專利名稱：多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂輪的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超硬磨料磨具制造領(lǐng)域，尤其涉及一種多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂 輪的制備方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)金屬結(jié)合劑超硬磨料工具都為密實型的，工具在其制造中為了追求對磨料的 高把持力，普遍將其致密度作為衡量砂輪制造質(zhì)量的重要指標。由于金屬結(jié)合劑超硬磨料 砂輪的高致密化，在其使用之初和磨損后造成工具的整形和修銳困難，而且砂輪中磨料出 刃難，容屑空間小，在磨削過程中易發(fā)生砂輪堵塞問題，這一直是致密金屬結(jié)合劑金剛石砂 輪在使用中無法克服的頑疾。為了解決致密金屬結(jié)合劑砂輪修整修銳的難題，已發(fā)展了多 種新型超硬工具的修整修銳方法，如砂輪對滾整形法、ELID在線修整法以及激光修整技術(shù) 等，但這些技術(shù)在實際使用中卻存在砂輪修整過程費時費力，砂輪整形精度較低，輔助系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴等問題。上世紀九十年代，國外曾嘗試開發(fā)制備一種多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，此種砂 輪是將多孔陶瓷結(jié)合劑的孔隙結(jié)構(gòu)引入到金屬結(jié)合劑中去，通過砂輪自身結(jié)構(gòu)來改善金屬 結(jié)合劑砂輪修整修銳困難，磨料不易出刃，容屑空間差的問題，從而提高金屬結(jié)合劑金剛石 砂輪的使用性能。通過對這種多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪制造工藝、孔隙控制、磨削性能進 行研究發(fā)現(xiàn)，孔隙結(jié)構(gòu)的引入大大改善了傳統(tǒng)致密金屬結(jié)合劑砂輪磨料不易出刃、砂輪修 整修銳困難的弊病，也使得砂輪在磨削加工過程中不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。雖然這種多孔金屬 結(jié)合劑金剛石砂輪取得了預(yù)期的效果，但同時也帶來更為嚴重的問題，追究其中的原因，主 要是由于砂輪中存在的孔隙結(jié)構(gòu)降低了金屬結(jié)合劑對磨料的把持力，而且砂輪節(jié)塊的強度 很低，從而造成磨料在加工中易過早脫落失效，砂輪在較重載荷磨削下?lián)p耗極大，使用壽命 短，所以這種砂輪僅在磨削負載較小的精密磨削中表現(xiàn)出易修整修銳的性能優(yōu)勢。近十年來，高溫釬焊金剛石工具取得迅速發(fā)展，它是一種采用活性釬料或鎳基釬 料焊接金剛石，使金剛石與結(jié)合劑實現(xiàn)冶金化學(xué)結(jié)合，從而大大提高結(jié)合劑對金剛石的把 持力。研究結(jié)果表明，金剛石高溫釬焊技術(shù)能夠提供極高的界面結(jié)合強度，在所制作的單層 金剛石工具中，結(jié)合層厚度只需維持在磨粒高度20% 30%的低水平上，就足以在大負荷 的高速高效磨削中使結(jié)合劑牢固地把持住磨粒。因此，單層高溫釬焊金剛石單層工具可以 說從根本上解決了磨料與結(jié)合劑的結(jié)合強度問題。綜上所述，如能將孔隙引入到金屬結(jié)合劑砂輪中，同時借鑒單層高溫釬焊金剛石 技術(shù)獲得結(jié)合劑對磨料高的把持力，從而有效解決傳統(tǒng)致密金屬結(jié)合劑金剛石砂輪使用中 現(xiàn)存的問題，大幅度提升金屬結(jié)合劑多層金剛石砂輪的使用性能有著十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明目的是提供一種多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂輪的制備方法， 使金屬結(jié)合劑金剛石砂輪中具有孔隙結(jié)構(gòu)，從而改善金屬結(jié)合劑砂輪的修整修銳、磨料出
