CN114227558A - 超声波辅助摩擦烧结立方氮化硼砂轮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波辅助摩擦烧结立方氮化硼砂轮的方法，包括以下步骤：选择钢基体并采用机械加工的方法制备砂轮基体，对砂轮基体除油除锈；混合粉末制作：将Al、Ti、Ni金属粉末按一定重量比例进行混合制成混合粉末；将混合粉末与立方氮化硼磨粒混合，压制立方氮化硼节块毛坯；在保护气氛中，采用超声波辅助烧结压制的立方氮化硼节块毛坯，冷却后即为立方氮化硼节块；按立方氮化硼砂轮金属基体/钎料浆液/立方氮化硼节块的顺序制作工具成型毛坯；采用真空加热的方式钎焊成型毛坯，制作立方氮化硼砂轮。采用该方法制作的立方氮化硼砂轮具有立方氮化硼磨粒分布均匀，磨粒把持强度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于磨料磨具技术领域，更具体涉及立方氮化硼节块烧结的制造方法。
背景技术
随着科技的发展，强韧类难加工材料如不锈钢、钛合金、高温合金以及金属间化合物等的应用越来越广泛，加工制造精度的要求也越来越高，对磨削加工、磨具提出了更高的要求。磨料磨具素有工业牙齿之称，磨削加工是机械加工方法中精度较高的一种，当今先进制造业对磨削加工依赖度越来越高，促使砂轮行业快速发展，产品品种、质量不断提高，市场需求量大幅增加。
立方氮化硼(CBN)磨粒尺寸较小，大多为30～300μm，其具有高的硬度和良好的化学稳定性，它不与铁族金属及其合金发生亲和作用，特别适合于加工强韧类金属材料，但通常需要结合剂将其固结成型才能起切削作用。磨削加工多采用电镀和烧结的CBN超硬磨料砂轮。传统的电镀或烧结CBN砂轮中CBN磨粒仅仅是通过结合层金属的机械包埋镶嵌作用与工具基体相互连接，结合力较低，使得重负荷工作环境下由于磨粒极易从结合层脱落导致砂轮过早失效。钎焊技术开发的超硬材料磨料砂轮，期望通过钎料与磨粒及基体在高温下的化学冶金反应使三者之间形成牢固的化学冶金结合，能够一定程度上满足磨削加工要求，但目前钎焊技术只适于制造单层磨粒的砂轮，其使用寿命受到很大的限制。金属结合剂的烧结多层立方氮化硼工艺，其结合强度低的原因是立方氮化硼在烧结时未能与胎体形成化学冶金结合，这与立方氮化硼非常稳定有关，使得一般金属很难润湿或发生界面反应，即使添加如Ti、Zr等活性元素，却因金属粉、烧结炉中含有少量的O2、N2等很容易使Ti等氧化，活性元素Ti失去活性而起不到应有的作用。采用含有活性元素的合金作为结合剂，在烧结时进行超声波辅助烧结能够实现立方氮化硼的均匀混合和化学冶金结合，超声波是通过机械的方式使立方氮化硼与活性元素Ti进行在温度较低时接触，能够避免高温的氧化，再通过钎焊的方法将节块固定于砂轮的钢基体上，即成为金属结合剂立方氮化硼砂轮。
发明内容
本发明所要解决的问题是提高立方氮化硼的界面反应，最终提高结合剂对立方氮化硼磨粒的把持强度。
本发明采用含活性元素Al、Ti等通过超声波使立方氮化硼在低温时发生摩擦将立方氮化硼表面吸附的气体等杂质清理干净。同时活性元素Ti、Al与立方氮化硼发生原子级接触并发生界面反应。另外，由于Al、Ti、Ni之间也开始在原子尺度接触并发生放热反应，实现烧结。由于低温时Al、Ti、Ni首先将立方氮化硼摩擦清理表面，因此后续的界面反应提高了连接强度，可避免活性元素因高温发生的氧化反应。另外，在后续的节块与钢基体的钎焊过程中，一方面连接节块与钢基体，另一方面由于较高的钎焊温度，进一步提高了立方氮化硼磨粒的把持强度。采用此工艺制作的砂轮由于立方氮化硼高的把持强度，能够提高了加工精度和砂轮的使用寿命。
