的TB6钛合金材料因为具有比强度高、高温强度高、热导率低、弹性模量较低等材料特性，在TB6钛合金珩磨加工过程中存在加工硬化趋势严重，珩磨加工力大，磨削温度高，油石损耗快，油石与磨屑黏附严重等问题。同时，因为油石与磨屑发生严重黏附，堵塞油石进一步降低了油石的切削能力，还会造成工件内孔划伤，降低了加工精度及已加工表面的完整性，降低了珩磨工艺对底孔的尺寸和形状误差的纠正能力。

在长期实践中，本申请发明人提出了一种特定的结合剂，同时混合复配的特定磨料制成了一种加工TB6钛合金材料时具有磨削效率高、自锐性好，耐磨性良好，加工精度高等优点的珩磨油石。具体地，本申请提出的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石，其原料包括磨料和结合剂，所述结合剂的原料包括铜、锡，其中，所述结合剂还包括锑、铁和石墨；以质量百分含量计，所述结合剂中，铜45-55％、锡25-35％、锑7-13％、铁5-12％和石墨1-5％；所述磨料由金刚石和绿碳化硅构成，且所述金刚石与所述绿碳化硅的投料质量比为1.5-3.0∶1；所述油石中，以体积百分含量计，所述磨料占72-78％，所述结合剂占22-28％。

其中，选用铜、锡结合的锡青铜，其不仅强度高、硬度高、脆性也高，且锡青铜易生成分散性缩孔，另外锡青铜的收缩率小，烧结制作细长条状油石时变形相对较少。而本申请创新地限定了结合剂中，铜45-55％、锡25-35％，实践证明，此配方含量烧结过程中，存在大量的ε相和η相，这两者都是极硬脆物质，能够保证结合剂具有良好的自锐性，避免油石出现堵塞，更能够大大改善珩磨TB6钛合金时出现的黏附问题。

同时，添加锑、铁和石墨的组合能够实现：第一、能够起到在烧结时改善结合剂液相的流动性，保证结合剂成分均匀的分布在油石中的作用，同时，其还能够调节结合剂的脆性，起到增强油石的韧性，在保证油石自锐性能良好的情况下，提高油石强度，增强油石耐磨性提高油石的使用寿命；第二、可起到吸收高温液相的作用，保证锡含量较高的结合剂不会存在高温大量流失，同时还能够实现超硬材料和结合剂之间的焊接性粘接，提高结合剂对磨料的把持力，从而保证磨料能够充分利用，不会应为油石具有良好的自锐性，过早脱落，造成磨料非磨损性损耗；第三、能够降低金属粉末之间的摩擦阻力，改善粉末的压制性能；在磨削加工时更够起到润滑磨削面，降低磨削力，改善磨削效果，同时其中的石墨以分散的游离状态存在于结合剂中，使结合剂磨削面上形成微小孔隙，从而有助于磨削时的冷却和排屑。

在本申请的优选实施方式中，绿碳化硅的磨粒粒度比金刚石磨粒粒度小一号，其中金刚石为超硬磨料，硬度极高，导热性能好，磨削性能优异，耐磨性强，不仅能够提高生产效率还能够有效的提高工件的磨削质量；绿碳化硅为普通磨料，硬度高，脆性大，磨粒锋利，导热性能好，耐磨性较强，起辅助磨削作用，绿碳化硅的添加能够部分代替超硬磨料，降低生产成本，并且因其脆性大可以在一定程度上提高油石的自锐性。

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明；应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制；实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

下述实施例中未作特殊说明，所有原料均来自于商购或通过本领域的常规方法制备而得。

下述中，金刚石为购自元素六金刚石有限公司，型号MG620，平均粒径为W10(即10μm)；绿碳化硅为购自白鸽磨料磨具有限公司，型号GC#1500，平均粒径为W7(即7μm)；铜购自上海九佳粉体材料有限公司，纯度大于等于99.5％，粒度300目；锡购自上海九佳粉体材料有限公司，纯度大于等于99.5％，粒度300目；锑购自天津高科新材料有限公司，纯度大于等于99.9％，粒度300目；铁购自无锡市赛瑞金属粉末制造有限公司，纯度大于等于98.5％，粒度300目；石墨购自青岛东凯石墨有限公司，纯度大于等于99.9％，粒度300目。

实施例1

本例提供一种珩磨加工TB6钛合金材料用的油石，其原料包括磨料和结合剂，以体积百分含量计，所述磨料占75％，所述结合剂占25％。其中，所述磨料由金刚石和绿碳化硅构成，且所述金刚石与所述绿碳化硅的投料质量比为7∶3；所述结合剂的原料包括铜、锡、锑、铁和石墨；以质量百分含量计，所述结合剂中，铜50％、锡30％、锑10％、铁7％和石墨3％。

