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一种真空压力焊Ti箔金刚石制造砂轮的方法

2023-01-15 12:04:51 来源:中国专利 TAG:
一种真空压力焊ti箔金刚石制造砂轮的方法
技术领域
1.本发明属于超硬材料工具领域,特别涉及单层金刚石砂轮的制造方法。


背景技术:

2.金刚石具有极高的硬度和良好的耐磨性,是加工玻璃、陶瓷、花岗岩、硬质合金等硬脆材料的理想材料。但金刚石与一般金属及其合金之间具有很高的界面能,与金属及其合金的浸润性很差,且高温时容易石墨化,致使金刚石焊接性很差。金刚石与金属连接的主要困难在于:一是焊接温度受到金刚石石墨化的限制,导致界面处石墨化或不能有效焊接,使得接头强度低;二是金属材料对金刚石润湿性差,焊接后基体对金刚石的把持强度低,造成工具在使用过程中金刚石脱落,不能充分发挥金刚石的优良性能;三是金刚石的线膨胀系数与大多数合金不匹配,焊接时容易出现裂纹。
3.为提高合金对金刚石的润湿性,也可采用金刚石表面镀覆工艺,即在金刚石表面包裹一薄层金属外衣,但不一定能在金刚石表面生成碳化物过渡层。表面镀层金属合理的话,能够在一定程度避免ni、fe等触媒金属直接作用于金刚石,有效避免金刚石石墨化,比如采用盐浴渗覆ti,然后将镀钛金刚石置于真空炉中,在1.33
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10-4pa的真空度下加热900℃(1h)后随炉冷却。由于钛是强碳化物形成元素,在加热过程中与金刚石表面的碳原子结合生成tic的晶核并逐渐长大,直至在金刚石表面形成一薄层tic过渡层。但这种工艺存在工艺复杂、有一定的环境污染。
4.金刚石砂轮的制造方法主要有烧结、钎焊、电镀等工艺,其中烧结、电镀由于对磨粒把持力不高,常因磨粒过早脱落而失效,钎焊能够在金刚石与钎料间形成化学冶金结合,但也受到钎焊温度和钎料中活性元素高真空要求的限制。钎焊金刚石常用方法主要有真空钎焊、激光钎焊、保护气氛钎焊等。金刚石钎焊主要采用的是ag、cu基或ni基钎料,其中ag、cu基钎料对金刚石的润湿性较差,同时ag、cu基钎料的硬度小、耐磨性差,使得钎焊层磨损导致磨粒出露过高而脱落。ni基钎料对金刚石的润湿性比cu基钎料好,但ni基钎料熔点过高且为触媒,因此ni元素会对金刚石造成较大的热损伤,同时ni基有时却因耐磨性过高使得磨粒出露较低。可以看出,金刚石钎焊的钎料多采用ti、cr等作为活性元素,钎焊多采用cu、ni基钎料。考虑到cu、ni合金能够调控合金的强度、耐磨性等,且二者可以无限互溶,因此选择cuni基合金。在金刚石连接方面,考虑到正是由于ni与金刚石在过高的钎焊温度接触,导致金刚石石墨化,如果有效降低焊接温度以及避免ni与金刚石的接触,即可以降低金刚石的热损伤。在焊接方面,采用活性元素直接高温互扩散形成有效化学冶金结合,就能够实现金刚石的好强度连接,又可以避免金刚石的热损伤。


技术实现要素:

5.现提出一种新的方法,本发明将金刚石颗粒压入ti箔及结合剂的合金中,不仅用ti箔将金刚石颗粒与合金隔开,而且在金刚石颗粒压入过程中经摩擦将金刚石及ti箔清理干净并充分接触,为后续的焊接做好准备。其次在金刚石周围形成隆起,包裹住金刚石颗
粒,有利于提高基体对金刚石颗粒的把持力。压入金刚石颗粒后,在真空炉中对金刚石磨粒压住的同时进行高温压力扩散焊,该温度由于低于原先的钎焊温度,不会对金刚石造成热损伤,由于ti与金刚石的充分接触,后续的高温能够促使金刚石与ti箔发生充分的接触并形成界面结合,而在ti箔与cuni合金也会发生扩散,确保金刚石与cuni合金高的连接强度,而且cuni合金也可根据需要适当调整。
6.本发明真空压力焊ti箔金刚石制造砂轮的方法,包括下述工艺步骤:
7.步骤一、对砂轮的碳钢基体表面进行预处理,用砂轮或砂纸打磨碳钢基体表面去除氧化物和铁锈,用酒精或丙酮清除表面的油污;
8.步骤二、将单质金属cu、ni粉按一定比例组成混合粉,并用球磨机进行球磨混合;其中cu、ni混合粉中cu金属粉质量分数为30~70%,其余为ni金属粉,cu、ni金属粉末粒径在30~50μm。球磨混合采用钢制球磨罐进行球磨混合,其中的磨球与混合粉质量比为2.5~3.2∶1,密封后打开真空阀抽真空20~30分钟,将球磨罐放入行星式球磨机,转速为260~300r/min,倒向频率30~45hz,进行球磨混料时间为20~40分钟。
9.步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.3~1.4重量比例混合制成熔结粉,将其涂覆到碳钢基体表面,涂覆厚度为300~450μm,然后在150~200℃烘干1~2h。
10.步骤四、采用真空炉将涂覆的熔结粉加热进行熔结并随炉冷却,熔结的加热温度在980~1030℃加热粉末熔化保温5~8min分钟,之后随炉冷却,得到cuni熔结涂层。
11.步骤五、用厚度为1~3μm的ti箔覆盖在涂层上,并将粒度为120~450μm的金刚石颗粒按需排列放在ti箔上,用轧辊将金刚石颗粒压入ti箔及cuni涂层,并对压入的金刚石磨粒采用陶瓷板进行压制固定,压入的深度控制在80~100μm,为金刚石砂轮毛坯;
12.步骤六、采用真空炉加热压力焊金刚石砂轮毛坯,具体就是将真空炉抽真空至10-3-10-4pa,之后加热金刚石砂轮毛坯到850~900℃,保温时间为20~30分钟,之后随炉冷却,制得单层金刚石砂轮。
13.本发明的有益效果是:
14.(1)本发明利用ti箔作为活性材料,采用压入的方式使ti与金刚石相互摩擦实现充分接触,再经高温作用使其界面形成碳化物层,增强了金属对金刚石磨粒的把持力,而且金刚石在连接过程中不再经受高温的热损伤,有效提高把持力,而且降低了金刚石热损伤。
15.(2)本发明利用轧辊将金刚石颗粒压入ti箔和cuni涂层,其能够在金刚石颗粒四周形成隆起,有效包裹住金刚石,进一步增强焊料对金刚石颗粒的把持力,提高单层金刚石砂轮的耐用性,减少磨粒脱落。
具体实施方式
16.实施例1:
17.步骤一、选择45钢作为砂轮的基体,用砂轮打磨砂轮基体表面去除氧化物和铁锈,用酒精清除表面的油污;
18.步骤二、将单质金属cu、ni粉按一定比例组成混合粉,并用球磨机进行球磨混合;其中cu、ni混合粉中cu金属粉质量分数为30%,其余为ni金属粉,cu、ni金属粉末粒径在30~50μm。球磨混合采用钢制球磨罐进行球磨混合,其中的磨球与混合粉质量比为2.5∶1,密封后打开真空阀抽真空20分钟,将球磨罐放入行星式球磨机,转速为260r/min,倒向频率
30hz,进行球磨混料时间为20分钟。
19.步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.3重量比例混合制成熔结粉,将其涂覆到碳钢基体表面,涂覆厚度为300μm,然后在150℃烘干1h。
20.步骤四、采用真空炉将涂覆的熔结粉加热进行熔结并随炉冷却,熔结的加热温度在980℃加热粉末熔化保温5min分钟,之后随炉冷却,得到cuni熔结涂层。
21.步骤五、用厚度为1μm的ti箔覆盖在涂层上,并将粒度为120~180μm的金刚石颗粒按需排列放在ti箔上,用轧辊将金刚石颗粒压入ti箔及cuni涂层,并对压入的金刚石磨粒采用陶瓷板进行压制固定,压入的深度控制在80μm,为金刚石砂轮毛坯;