本发明采用超声波辅助摩擦烧结立方氮化硼砂轮的方法，包括下述工艺步骤：
步骤一、选择45钢或65Mn钢的钢基体并采用机械加工的方法制备砂轮基体，对砂轮基体除油除锈。
步骤二、制作混合粉末：Al、Ti、Ni金属粉末按1～1.1:1.2～1.3:1.2～1.5的比例进行混合制成混合粉末，其中Al、Ti、Ni的纯度为99.5～100％，其粉末粒径为15-80μm。
步骤三、将混合粉末与立方氮化硼磨粒混合，压制立方氮化硼节块毛坯，其中立方氮化硼粒度为120～450微米，立方氮化硼磨粒含量为0.3～1.1g/cm3。
步骤四、在Ar气的保护气氛中，采用超声波辅助烧结压制的立方氮化硼节块毛坯，冷却后即为立方氮化硼节块，具体过程是先将压制立方氮化硼节块毛坯放置在上模具与下模具之间，接着通过上模具施加7MPa～12MPa的压力作用于立方氮化硼节块毛坯，然后上模具连接超声波换能器，超声波发生器输出20kHz频率的超声波至超声波换能器，其中超声波发生器功率在0.2～2kW，超声波换能器工作频率为20～100kHz，振幅为1-30μm。
步骤五、按立方氮化硼砂轮金属基体/钎料浆液/立方氮化硼节块的顺序制作工具成型毛坯，其中钎料浆液为重量百分比95～98％NiCuSn合金，其余为压敏胶。其中NiCuSn合金中Cu重量含量为36～45％，Sn重量含量为11～25％，其余为Ni。
步骤六、采用真空加热的方式钎焊成型毛坯，制作立方氮化硼砂轮，其中真空加热的方式是在真空炉加热至钎料熔化，真空度保持在1×10-3Pa，钎焊温度890～950℃，保持1～5分；冷却后立方氮化硼节块钎焊固定于砂轮基体表面即为成品。
本发明的有益效果：
(1)采用含活性元素Al、Ti等通过超声波使立方氮化硼在低温时发生摩擦，能够将立方氮化硼表面吸附的气体等杂质清理干净，低温摩擦能够避免高温活性元素Ti、Al被氧化失去活性，因此活性元素Ti、Al能够与立方氮化硼充分接触并发生界面反应。
(2)随着摩擦的进一步发生，在Al、Ti、Ni之间也开始在原子尺度接触并发生Al、Ti以及Ti、Ni之间的放热反应并实现烧结。由于低温时Al、Ti、Ni首先将立方氮化硼摩擦清理表面，因此后续的放热反应提高了连接强度。
(3)在钎焊节块与钢基体的过程中，一方面连接节块与钢基体，另一方面由于较高的钎焊温度，进一步提高了立方氮化硼磨粒的把持强度。
具体实施方式
实施例1：
步骤一、选择45钢或65Mn钢的钢基体并采用机械加工的方法制备砂轮基体，对砂轮基体除油除锈。
步骤二、制作混合粉末：Al、Ti、Ni金属粉末按1:1.2:1.2的比例进行混合制成混合粉末，其中Al、Ti、Ni的纯度为99.5～100％，其粉末粒径为15-80μm。
步骤三、将混合粉末与立方氮化硼磨粒混合，压制立方氮化硼节块毛坯，其中立方氮化硼粒度为120～350微米，立方氮化硼磨粒含量为0.3g/cm3。
