一种新型合金真空扩散焊cBN磨粒的方法

一种新型合金真空扩散焊cbn磨粒的方法
技术领域
1.本发明属于超硬磨料领域，特别涉及制造单层cbn磨粒的砂轮。


背景技术：

2.立方氮化硼具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性等优异性能，它的硬度仅次于金刚石，但热稳定性远高于金刚石，因此对黑色金属有良好的化学稳定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，非常适合于高效磨削强韧性金属材料，具有较高生产率，并能有效地提高工件的磨削质量。
3.cbn磨料砂轮的制作工艺可大致分以下五种，电镀、烧结、树脂、陶瓷、钎焊。采用电镀、烧结、树脂以及陶瓷等方法，由于cbn固有的化学惰性，采用一般的金属或在温度较低的情况下很难对cbn磨粒实现化学冶金结合，究其原因是因为cbn磨粒与砂轮磨削的结合剂很难有界面反应。要实现cbn磨粒的高强度连接需要含有一定的活性元素且在高温的情况下经界面反应实现，但活性元素很容易氧化失效，而且cbn磨粒表面吸附物对界面反应有很大影响，采用含有活性元素的真空钎焊虽能去除cbn磨粒表面的吸附物质，又可以实现有效的界面反应，但通常只能采用低熔点的钎料如agcuti、cusnti之类的钎料，这类钎料虽能实现界面反应，但普遍存在合金熔点较低，在砂轮加工过程中其低熔点合金受磨削温度的限制，并不能充分发挥cbn磨粒高温稳定性的优点。如采用高熔点含活性元素的合金进行钎焊，对真空度提出了极高的要求，使得生产成本极大，不能实现产业化。如采用含有活性元素金属进行烧结，金属处于固态时活性元其扩散系数极低，很难形成有效的扩散，也就不能进行有效的连接。因此如何在制造时实时保持cbn磨粒表面干净，又能与活性元素充分接触是实现cbn磨粒高强度连接的关键。