3刃的能力以及容屑空間，同時實現(xiàn)金屬結(jié)合劑對磨料高的把持力，獲得高強度的砂輪節(jié)塊， 使這種改進的砂輪在承受較重磨削載荷時仍具有好的耐用度，且加工效率得到提高。技術(shù)方案一種多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂輪的制備方法，制備步驟包括 a.砂輪節(jié)塊的制備以WC粉碳化鎢粉、活性Ni-Cr合金粉Cr 10-15% ；Si 2-5% ；B 2-3% ；Ni 余量、碳酸氫銨顆粒和金剛石為主要原料，各成分配比如下WC粉末10 25 質(zhì)量份；活性Ni-Cr合金粉末10 25質(zhì)量份；造孔劑1 8質(zhì)量份；成形劑2 8質(zhì)量 份；金剛石1 5質(zhì)量份；其中WC粉為骨架相；活性Ni-Cr合金粉燒結(jié)時為液相，是結(jié)合 劑；碳酸氫銨顆粒為造孔劑；所述成形劑為聚乙烯醇縮丁醛與無水乙醇的混合溶液；先將 所述WC粉、Ni-Cr合金粉、金剛石、造孔劑顆粒和成形劑按上述比例混合均勻，然后把混合 粉末裝填在已設(shè)計的模具中冷壓成形，成型壓力為300 SOOMPa，保壓時間1 3min，隨后 脫模，再將脫模后成形的砂輪節(jié)塊放入150°C的烘箱中，保溫1 2個小時除去造孔劑，然 后把砂輪節(jié)塊放入真空爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000°C 1100°C，保溫時間5 45分鐘，真 空度1 X ΙΟ"1 1 X 10_3帕，隨爐冷至室溫；b.砂輪節(jié)塊與砂輪基體的連接將冷卻后的砂輪 節(jié)塊與砂輪基體安裝固定在焊接定位夾具上，采用高頻感應(yīng)加熱法實現(xiàn)其結(jié)合，得到金剛 石砂輪。碳酸氫銨顆粒大小20 60目。所述成形劑為聚乙烯醇縮丁醛與無水乙醇按質(zhì)量 比1 10 1 20混合均勻的溶液。上述制備過程中，先將所述WC粉、Ni-Cr合金粉、金 剛石、造孔劑顆粒和成形劑按比例混合均勻，然后把混合粉末裝填在已設(shè)計的模具中冷壓 成形，粉末成形壓力300 SOOMPa，保壓時間1 3min，隨后脫模，再將脫模后成形的砂輪 節(jié)塊放入150°C的烘箱中，保溫1 2個小時除去造孔劑，然后把砂輪節(jié)塊放入真空爐中燒 結(jié)，燒結(jié)溫度為1000°C 1100°C，保溫時間5 45分鐘，真空度1X10—1 1X10—3帕，隨爐 冷至室溫。上述步驟b中，焊接所用釬料選304銀焊片，銀焊片厚度0. 2 0. 5mm,釬焊劑選 QJ305A膏狀銀焊溶劑，保護氣體為純度99. 99%的氬氣，焊縫位置的加熱溫度低于800°C， 保溫時間小于20s，隨后冷至室溫。所述活性Ni-Cr合金在燒結(jié)溫度時為液相，并與金剛石 發(fā)生表面化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)金屬結(jié)合劑對磨料牢固的化學(xué)結(jié)合把持力。有益效果本發(fā)明制備出的一種多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂輪孔隙率在 45% 70%，砂輪節(jié)塊的三點抗彎強度為75MPa 200MPa。由于孔隙結(jié)構(gòu)的引入，該新型 砂輪的修整修銳能力、磨料出刃能力以及容屑空間較致密金屬結(jié)合劑砂輪得到明顯改善， 而且砂輪自銳性好。同時，砂輪節(jié)塊強度高，金屬結(jié)合劑對磨料的把持力好，砂輪在磨削硬 脆材料時可承受較重載荷，且磨料不易過早脫落，砂輪耐用度好，加工效率高。
