專利名稱：一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法
技術領域：
本發明屬于超硬磨料磨具制作領域，尤其涉及一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法。
背景技術：
立方氮化硼具有高的硬度、熱穩定性和化學惰性，制備的磨具可以解決硬度高韌性好材料難以加工的問題，同時具有磨削鋒利，耐磨性好，單位磨損少，生產率高，加工表面質量高等特點，在磨具行業具有廣泛的應用。為了滿足生產需求和提高產品質量需要，人們不斷提出新的磨具制作方法并對新方法進行研究，主要是如何提高加工效率、產品質量和磨具壽命。
作為磨具，要滿足以下幾個方面的要求1)磨削切割方向上，相鄰磨粒之間要有足夠空間，能進行自由切割；2)磨粒應具有較高的出露高度，出露高度一致；3)結合材料對磨粒具有較高把持力；4)結合材料具有合適的性能，像強度、硬度、耐磨性等。電鍍是制備單層超硬材料磨具最常用的方法，利用Ni或Co鍍層把磨料顆粒固結到磨具基體上。電鍍單層超硬材料磨具只有一層磨粒，具有較高的加工效率；但是，磨粒、鍍層和磨具基體三者之間只是物理包裹作用和范德華分子結合力，結合強度低。為了提高鍍層對磨粒的結合強度，鍍層高度通常達到磨粒高度的60% 80%，降低了磨粒出露高度和容屑空間。電鍍過程中，磨粒容易在磨具基體表面發生聚集，縮小相鄰磨粒之間距離，不能進行自由切割。電鍍法制備的立方氮化硼磨具的磨粒出露高度不同，不能保證較好的磨削加工精度。制備單層超硬材料磨具既要保證磨粒具有較高的出露高度，同時最好在磨粒和結合材料之間形成化學冶金結合，結合材料對磨粒具有較高把持力。釬焊法制備的超硬材料磨具可以滿足上述要求，但是，磨料顆粒分布較難，釬料和磨粒之間存在較大物理和化學性能差異，導致釬焊后接頭處形成較大殘余應力。銀基釬料(Ag-Cu-Ti合金)是最早用來制備釬焊超硬材料磨具的材料，但是，銀基釬料價格昂貴，磨具制備成本較高，釬料硬度較低，耐磨性不好，磨具使用過程中，磨料顆粒和釬焊層之間不能保持合適磨削比，易導致磨料過早脫落，降低磨具壽命。

發明內容
本發明所要解決的問題是克服現有技術的不足，提供一種壓力焊制備立方氮化硼砂輪的方法。為了解決上述技術問題采用以下技術方案一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法，包括以下步驟
(I)選擇砂輪基體材料并利用機械加工的方法制備砂輪基體，然后去除砂輪基體表面的氧化皮，除油除銹；(2)在保護環境下，采用真空沉積或液體激冷的方法制備厚度均勻的非晶合金結合
層；
(3)室溫時，利用人工或機械的方法把立方氮化硼磨粒排布并固定在非晶合金結合層表面，制作砂輪毛坯，立方氮化硼磨粒頂部放置陶瓷壓片，陶瓷壓片上面安置施壓物質；
(4)把砂輪毛坯、陶瓷壓片和施壓物質放入加熱爐中，加熱到非晶合金的過冷液相區保溫10 60min，隨后快速冷卻到室溫，去除磨粒表面陶瓷壓片和施壓物，獲得單層立方氮化硼砂輪。所述的非晶合金為Cu基非晶合金或Ni基非晶合金。所述的非晶合金中含有可以和立方氮化硼發生化學反應的活性元素Ti。所述的非晶合金為Cu60Zr30Ti10' Cu60Hf25Ti15' Cu60Hf20Ti20' Cu60Zr20Ti20' Ni59Zr20Ti16Si2Sn3^Ni42Ti19 Zr22. 5A18Cu5、Ni60Nb25Ti15 或 Ni60Nb20Ti15Zr515所述的非晶合金結合層的厚度在制備超硬材料砂輪時立方氮化硼磨粒直徑的1/3 2/3之間。所述的非晶合金結合層的厚度為10 150 μ m。所述的非晶合金的過冷液相區在400 500°C之間。所述的加熱爐為真空爐。本發明利用非晶合金作為制作立方氮化硼砂輪時的結合材料，具有以下作用。