技术实现要素：

4.基于上述的问题，为保证实时的cbn颗粒表面干净并充分接触活性元素，采取将ti箔放在结合剂上面，并将cbn颗粒压入，通过压入的方法一方面将cbn颗粒和ti箔表面清理干净，使其露出新鲜的表面并充分接触，另一方面，可以使得cbn周围形成环状隆起，该类隆起可以将cbn包裹并增强结合剂对cbn颗粒的把持力，再经较长时间的高温可保证其形成高强度连接。此外，通过使用alcocrfeniti高熵合金替换低熔点钎料，利用高熵合金具有高温性能、强度高的特点作为结合剂，可以充分发挥在磨削过程中cbn高温性能好的特点。
5.本发明所采用的制作方法包括下述工艺步骤：
6.一种新型合金真空扩散焊cbn磨粒的方法包括下述工艺步骤：
7.步骤一、选取碳钢作为砂轮基体，用砂轮或砂纸打磨碳钢基体表面去除氧化物和铁锈，同时用酒精或丙酮清除基体表面的油污。
8.步骤二、将ni-cr-b-si、co-cr-b-si、al、fe、ti按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在30～70μm；其中ni-cr-b-si的成分质量百分比为cr:15～18，b:2.5～4.5，si:3～4.5，c:0.6～1，其余为ni；co-cr-b-si的成分质量百分比为cr:15～
18，b:2.5～4.5，si:3～4.5，c:0.6～1，其余为co；al粉、fe粉的纯度均高于99.5％；ti粉纯度高于99％；混合粉ni-cr-b-si、co-cr-b-si、al、fe、ti的质量百分比为24～30：24～30：18～26：8～16：8～16。采用钢制球磨罐进行球磨混合，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35～50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，将其涂覆到砂轮碳钢基体表面，涂覆厚度为120～300μm，在150～200℃烘干1～2h，制得砂轮涂覆层。
10.步骤四、在真空炉内将砂轮涂覆层在真空度10-3pa～10-4pa的条件下加热到1050～1080℃，保温5～8分钟进行真空熔结，制得熔结涂层。
11.步骤五、用厚度为1～3μm的ti箔覆盖在熔结涂层上，并将cbn颗粒按需排列放在ti箔上，用轧辊将60～240μm粒径范围的cbn颗粒压入ti箔及alcocrfeniti涂层，压入的深度为60～100μm，为砂轮毛坯。
12.步骤六、采用真空炉加热砂轮毛坯在真空度10-3pa～10-4pa的条件下加热到1000～1030℃保温15～30分钟进行扩散焊cbn，冷却后即单层cbn砂轮。
13.本发明的有益效果是：
14.(1)本发明利用轧辊将cbn颗粒压入ti箔的方式，在压入时能够通过摩擦将cbn表面和ti箔的吸附物清理干净，暴露出一定的活性表面，在后续的加热过程中通过扩散提高界面反应，最终提高cbn的把持力。其次cbn颗粒压入后，由于挤压cbn颗粒四周形成隆起并包裹住cbn，这进一步合金提高了cbn颗粒的把持力，最终提高钎焊cbn砂轮的耐用性，减少磨粒脱落。
15.(2)本发明采用高熵合金，充分利用高熵合金良好的高温性能和韧性，能够充分发挥cbn高温性能好、耐磨性高的优点，避免砂轮在高速磨削过程结合剂高温性能以及cbn脱落的弊端。
具体实施方式
16.实施例1：
17.步骤一、选取q235钢作为砂轮基体，用砂轮或砂纸打磨碳钢基体表面去除氧化物和铁锈，同时用酒精或丙酮清除基体表面的油污。
18.步骤二、将ni-cr-b-si、co-cr-b-si、al、fe、ti按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在30～70μm；其中ni-cr-b-si的成分质量百分比为cr:15～18，b:2.5～4.5，si:3～4.5，c:0.6～1，其余为ni；co-cr-b-si的成分质量百分比为cr:15～18，b:2.5～4.5，si:3～4.5，c:0.6～1，其余为co；al粉、fe粉的纯度均高于99.5％；ti粉纯度高于99％；混合粉ni-cr-b-si、co-cr-b-si、al、fe、ti的质量百分比为30：30：18：12：10。采用钢制球磨罐进行球磨混合，磨球与混合粉质量比为2.5∶1，密封后打开真空阀抽真空35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，将其涂覆到砂轮碳钢基体表面，涂覆厚度为120μm，在150℃烘干1h，制得砂轮涂覆层。
20.步骤四、在真空炉内将砂轮涂覆层在真空度10-3pa～10-4pa的条件下加热到1050
℃，保温5分钟进行真空熔结，制得熔结涂层。