具體實施例方式實施例1所述砂輪的制備過程如下1、選用所述活性M-Cr合金粉做結(jié)合劑、所述WC粉做骨架相，所述碳酸氫銨顆粒 做造孔劑，造孔劑平均顆粒大小40目，所述WC粉與所述活性M-Cr合金粉的質(zhì)量份數(shù)都為 18，造孔劑質(zhì)量份數(shù)為4，金剛石質(zhì)量份數(shù)為1，金剛石粒度80/100#。(金剛石粒度，它表示 篩網(wǎng)的格子大小，就是說磨料的大小與該篩網(wǎng)格子大小基本一致。磨料粒度行業(yè)內(nèi)常用此 種方式表述其大小。根據(jù)篩網(wǎng)可以查到對應(yīng)的粒度大小)2、將所述Ni-Cr合金粉、WC粉、金剛石、造孔劑與4質(zhì)量份數(shù)的成形劑混合均勻，然后將所述混合粉末按一定質(zhì)量裝填在模具中冷壓成形，粉末成形壓力500MPa，保壓2min， 隨后脫模。砂輪節(jié)塊大小尺寸為28 X 6 X 10 (單位mm)，其節(jié)塊焊接面的曲率半徑為125mm。 節(jié)塊的高度由填粉量決定，根據(jù)砂輪設(shè)計尺寸大小，砂輪節(jié)塊尺寸可由相應(yīng)尺寸的模具制 備。3、將脫模成形好的砂輪節(jié)塊放在150°C的烘箱中1. 5h除去造孔劑，然后放入真空 爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度10501，保溫301^11，真空度1\10-牛￡1 1\10’￡1，隨后爐冷完成砂輪 節(jié)塊的制備，砂輪節(jié)塊的金剛石濃度為20%。(超硬磨具的磨料濃度，是指磨料在整個磨削 層中所占的體積比。規(guī)范規(guī)定每立方厘米工作胎體中含4. 4克拉的金剛石時，其濃度為 100% )4、將清洗干凈的砂輪節(jié)塊、所述銀焊片、砂輪基體安裝固定在焊接定位夾具上，銀 焊片上均勻涂有所述焊劑，然后采用保護氣氛下(氬氣)的高頻感應(yīng)方法對其焊縫位置進 行局部加熱。焊縫位置的加熱溫度700°C，保溫時間10s。制備出的多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂輪有節(jié)塊數(shù)24個，砂輪外徑為Φ270πιπι， 工作面寬為6mm。實施例2一種多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂輪的制備方法，制備步驟包括a.砂輪節(jié)塊的 制備以WC粉、活性Ni-Cr合金粉、碳酸氫銨顆粒和金剛石為原料，各成分配比如下WC粉 末10質(zhì)量份；活性Ni-Cr合金粉末10質(zhì)量份；造孔劑1質(zhì)量份；成形劑2質(zhì)量份；金剛 石質(zhì)量份1質(zhì)量份；其中WC粉為骨架相；活性M-Cr合金粉燒結(jié)時為液相，是結(jié)合劑；碳酸 氫銨顆粒為造孔劑，顆粒大小20目；所述成形劑為聚乙烯醇縮丁醛與無水乙醇按物質(zhì)質(zhì)量 比1 10混合均勻的溶液；先將所述WC粉、Ni-Cr合金粉、金剛石、造孔劑顆粒和成形劑按 上述比例混合均勻，然后把混合粉末裝填在已設(shè)計的模具中冷壓成形，成型壓力為300MPa， 保壓時間lmin，隨后脫模，再將脫模后成形的砂輪節(jié)塊放入150°C的烘箱中，保溫1個小時 除去造孔劑，然后把砂輪節(jié)塊放入真空爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000°C，保溫時間5分鐘，真 空度1X10—1帕，隨爐冷至室溫。所述活性Ni-Cr合金在燒結(jié)溫度時為液相，并與金剛石發(fā) 生表面化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)金屬結(jié)合劑對磨料牢固的化學(xué)結(jié)合把持力；b.砂輪節(jié)塊與砂輪基體 的連接將冷卻后的砂輪節(jié)塊與砂輪基體安裝固定在焊接定位夾具上，采用高頻感應(yīng)加熱 法實現(xiàn)其結(jié)合，得到金剛石砂輪。上述步驟b中，焊接所用釬料選304銀焊片，銀焊片厚度 0. 2mm，釬焊劑選QJ305A膏狀銀焊溶劑，保護氣體為純度99. 99 %的氬氣，焊縫位置的加熱 溫度低于800°C，保溫時間小于20s，隨后冷至室溫。實施例3一種多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂輪的制備方法，制備步驟包括a.