非晶合金材料具有高抗拉強度，高硬度，低熱膨脹系數等優點，可以提高砂輪結合材料的強度和耐磨性，降低磨粒和結合材料之間形成的殘余應力。非晶合金材料具有特殊的過冷液相區，可以發生牛頓流動；變形溫度低，一般在O. 6Tm以下；變形應力小，變形過程中不會產生空洞等缺陷；變形過程發生在牛頓流動的過冷溫度區間時，冷卻后，非晶合金轉變為合金，在使用過程中不再發生牛頓流動。當非晶合金發生牛頓流動時，把磨料顆粒壓制到非晶合金中，由于材料中含有較多可以和立方氮化硼反應的活性元素，通過延長保溫時間，可以形成少量化合物，提高非晶合金對磨粒的把持力。磨粒壓制到非晶合金后，在磨粒和非晶合金界面結合處，非晶合金和磨粒之間形成弧度過渡，快速冷卻后，非晶合金對磨粒具有較高的把持力。非晶合金的過冷液相區溫度較低，加熱過程中，磨粒的性能下降較小；砂輪基體變形較小。另外，可以控制非晶合金結合層的厚度，提高磨粒出露高度，立方氮化硼磨粒的性能可以得到充分發揮。制備砂輪過程中，立方氮化硼磨粒表面放置利用陶瓷壓片和施壓物質，可以確保砂輪制備過程中立方氮化硼磨粒具有相同的出露高度，制備的砂輪表面加工質量較高，可以用于高精度磨削加工。


圖I立方氮化硼砂輪制作結構示意圖。
具體實施例方式實施例I
一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法，包括以下步驟
(I)按照制備單層立方氮化硼砂輪的相關要求選擇砂輪基體材料I，采用機械加工的方法按照尺寸要求制備砂輪基體1，然后去除砂輪基體表面氧化皮，并除油除銹；砂輪基體材料為常用材料，例如40Cr、45#鋼。(2)采用真空沉積的方法在潔凈的砂輪基體I表面制備具有一定厚度并且厚度均勻的非晶合金結合層2，非晶合金結合層2的厚度為10 150 μ m ;非晶合金為鎳基或銅基等非晶合金材料，非晶合金中含有可以和立方氮化硼發生反應的活性元素鈦等。(3)室溫時，利用人工的方法把立方氮化硼磨粒3按預先設置的方式排布并固定在非晶合金結合層2表面，制作砂輪毛坯，立方氮化硼磨粒3頂部放置陶瓷壓片4，陶瓷壓片4上面安置施壓物質5。(4)把砂輪毛坯、陶瓷壓片和施壓物質放入真空加熱爐中，加熱到非晶合金的過冷液相區進行保溫10 60min，其過冷液相區在400 500°C之間，在此溫度區間實現壓焊的化學冶金結合；隨后快速冷卻到室溫，去除立方氮化硼磨粒表面陶瓷壓片和施壓物質，獲得單層立方氮化硼砂輪。
所述的非晶合金結合層厚度在制備砂輪時所用磨粒直徑的1/3 2/3之間。利用非晶合金作為立方氮化硼磨粒的結合材料，可以提高結合材料的硬度和耐磨性，降低砂輪制備過程中形成的殘余應力。利用非晶合金的特殊過冷液相區把立方氮化硼磨粒壓入非晶合金中，非晶合金和立方氮化硼磨粒之間形成的弧度過渡和界面結合處形成的少量化合物可以實現非晶合金對立方氮化硼磨粒高的把持力，減少立方氮化硼磨粒性能下降，立方氮化硼磨粒的性能可以得到最大發揮。非晶合金的過冷液相溫度區溫度較低，砂輪基體變形較少。立方氮化硼磨粒表面放置陶瓷壓片，制備的砂輪的立方氮化硼磨粒出露高度一樣，可以保證加工表面質量較好，進行精密磨削加工。實施例2
一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法砂輪基體選用45#鋼，真空沉積銅基非晶合金Cu6tlZr3tlTiltl,結合層厚度為立方氮化硼磨粒直徑的1/2左右。利用人工的方法把磨粒按照預先設定方式排布并固定到非晶合金結合層表面，磨粒上面放置陶瓷壓片和施壓物質，然后放入真空爐加熱。加熱到Cu6tlZr3tlTiltl的過冷液相區保溫30min，然后快速冷卻到室溫，制備單層立方氮化硼砂輪。其他同實施例I。實施例3