步骤四、在Ar气的保护气氛中，采用超声波辅助烧结压制的立方氮化硼节块毛坯，冷却后即为立方氮化硼节块，具体过程是先将压制立方氮化硼节块毛坯放置在上模具与下模具之间，接着通过上模具施加7MPa的压力作用于立方氮化硼节块毛坯，然后上模具连接超声波换能器，超声波发生器输出20kHz频率的超声波至超声波换能器，其中超声波发生器功率在0.2kW，超声波换能器工作频率为20kHz，振幅为30μm。
步骤五、按立方氮化硼砂轮金属基体/钎料浆液/立方氮化硼节块的顺序制作工具成型毛坯，其中钎料浆液为重量百分比95％NiCuSn合金，其余为压敏胶。其中NiCuSn合金中Cu重量含量为36％，Sn重量含量为11％，其余为Ni。
步骤六、采用真空加热的方式钎焊成型毛坯，制作立方氮化硼砂轮，其中真空加热的方式是在真空炉加热至钎料熔化，真空度保持在1×10-3Pa，钎焊温度890℃，保持1分；冷却后立方氮化硼节块钎焊固定于砂轮基体表面即为成品。
经实验表明，在采用Al、Ti、Ni超声波辅助烧结立方氮化硼过程中，由于是在氩气保护的低温状态，摩擦能够将立方氮化硼表面吸附的杂质等清除干净，在摩擦过程中由于Ti、Al原子与立方氮化硼表面充分接触，在立方氮化硼表面形成了化合物，同时由于Al、Ti、Ni之间发生放热反应，进一步促进了界面反应。在节块与钢基体钎焊过程中，NiCuSn钎料能够很好润湿节块，实现牢固的连接。
实施例2：
步骤一、选择45钢或65Mn钢的钢基体并采用机械加工的方法制备砂轮基体，对砂轮基体除油除锈。
步骤二、制作混合粉末：Al、Ti、Ni金属粉末按1.1：1.3：1.5的比例进行混合制成混合粉末，其中Al、Ti、Ni的纯度为99.5～100％，其粉末粒径为15-80μm。
步骤三、将混合粉末与立方氮化硼磨粒混合，压制立方氮化硼节块毛坯，其中立方氮化硼粒度为200～450微米，立方氮化硼磨粒含量为1.1g/cm3。
步骤四、在Ar气的保护气氛中，采用超声波辅助烧结压制的立方氮化硼节块毛坯，冷却后即为立方氮化硼节块，具体过程是先将压制立方氮化硼节块毛坯放置在上模具与下模具之间，接着通过上模具施加12MPa的压力作用于立方氮化硼节块毛坯，然后上模具连接超声波换能器，超声波发生器输出20kHz频率的超声波至超声波换能器，其中超声波发生器功率在2kW，超声波换能器工作频率为100kHz，振幅为1μm。
步骤五、按立方氮化硼砂轮金属基体/钎料浆液/立方氮化硼节块的顺序制作工具成型毛坯，其中钎料浆液为重量百分比98％NiCuSn合金，其余为压敏胶。其中NiCuSn合金中Cu重量含量为45％，Sn重量含量为25％，其余为Ni。
步骤六、采用真空加热的方式钎焊成型毛坯，制作立方氮化硼砂轮，其中真空加热的方式是在真空炉加热至钎料熔化，真空度保持在1×10-3Pa，钎焊温度950℃，保持5分；冷却后立方氮化硼节块钎焊固定于砂轮基体表面即为成品。
经实验表明，在氩气保护的低温状态，采用Al、Ti、Ni超声波辅助烧结立方氮化硼过程中，摩擦能够将立方氮化硼表面吸附的杂质等清除干净，在摩擦过程中由于Ti、Al原子与立方氮化硼表面充分接触并在立方氮化硼表面形成了化合物，同时由于Al、Ti、Ni之间发生放热反应，进一步促进了界面反应。在节块与钢基体钎焊过程中，由于钎焊温度高达950℃，NiCuSn钎料能够很好润湿节块，实现牢固的连接，经磨削表明，由于立方氮化硼表面形成的化合物，金属基对立方氮化硼磨粒具有较高的把持力，在磨削强韧金属材料时立方氮化硼磨粒极少出现脱落。
实施例3：