砂輪節(jié)塊的 制備以WC粉、活性Ni-Cr合金粉、碳酸氫銨顆粒和金剛石為原料，各成分配比如下WC粉 末25質(zhì)量份；活性Ni-Cr合金粉末25質(zhì)量份；造孔劑8質(zhì)量份；成形劑8質(zhì)量份；金剛 石質(zhì)量份5質(zhì)量份；其中WC粉為骨架相；活性M-Cr合金粉燒結(jié)時為液相，是結(jié)合劑；碳酸 氫銨顆粒為造孔劑，顆粒大小60目；所述成形劑為聚乙烯醇縮丁醛與無水乙醇按物質(zhì)質(zhì)量 比1 20混合均勻的溶液；先將所述WC粉、Ni-Cr合金粉、金剛石、造孔劑顆粒和成形劑按 上述比例混合均勻，然后把混合粉末裝填在已設(shè)計的模具中冷壓成形，成型壓力為800MPa， 保壓時間3min，隨后脫模，再將脫模后成形的砂輪節(jié)塊放入150°C的烘箱中，保溫2個小時除去造孔劑，然后把砂輪節(jié)塊放入真空爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100°c，保溫時間45分鐘，真 空度1 X ΙΟ"3帕，隨爐冷至室溫；所述活性Ni-Cr合金在燒結(jié)溫度時為液相，并與金剛石發(fā) 生表面化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)金屬結(jié)合劑對磨料牢固的化學(xué)結(jié)合把持力；b.砂輪節(jié)塊與砂輪基體 的連接將冷卻后的砂輪節(jié)塊與砂輪基體安裝固定在焊接定位夾具上，采用高頻感應(yīng)加熱 法實現(xiàn)其結(jié)合，得到金剛石砂輪。上述步驟b中，焊接所用釬料選304銀焊片，銀焊片厚度 0. 5mm,釬焊劑選QJ305A膏狀銀焊溶劑，保護氣體為純度99. 99 %的氬氣，焊縫位置的加熱 溫度低于800°C，保溫時間小于20s，隨后冷至室溫。實施例4所述砂輪的制備過程如下1、選用所述活性M-Cr合金粉做結(jié)合劑、所述WC粉做骨架相，所述碳酸氫銨顆粒 做造孔劑，造孔劑平均顆粒大小40目，所述WC粉與所述活性M-Cr合金粉的質(zhì)量份數(shù)分別 為24和12，造孔劑質(zhì)量份數(shù)為6，金剛石質(zhì)量份數(shù)為2，金剛石粒度140/170#。2、將所述Ni-Cr合金粉、WC粉、金剛石、造孔劑與6質(zhì)量份數(shù)的成形劑混合均勻，然 后將所述混合粉末按一定質(zhì)量裝填在模具中冷壓成形，粉末成形壓力700MPa，保壓2min， 隨后脫模。砂輪節(jié)塊大小尺寸為27X6X10(單位mm)，砂輪節(jié)塊焊接面的曲率半徑為 125mm03、將脫模成形好的砂輪節(jié)塊放在150°C的烘箱中1. 5h除去造孔劑，然后放入真空 爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度10501，保溫301^11，真空度1\10-?！? 1\10’￡1，隨后爐冷完成砂輪 節(jié)塊的制備，砂輪節(jié)塊的金剛石濃度為40%。4、將清洗干凈的砂輪節(jié)塊、所述銀焊片、砂輪基體安裝固定在焊接定位夾具上，銀 焊片上均勻涂有所述焊劑，然后采用保護氣氛下(氬氣)的高頻感應(yīng)方法對其焊縫位置進 行局部加熱。焊縫位置的加熱溫度750°C，保溫時間5s。制備出的多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂輪有節(jié)塊數(shù)24個，砂輪外徑為Φ270πιπι， 工作面寬為6mm。砂輪節(jié)塊強度評價根據(jù)相關(guān)國家標準(GB5319-85，燒結(jié)金屬材料的橫向斷裂強度測定方法)確定節(jié) 塊試樣尺寸，三點抗彎夾具的跨度間距為25mm，載荷下降速度lmm/min。實施例中相應(yīng)制備 出30X6X10的長方形砂輪節(jié)塊，并以3個試樣的平均值作為最終的試驗結(jié)果實施例1中 砂輪節(jié)塊的三點抗彎強度值為160MPa，實施例4中砂輪節(jié)塊的三點抗彎強度值為80MPa。砂輪節(jié)塊孔隙率評價砂輪節(jié)塊的孔隙率指標采用孔隙所占體積與節(jié)塊總體積的比率。通過排水法測得 實施例1中砂輪節(jié)塊的孔隙率為50%，實施例4中砂輪節(jié)塊的孔隙率為65%。實施例5使用本發(fā)明實施例4中的試驗砂輪進行修整試驗和磨削試驗，評價該砂輪的修整 效果、加工材料的表面粗糙度Ra以及磨削比。砂輪修整條件修整工具單顆金剛石修整筆砂輪圓周速度20m/s修整導(dǎo)程0· 05mm/rev
6