一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法砂輪基體選用45#鋼，采用液相激冷的方法制備非晶合金Cu6tlHf25Ti15，結合層厚度為立方氮化硼磨粒直徑的1/2左右。利用人工的方法把磨粒按預先設定方式排布并固定到非晶合金結合層表面，磨粒上面放置陶瓷壓片和施壓物質，然后放入真空爐加熱。加熱到Cu6tlHf25Ti15的過冷液相區保溫40min，然后快速冷卻到室溫，制備單層立方氮化硼砂輪。其他同實施例I。實施例4
一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法砂輪基體選用40Cr，采用真空沉積的方法在砂輪基體上制備厚度均勻的Cu6tlHf2tlTi2tl非晶合金結合層，結合層厚度為立方氮化硼磨粒直徑的1/2左右。利用機械的方法把磨粒按預先設定方式排布并固定到非晶合金結合層表面，磨粒上面放置陶瓷壓片和施壓物質，然后放入真空爐加熱。加熱到Cu6tlHf2tlTi2tl的過冷液相區保溫35min，然后快速冷卻到室溫，制備單層立方氮化硼砂輪。
其他同實施例I。實施例5
一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法砂輪基體選用40Cr，采用真空沉積的方法在砂輪基體上制備厚度均勻的Cu6ciZr2ciTi2tl非晶合金結合層，結合層厚度為立方氮化硼磨粒直徑的1/2左右。利用機械的方法把磨粒按預先設定方式排布并固定到非晶合金結合層表面，磨粒上面放置陶瓷壓片和施壓物質，然后放入真空爐加熱。加熱到Cu6tlZr2ciTi2tl的過冷液相區保溫30min，然后快速冷卻到室溫 ，制備單層立方氮化硼砂輪。其他同實施例I。實施例6
一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法砂輪基體選用45#鋼，采用真空沉積的方法在砂輪基體上制備厚度均勻鎳基非晶合金Ni59Zr2Ji16Si2Sn3結合層，結合層厚度為立方氮化硼磨粒直徑的1/2左右。利用人工的方法把磨粒按預先設定方式排布并固定到非晶合金結合層表面，磨粒上面放置陶瓷壓片和施壓物質，然后放入真空爐加熱。加熱到Ni59Zr20Ti16Si2Sn3的過冷液相區保溫40min,然后快速冷卻到室溫,制備單層立方氮化硼砂輪。其他同實施例I。實施例7
一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法砂輪基體選用45#鋼，采用真空沉積的方法在砂輪基體上制備厚度均勻鎳基非晶合金Ni42Ti19 Zr22.5Al8Cu5結合層，結合層厚度為立方氮化硼磨粒直徑的1/2左右。利用人工的方法把磨粒按預先設定方式排布并固定到非晶合金結合層表面，磨粒上面放置陶瓷壓片和施壓物質，然后放入真空爐加熱。加熱到Ni42Ti19 Zr22.5Al8Cu5的過冷液相區保溫35min，然后快速冷卻到室溫，制備單層立方氮化硼砂輪。其他同實施例I。實施例8
一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法砂輪基體選用40Cr，采用真空沉積的方法在砂輪基體上制備厚度均勻鎳基非晶合金Ni6tlNb25Ti15,結合層厚度為立方氮化硼磨粒直徑的1/2左右。利用機械的方法把磨粒按預先設定方式排布并固定到非晶合金結合層表面，磨粒上面放置陶瓷壓片和施壓物質，然后放入真空爐加熱。加熱到Ni6tlNb25Ti15的過冷液相區保溫40min，然后快速冷卻到室溫，制備單層立方氮化硼砂輪。其他同實施例I。實施例9