步骤一、选择45钢或65Mn钢的钢基体并采用机械加工的方法制备砂轮基体，对砂轮基体除油除锈。
步骤二、制作混合粉末：Al、Ti、Ni金属粉末按1:1.3:1.2的比例进行混合制成混合粉末，其中Al、Ti、Ni的纯度为99.5～100％，其粉末粒径为15-80μm。
步骤三、将混合粉末与立方氮化硼磨粒混合，压制立方氮化硼节块毛坯，其中立方氮化硼粒度为200～350微米，立方氮化硼磨粒含量为0.8g/cm3。
步骤四、在Ar气的保护气氛中，采用超声波辅助烧结压制的立方氮化硼节块毛坯，冷却后即为立方氮化硼节块，具体过程是先将压制立方氮化硼节块毛坯放置在上模具与下模具之间，接着通过上模具施加9MPa的压力作用于立方氮化硼节块毛坯，然后上模具连接超声波换能器，超声波发生器输出20kHz频率的超声波至超声波换能器，其中超声波发生器功率在1kW，超声波换能器工作频率为60kHz，振幅为15μm。
步骤五、按立方氮化硼砂轮金属基体/钎料浆液/立方氮化硼节块的顺序制作工具成型毛坯，其中钎料浆液为重量百分比97％NiCuSn合金，其余为压敏胶。其中NiCuSn合金中Cu重量含量为40％，Sn重量含量为20％，其余为Ni。
步骤六、采用真空加热的方式钎焊成型毛坯，制作立方氮化硼砂轮，其中真空加热的方式是在真空炉加热至钎料熔化，真空度保持在1×10-3Pa，钎焊温度920℃，保持3分；冷却后立方氮化硼节块钎焊固定于砂轮基体表面即为成品。
经实验表明，在采用Al、Ti、Ni超声波辅助烧结立方氮化硼过程中，在氩气保护的低温状态，摩擦能够将立方氮化硼表面吸附的杂质等清除干净，在摩擦过程中由于Ti、Al原子与立方氮化硼表面充分接触，在立方氮化硼表面形成了化合物TiN、TiB2、AlN等，同时由于Al、Ti、Ni之间发生放热反应，进一步促进了界面反应。经磨削表明，由于立方氮化硼表面形成的化合物，金属基对立方氮化硼磨粒具有较高的把持力，在磨削强韧金属材料时立方氮化硼磨粒极少出现脱落。
实施例4：
步骤一、选择45钢或65Mn钢的钢基体并采用机械加工的方法制备砂轮基体，对砂轮基体除油除锈。
步骤二、制作混合粉末：Al、Ti、Ni金属粉末按1.1:1.2:1.5的比例进行混合制成混合粉末，其中Al、Ti、Ni的纯度为99.5～100％，其粉末粒径为15-80μm。
步骤三、将混合粉末与立方氮化硼磨粒混合，压制立方氮化硼节块毛坯，其中立方氮化硼粒度为120～450微米，立方氮化硼磨粒含量为0.5g/cm3。
步骤四、在Ar气的保护气氛中，采用超声波辅助烧结压制的立方氮化硼节块毛坯，冷却后即为立方氮化硼节块，具体过程是先将压制立方氮化硼节块毛坯放置在上模具与下模具之间，接着通过上模具施加10的压力作用于立方氮化硼节块毛坯，然后上模具连接超声波换能器，超声波发生器输出20kHz频率的超声波至超声波换能器，其中超声波发生器功率在0.6kW，超声波换能器工作频率为50kHz，振幅为12μm。
步骤五、按立方氮化硼砂轮金属基体/钎料浆液/立方氮化硼节块的顺序制作工具成型毛坯，其中钎料浆液为重量百分比98％NiCuSn合金，其余为压敏胶。其中NiCuSn合金中Cu重量含量为42％，Sn重量含量为18％，其余为Ni。
步骤六、采用真空加热的方式钎焊成型毛坯，制作立方氮化硼砂轮，其中真空加热的方式是在真空炉加热至钎料熔化，真空度保持在1×10-3Pa，钎焊温度910℃，保持2分；冷却后立方氮化硼节块钎焊固定于砂轮基体表面即为成品。