其制备方法包括：

(1)配方计算各组分用量

根据结合剂的配方计算得出结合剂的理论成型密度；

按所需烧结的油石尺寸，计算得出油石的体积，根据磨料占75％的体积占比计算得出磨料所需用的用量，再根据磨料中金刚石和绿碳化硅质量比7:3，分别计算出金刚石和绿碳化硅的用量。

结合所需烧结油石的体积与磨料75％的体积占比，计算得出结合剂所需的用量(结合剂占25％体积占比)，根据结合剂配方分别计算出各成分所需的用量(具体是油石体积的25％乘以结合剂的理论成型密度获得结合剂所用总质量，再根据配方百分比计算出各个成分具体的含量)；

(2)按配方称取各原料，先将所述结合剂中的各成分混合，然后与采用润湿剂润湿的磨料进行混合(润湿剂添加量为磨料重量的约2.8％，润湿剂可在烧结过程中挥发掉)，过筛，将过筛后的混合料装入模具中，预压，烧结，冷却，卸模，制成所述珩磨加工TB6钛合金材料用的油石；

其中，所述烧结工艺为：

从室温升温至480℃，升温时间为5min；

在480℃下保温3min；

从480℃升至580℃，升温时间为2min；

从580℃升温至660℃，升温时间为1min；

在660℃下保温7min；

所述冷却工艺为：从660℃降温至420℃，降温时间为5min，然后自然冷却至室温。

实施例2

基本同实施例1，其区别仅在于：

以质量百分含量计，所述结合剂中，铜48％、锡32％、锑12％、铁6％和石墨2％，制备方法中配方计算各组分用量的过程适应性调整。

实施例3

基本同实施例1，其区别仅在于：

以质量百分含量计，所述结合剂中，铜52％、锡28％、锑8％、铁8％和石墨4％，制备方法中配方计算各组分用量的过程适应性调整。

实施例4

基本同实施例1，其区别仅在于：

所述磨料由金刚石和绿碳化硅构成，且所述金刚石与所述绿碳化硅的投料质量比为6.5∶3.5，制备方法中配方计算各组分用量的过程适应性调整。

实施例5

基本同实施例1，其区别仅在于：

以体积百分含量计，所述磨料占72％，所述结合剂占28％，制备方法中配方计算各组分用量的过程适应性调整。

实施例6

基本同实施例1，其区别仅在于：

以体积百分含量计，所述磨料占78％，所述结合剂占22％，制备方法中配方计算各组分用量的过程适应性调整。

对比例1

Sunnen(善能)的珩磨油石，牌号005，磨料种类：GC(绿碳化硅)。

对比例2

Sunnen(善能)的珩磨油石，牌号005，磨料种类：DM(金刚石)。

对比例3

Nissin(日进)的珩磨油石，牌号005，磨料种类：GC(绿碳化硅)。

对比例4

Nissin(日进)的珩磨油石，牌号005，磨料种类：DM(金刚石)。

对比例5

基本同实施例1，其区别仅在于：不加锑，相应调整铜的含量。

对比例6

基本同实施例1，其区别仅在于：不加铁，相应调整铜的含量。

对比例7

基本同实施例1，其区别仅在于：不加石墨，相应调整铜的含量。

对比例8

基本同实施例1，其区别仅在于：不加绿碳化硅，相应调整金刚石的含量。

珩磨对比试验

本发明中的珩磨对比试验是在立式珩磨机(型号MB4250，苏州信能精密机械有限公司)上进行的，珩磨工件：材料相同、内径尺寸相同的钛合金工件，珩摩过程中珩磨进给量相同(具体是800μm)。针对的钛合金材料为TB6钛合金。

将上述实施例1-6以及对比例1-8所得的珩磨油石分别按照前述条件用于珩磨加工TB6钛合金，测得数据如下表1所示：

表1

少有：一次珩磨中珩磨压力最大值突然增大次数少于2次；

时有：一次珩磨中珩磨压力最大值突然增大次数2-5次；

常有：一次珩磨中珩磨压力最大值突然增大次数大于5次。

不粘：油石表面粘附面积少于5％；

微粘：油石表面粘附面积5％-30％。

其中珩磨压力为珩磨时机床压力传感器记录的平均数据，珩磨压力在一定程度上体现了油石的自锐情况、黏判情况及工件的加工硬化情况。

在珩磨过程中珩磨压力突然增大说明在珩磨过程中出现了珩磨油石堵塞，这与实际观察到的油石表面粘附情况相符合。

绿碳化硅油石在珩磨加工TB6钛合金材料时之所以不易出现粘附现象，这是因为绿碳化硅油石韧性低、脆性大，珩磨中常出现磨料非正常性磨损破裂，从而露出底层磨料，实际上其自锐性能较低。绿碳化硅油石使用寿命低，除磨料本身性能外，磨料的非正常性磨损也是导致其寿命低的主要原因之一。另外非正常磨损脱落的磨料还易在珩磨过程中划伤工件表面，破坏工件内孔的表面精度。