一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法砂輪基體選用40Cr，采用真空沉積的方法在砂輪基體上制備厚度均勻鎳基非晶合金Ni6tlNb2 Ji15Zr5，結合層厚度為立方氮化硼磨粒直徑的1/2左右。利用機械的方法把磨粒按預先設定方式排布并固定到非晶合金結合層表面，磨粒上面放置陶瓷壓片和施壓物質，然后放入真空爐加熱。加熱到Ni6tlNb2tlTi15Zr5的過冷液相區保溫30min，然后快速冷卻到室溫，制備單層立方氮化硼砂輪。其他同實施例I。
權利要求
1.一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法，其特征在于包括以下步驟 (1)選擇砂輪基體材料并利用機械加工的方法制備砂輪基體，然后去除砂輪基體表面的氧化皮，除油除銹； (2)在保護環境下，采用真空沉積或液體激冷的方法制備厚度均勻的非晶合金結合層； (3)室溫時，利用人工或機械的方法把立方氮化硼磨粒排布并固定在非晶合金結合層表面，制作砂輪毛坯，立方氮化硼磨粒頂部放置陶瓷壓片，陶瓷壓片上面安置施壓物質； (4)把砂輪毛坯、陶瓷壓片和施壓物質放入加熱爐中，加熱到非晶合金的過冷液相區保溫10 60min，對立方氮化硼實現壓焊，隨后快速冷卻到室溫，去除磨粒表面陶瓷壓片和施壓物，獲得單層立方氮化硼砂輪。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所述的非晶合金為Cu基非晶合金或Ni基非晶合金。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述的非晶合金中含有可以和立方氮化硼發生化學反應的活性元素Ti。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述的非晶合金為Cu6(lZr3Ji1(l、Cu60Hf25Ti15'Cu60Hf20Ti20'Cu60Zr20Ti20'Ni59Zr20Ti16Si2Sn3'Ni42Ti19 Zr22. 5A18Cu5、Ni60Nb25Ti15 或Ni60Nb20Ti15Zr50
5.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所述的非晶合金結合層的厚度在制備超硬材料砂輪時立方氮化硼磨粒直徑的1/3 2/3之間。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于所述的非晶合金結合層的厚度為10 150 μ m0
7.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所述的非晶合金的過冷液相區在400 500°C之間。
8.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所述的加熱爐為真空爐。
全文摘要
一種壓力焊制備單層立方氮化硼砂輪的方法，包括以下步驟(1)選擇砂輪基體材料并利用機械加工的方法制備砂輪基體；(2)在保護環境下制備厚度均勻的非晶合金結合層；(3)室溫時，把立方氮化硼磨粒排布并固定在非晶合金結合層表面，制作砂輪毛坯，頂部放置陶瓷壓片、施壓物質；(4)把砂輪毛坯、陶瓷壓片和施壓物質放入加熱爐中，隨后快速冷卻到室溫，獲得單層立方氮化硼砂輪。非晶合金材料具有高抗拉強度，高硬度，低熱膨脹系數等優點，可以提高砂輪結合材料的強度和耐磨性，降低磨粒和結合材料之間形成的殘余應力。把磨料顆粒壓制到非晶合金中，由于材料中含有較多可以和立方氮化硼反應的活性元素，通過延長保溫時間，可以形成少量化合物，提高非晶合金對磨粒的把持力。制備的砂輪表面加工質量較高，可以用于高精度磨削加工。
文檔編號B24D18/00GK102773807SQ20121022354
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月2日 優先權日2012年7月2日
發明者盧金斌, 孟普, 王志新 申請人:中原工學院