21.步骤五、用厚度为1μm的ti箔覆盖在熔结涂层上，并将cbn颗粒按需排列放在ti箔上，用轧辊将60～120μm粒径范围的cbn颗粒压入ti箔及alcocrfeniti涂层，压入的深度为60μm，为砂轮毛坯。
22.步骤六、采用真空炉加热砂轮毛坯在真空度10-3pa～10-4pa的条件下加热到1000℃保温15分钟进行扩散焊cbn，冷却后即单层cbn砂轮。
23.结果表明，采用压入cbn的方式，不仅可以使cbn与ti箔充分接触，而且经摩擦表面较干净，在后续的加热扩散焊过程中ti能够与cbn发生界面反应，而与alcocrfeniti能够有一定的扩散，确保了高强度连接cbn。
24.实施例2：
25.步骤一、选取35钢作为砂轮基体，用砂轮或砂纸打磨碳钢基体表面去除氧化物和铁锈，同时用酒精或丙酮清除基体表面的油污。
26.步骤二、将ni-cr-b-si、co-cr-b-si、al、fe、ti按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在30～70μm；其中ni-cr-b-si的成分质量百分比为cr:15～18，b:2.5～4.5，si:3～4.5，c:0.6～1，其余为ni；co-cr-b-si的成分质量百分比为cr:15～18，b:2.5～4.5，si:3～4.5，c:0.6～1，其余为co；al粉、fe粉的纯度均高于99.5％；ti粉纯度高于99％；混合粉ni-cr-b-si、co-cr-b-si、al、fe、ti的质量百分比为24：24：20：16：16。采用钢制球磨罐进行球磨混合，磨球与混合粉质量比为3.2∶1，密封后打开真空阀抽真空50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1：1.3～1.4重量比例混合制成熔结粉，将其涂覆到砂轮碳钢基体表面，涂覆厚度为300μm，在200℃烘干2h，制得砂轮涂覆层。
28.步骤四、在真空炉内将砂轮涂覆层在真空度10-3pa～10-4pa的条件下加热到1080℃，保温8分钟进行真空熔结，制得熔结涂层。
29.步骤五、用厚度为3μm的ti箔覆盖在熔结涂层上，并将cbn颗粒按需排列放在ti箔上，用轧辊将180～240μm粒径范围的cbn颗粒压入ti箔及alcocrfeniti涂层，压入的深度为100μm，为砂轮毛坯。
30.步骤六、采用真空炉加热砂轮毛坯在真空度10-3pa～10-4pa的条件下加热到1030℃保温30分钟进行扩散焊cbn，冷却后即单层cbn砂轮。
31.结果表明，采用该高熵合金作为结合剂，结合cbn压入ti箔的方式，能够显著提高cbn的把持力，制造的砂轮能够承受较高的磨削力和磨削温度，因此适于高效加工强韧性的黑色金属材料。
32.实施例3：
33.步骤一、选取45钢作为砂轮基体，用砂轮或砂纸打磨碳钢基体表面去除氧化物和铁锈，同时用酒精或丙酮清除基体表面的油污。
34.步骤二、将ni-cr-b-si、co-cr-b-si、al、fe、ti按一定比例组成混合粉，并用球磨机进行球磨混合，所用粉末粒径在30～70μm；其中ni-cr-b-si的成分质量百分比为cr:15～18，b:2.5～4.5，si:3～4.5，c:0.6～1，其余为ni；co-cr-b-si的成分质量百分比为cr:15～18，b:2.5～4.5，si:3～4.5，c:0.6～1，其余为co；al粉、fe粉的纯度均高于99.5％；ti粉纯
度高于99％；混合粉ni-cr-b-si、co-cr-b-si、al、fe、ti的质量百分比为26：26：26：11：11。采用钢制球磨罐进行球磨混合，磨球与混合粉质量比为2.7∶1，密封后打开真空阀抽真空45分钟，将球磨罐放入行星式球磨机，转速为280r/min，倒向频率35hz，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，将其涂覆到砂轮碳钢基体表面，涂覆厚度为180μm，在180℃烘干1.5h，制得砂轮涂覆层。
36.步骤四、在真空炉内将砂轮涂覆层在真空度10-3pa～10-4pa的条件下加热到1060℃，保温6分钟进行真空熔结，制得熔结涂层。
37.步骤五、用厚度为2μm的ti箔覆盖在熔结涂层上，并将cbn颗粒按需排列放在ti箔上，用轧辊将100～150μm粒径范围的cbn颗粒压入ti箔及alcocrfeniti涂层，压入的深度为80μm，为砂轮毛坯。
38.步骤六、采用真空炉加热砂轮毛坯在真空度10-3pa～10-4pa的条件下加热到1020℃保温20分钟进行扩散焊cbn，冷却后即单层cbn砂轮。
39.结果表明，采用压入cbn的方式，不仅可以使cbn与ti箔充分接触，而且经摩擦表面较干净，在后续的加热扩散焊过程中ti能够与cbn发生界面反应，同时ti箔与高熵合金会发生一定的互扩散形成牢固连接，确保了高强度连接cbn。该方法制造的砂轮，可以用于高效磨削强韧性金属材料。