修整進給量0· 008mm/次(一次走刀)X 10次砂輪修整結(jié)果本發(fā)明實施例4中的砂輪使用單顆金剛石修整筆即可完成對砂輪 整個修整過程，修整后的砂輪表面存在有孔隙，磨料能順利出露。磨削試驗條件砂輪尺寸砂輪外徑為Φ 270mm,工作面寬為6mm被磨削材料=Al2O3陶瓷，其性能參數(shù)見表1磨削液5%水基乳化液，流量90L/min磨床緩進給平面磨床，型號MMD7125磨削方法切入式順磨砂輪圓周速度25m/s工作臺進給速度0· 3m/min磨削深度0· OO6匪表IAl2O3的主要性能 磨削試驗結(jié)果使用本發(fā)明實施例4中的砂輪對Al2O3陶瓷進行磨削實驗，該砂輪 的磨耗比大于400，工件磨削后的表面粗糙度(平行于工件進給方向)Ra為0. 7 0. 9 μ m。
權(quán)利要求
一種多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂輪的制備方法，其特征在于制備步驟包括a.砂輪節(jié)塊的制備以WC粉、活性Ni Cr合金粉、碳酸氫銨顆粒和金剛石為主要原料，各成分配比如下WC粉末10～25質(zhì)量份；活性Ni Cr合金粉末10～25質(zhì)量份；造孔劑1～8質(zhì)量份；成形劑2～8質(zhì)量份；金剛石1～5質(zhì)量份；其中WC粉為骨架相；活性Ni Cr合金粉燒結(jié)時為液相，是結(jié)合劑；碳酸氫銨顆粒為造孔劑；所述成形劑為聚乙烯醇縮丁醛與無水乙醇的混合溶液；先將所述WC粉、活性Ni Cr合金粉、金剛石、造孔劑顆粒和成形劑按上述比例混合均勻，然后把混合粉末裝填在已設(shè)計的模具中冷壓成形，成型壓力為300～800MPa，保壓時間1～3min，隨后脫模，再將脫模后成形的砂輪節(jié)塊放入烘箱中，保溫1～2個小時除去造孔劑，然后把砂輪節(jié)塊放入真空爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000℃～1100℃，保溫時間5～45分鐘，真空度1×10 1～1×10 3帕，隨爐冷至室溫；b.砂輪節(jié)塊與砂輪基體的連接將冷卻后的砂輪節(jié)塊與砂輪基體安裝固定在焊接定位夾具上，采用高頻感應(yīng)加熱法實現(xiàn)其結(jié)合，得到金剛石砂輪。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的制備方法，其特征在于碳酸氫銨 顆粒大小20 60目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的制備方法，其特征在于所述成形 劑中聚乙烯醇縮丁醛與無水乙醇按質(zhì)量比例1 10 1 20混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的制備方法，其特征在于步驟b中， 焊接所用釬料選304銀焊片，銀焊片厚度0. 2 0. 5mm，釬焊劑選QJ305A膏狀銀焊溶劑，保 護氣體為純度99. 99%的氬氣，焊縫位置的加熱溫度低于800°C，保溫時間小于20s，隨后冷 至室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的制備方法，其特征在于所述 活性Ni-Cr合金在燒結(jié)溫度時為液相，并與金剛石發(fā)生表面化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)金屬結(jié)合劑對 磨料牢固的化學(xué)結(jié)合把持力。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂輪的制備方法，包括砂輪節(jié)塊的制備和砂輪節(jié)塊與砂輪基體的連接。制備出的一種多孔金屬結(jié)合劑釬焊金剛石砂輪孔隙率在45％～70％，砂輪節(jié)塊的三點抗彎強度為75MPa～200MPa。由于孔隙結(jié)構(gòu)的引入，該新型砂輪的修整修銳能力、磨料出刃能力以及容屑空間較致密金屬結(jié)合劑砂輪得到明顯改善，而且砂輪自銳性好。同時，砂輪節(jié)塊強度高，金屬結(jié)合劑對磨料的把持力好，砂輪在磨削硬脆材料時可承受較重載荷，且磨料不易過早脫落，砂輪耐用度好，加工效率高。
文檔編號B24D18/00GK101905449SQ20101023062
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者傅玉燦, 馮曉杰, 徐九華, 蘇宏華, 赫青山 申請人:南京航空航天大學(xué)