经实验表明，采用Al、Ti、Ni超声波辅助烧结立方氮化硼过程中，在氩气保护的低温状态，摩擦能够将立方氮化硼表面吸附的杂质清除干净，在摩擦过程中由于Ti、Al原子与立方氮化硼表面原子级接触，在立方氮化硼表面形成了化合物。同时由于Al、Ti、Ni之间发生放热反应，进一步促进了界面反应。在节块与钢基体钎焊过程中，由于更高的钎焊温度NiCuSn钎料能够很好润湿节块，能够实现节块与钢基体的牢固连接。而在通常烧结过程中尽管添加活性元素Ti，由于金属粉中不可避免含有各种气体，尤其在加热过程中更加容易脱离表面，因此很容易导致Ti失去活性。该方法制作的砂轮在磨削强韧金属材料时很少发生磨粒的脱落。
Claims (7)
1.一种超声波辅助摩擦烧结立方氮化硼砂轮的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、选择钢基体并采用机械加工的方法制备砂轮基体，对砂轮基体除油除锈；
步骤二、混合粉末制作：将Al、Ti、Ni金属粉末按一定重量比例进行混合制成混合粉末；
步骤三、将混合粉末与立方氮化硼磨粒混合，压制立方氮化硼节块毛坯；
步骤四、在保护气氛中，采用超声波辅助烧结压制的立方氮化硼节块毛坯，冷却后即为立方氮化硼节块；
步骤五、按立方氮化硼砂轮金属基体/钎料浆液/立方氮化硼节块的顺序制作工具成型毛坯；
步骤六、采用真空加热的方式钎焊成型毛坯，制作立方氮化硼砂轮。
2.根据权利要求1所述的超声波辅助摩擦烧结立方氮化硼砂轮的方法，其特征在于：所述的钢基体为45钢或65Mn钢。
3.根据权利要求1所述的超声波辅助摩擦烧结立方氮化硼砂轮的方法，其特征在于：所述的混合粉末中，Al、Ti、Ni的纯度为99.5～100％，其粉末粒径为15-80μm；Al、Ti、Ni金属粉的质量比为1～1.1:1.2～1.3:1.2～1.5。
4.根据权利要求1所述的超声波辅助摩擦烧结立方氮化硼砂轮的方法，其特征在于：所述的立方氮化硼节块毛坯中，立方氮化硼粒度为120～450微米，立方氮化硼磨粒含量为0.3～1.1g/cm3。
5.根据权利要求1所述的超声波辅助摩擦烧结立方氮化硼砂轮的方法，其特征在于：所述的超声波辅助烧结，先将压制立方氮化硼节块毛坯放置在上模具与下模具之间，接着通过上模具施加7MPa～12MPa的压力作用于立方氮化硼节块毛坯，然后上模具连接超声波换能器，超声波发生器输出20kHz频率的超声波至超声波换能器，其中超声波发生器功率在0.2～2kW，超声波换能器工作频率为20～100kHz，振幅为1-30μm；另外，采用的保护气氛采用Ar气。
6.根据权利要求1所述的超声波辅助摩擦烧结立方氮化硼砂轮的方法，其特征在于：所述的钎料浆液为重量百分比95％～98％NiCuSn合金，其余为压敏胶；其中NiCuSn合金中Cu重量含量为36～45％，Sn重量含量为11～25％，其余为Ni。
7.根据权利要求1所述的超声波辅助摩擦烧结立方氮化硼砂轮的方法，其特征在于：所述的真空加热方式是在真空炉加热至钎料熔化，真空度保持在1×10-3Pa，钎焊温度890～950℃，保持1～5分；冷却后立方氮化硼节块钎焊固定于砂轮基体表面即为成品。
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