为了确定油石的实际耐磨性能，我们对每种油石进行了大量的单次珩磨实验，(称取记录珩磨前的工件质量和油石质量，一次珩磨后，用超声波清洗工件和油石再称取记录各自的质量)，选择多次记录数据(本例中每个实施例或对比例均测试100次)，计算得出了各种油石在磨耗TB6钛合金材料时的磨削比(工件损失质量/油石损失质量)，具体如表2所示。

表2

序号	磨削比(均值)	备注
			对比例1	1.68	易崩边
对比例2	24.72	/
			对比例3	1.53	易崩边
对比例4	25.40	/
			对比例5	18.66	/
对比例6	14.73	易崩边
			对比例7	21.27	/
对比例8	24.58	/
			实施例1	22.03	/
实施例2	23.33	/
			实施例3	23.91	/
实施例4	20.87	/
			实施例5	21.19	/
实施例6	23.44	/

虽然本发明的实施例1-6的珩磨油石在耐磨性能上略差对比例2、对比例4和对比例8的油石，但因特定结合剂具有良好的脆性及一定的强度并且添加了一定量的辅助磨料—绿碳化硅，保证了本发明油石的自锐性能强于对比例2、对比例4和对比例8，在珩磨过程中油石表面不易发生粘附现象，油石不易堵塞，能够获得良好的内孔表面加工精度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

Claims (9)

1.一种珩磨加工TB6钛合金材料用的油石，所述油石的原料包括磨料和结合剂，其特征在于，所述结合剂的原料由铜、锡、锑、铁和石墨构成；以质量百分含量计，所述结合剂中，铜45-55%、锡25-35%、锑7-13%、铁5-12%和石墨1-5%；

所述磨料由金刚石和绿碳化硅构成，且所述金刚石与所述绿碳化硅的投料质量比为1.5-3.0∶1，所述金刚石的平均粒径大于所述绿碳化硅的平均粒径；

所述油石中，以体积百分含量计，所述磨料占72-78%，所述结合剂占22-28%。

2.根据权利要求1所述的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石，其特征在于，以质量百分含量计，所述结合剂中，铜48-54%、锡26-33%、锑8-12%、铁5-10%和石墨2-4%。

3.根据权利要求1所述的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石，其特征在于，所述结合剂中，所述铜、所述锡、所述锑、所述铁和所述石墨的投料质量比为12.0-26.0∶7.0-16.0∶2.0-6.0∶1.5-4.0∶1。

4.根据权利要求3所述的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石，其特征在于，所述结合剂中，所述铜、所述锡、所述锑、所述铁和所述石墨的投料质量比为13.0-24.0∶7.0-16.0∶2.0-6.0∶2.0-3.0∶1。

5.根据权利要求1所述的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石，其特征在于，所述金刚石与所述绿碳化硅的投料质量比为1.8-2.5∶1。

6.根据权利要求1所述的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石，其特征在于，所述金刚石的平均粒径为8-10μm，所述绿碳化硅的平均粒径为5-7μm。

7.根据权利要求1所述的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石，其特征在于，所述油石通过将所述原料混合烧结、冷却而制成；其中，所述烧结的工艺为分阶段升温烧结，具体包括：从室温升温至第一温度，升温时间为4-6min；

在第一温度下保温2-4min；

从第一温度升至第二温度，升温时间为1-3min；

从第二温度升温至第三温度，升温时间为0.5-1.5min；

第三温度下保温5-8min；

所述第一温度为475~485℃，所述第二温度为575-585℃，所述第三温度为655-665℃。

8.一种权利要求1-7中任一项所述的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：按配方称取各原料，先将所述结合剂中的各成分混合，然后与采用润湿剂润湿的磨料进行混合，过筛，将过筛后的混合料装入模具中，预压，烧结，冷却，制成所述珩磨加工TB6钛合金材料用的油石；

其中，所述烧结工艺为：

从室温升温至第一温度，升温时间为4-6min；

在第一温度下保温2-4min；

从第一温度升至第二温度，升温时间为1-3min；

从第二温度升温至第三温度，升温时间为0.5-1.5min；

第三温度下保温5-8min；

所述第一温度为475~485℃，所述第二温度为575-585℃，所述第三温度为655-665℃；

所述冷却工艺为：从第三温度降温至415-425℃，降温时间为4-6min，然后自然冷却至室温。

9.一种权利要求1-7中任一项所述的珩磨加工TB6钛合金材料用的油石在珩磨加工TB6钛合金材料中的应用。