22.步骤六、采用真空炉加热压力焊金刚石砂轮毛坯,具体就是将真空炉抽真空至10-3-10-4pa,之后加热金刚石砂轮毛坯到850℃,保温时间为20分钟,之后随炉冷却,制得单层金刚石砂轮。
23.结果表明,采用压入金刚石的方式,不仅可以使金刚石与ti箔充分接触,而且经摩擦表面较干净,在后续的加热焊接过程中ti能够与金刚石发生界面反应,而与cuni合金能够有一定的扩散,确保了高强度连接金刚石。
24.实施例2:
25.步骤一、采用35钢作为砂轮基体,用砂纸打磨碳钢基体表面去除氧化物和铁锈,用酒精清除表面的油污;
26.步骤二、将单质金属cu、ni粉按一定比例组成混合粉,并用球磨机进行球磨混合;其中cu、ni混合粉中cu金属粉质量分数为70%,其余为ni金属粉,cu、ni金属粉末粒径在30~50μm。球磨混合采用钢制球磨罐进行球磨混合,其中的磨球与混合粉质量比为3.2∶1,密封后打开真空阀抽真空30分钟,将球磨罐放入行星式球磨机,转速为300r/min,倒向频率45hz,进行球磨混料时间为40分钟。
27.步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.4重量比例混合制成熔结粉,将其涂覆到碳钢基体表面,涂覆厚度为450μm,然后在200℃烘干2h。
28.步骤四、采用真空炉将涂覆的熔结粉加热进行熔结并随炉冷却,熔结的加热温度在1030℃加热粉末熔化保温8min分钟,之后随炉冷却,得到cuni熔结涂层。
29.步骤五、用厚度为3μm的ti箔覆盖在涂层上,并将粒度为300~450μm的金刚石颗粒按需排列放在ti箔上,用轧辊将金刚石颗粒压入ti箔及cuni涂层,并对压入的金刚石磨粒采用陶瓷板进行压制固定,压入的深度控制在100μm,为金刚石砂轮毛坯;
30.步骤六、采用真空炉加热压力焊金刚石砂轮毛坯,具体就是将真空炉抽真空至10-3-10-4pa,之后加热金刚石砂轮毛坯到900℃,保温时间为30分钟,之后随炉冷却,制得单层金刚石砂轮。
31.结果表明,采用压入金刚石的方式,不仅可以使金刚石与ti箔充分接触,而且经摩擦表面较干净,在后续的加热焊接过程中ti能够与金刚石发生界面反应,而与cuni合金能够有一定的扩散,确保了高强度连接金刚石。采用该方法制造的砂轮能够用于高效磨削硬脆材料。
32.实施例3:
33.步骤一、采用q235钢作为砂轮基体,用砂轮打磨碳钢基体表面去除氧化物和铁锈,用丙酮清除表面的油污;
34.步骤二、将单质金属cu、ni粉按一定比例组成混合粉,并用球磨机进行球磨混合;其中cu、ni混合粉中cu金属粉质量分数为50%,其余为ni金属粉,cu、ni金属粉末粒径在40μm。球磨混合采用钢制球磨罐进行球磨混合,其中的磨球与混合粉质量比为2.7∶1,密封后打开真空阀抽真空25分钟,将球磨罐放入行星式球磨机,转速为280r/min,倒向频率40hz,进行球磨混料时间为30分钟。
35.步骤三、将混合粉与压敏胶按1:1.35重量比例混合制成熔结粉,将其涂覆到碳钢基体表面,涂覆厚度为350μm,然后在180℃烘干1.5h。
36.步骤四、采用真空炉将涂覆的熔结粉加热进行熔结并随炉冷却,熔结的加热温度在1000℃加热粉末熔化保温6min分钟,之后随炉冷却,得到cuni熔结涂层。
37.步骤五、用厚度为2μm的ti箔覆盖在涂层上,并将粒度为180~250μm的金刚石颗粒按需排列放在ti箔上,用轧辊将金刚石颗粒压入ti箔及cuni涂层,并对压入的金刚石磨粒采用陶瓷板进行压制固定,压入的深度控制在90μm,为金刚石砂轮毛坯;
38.步骤六、采用真空炉加热压力焊金刚石砂轮毛坯,具体就是将真空炉抽真空至10-3-10-4pa,之后加热金刚石砂轮毛坯到870℃,保温时间为25分钟,之后随炉冷却,制得单层金刚石砂轮。
39.结果表明,采用压入金刚石的方式,不仅可以使金刚石与ti箔充分接触,而且经摩擦表面较干净,在后续的加热焊接过程中ti能够与金刚石发生界面反应形成碳化物,而且压入后形成环状凸起,能够进一步提高金刚石的把持力,另外与cuni合金能够有一定的扩散,确保了高强度连接金刚石。
再多了解一些

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