专利名称：半固态连接制作高性能单层钎焊立方氮化硼砂轮的方法
技术领域：
本发明属于超硬磨料工具制作领域，特别是提供了一种半固态连接制作高性 能单层钎焊立方氮化硼砂轮的方法。
背景技术：
立方氮化硼(CBN)超硬磨料砂轮在镍基高温合金、钛合金等难加工材料的 磨削加工中具有广泛应用前景，但传统电镀或烧结CBN砂轮由于缺乏对磨料足 够的结合把持强度，因而在磨削过程中很容易发生砂轮堵塞和磨粒过早脱落的弊 病。为此，现阶段人们正在研究以高温钎焊替代电镀和烧结工艺，开发一种具有 更新换代意义的新型磨削工具——单层钎焊CBN砂轮，希望能藉高温钎焊过程 中磨粒、钎料(砂轮结合剂层)及砂轮基体之间发生的界面化学和冶金反应，从 根本上提高砂轮对磨粒的结合把持强度，增加磨粒出露高度以及砂轮的容屑空 间，从而克服传统砂轮的常见缺陷。尽管目前单层钎焊CBN砂轮的研制已取得 某些突破，但仍存在一些深层次的问题亟待解决，主要包括(1) 作为砂轮结合剂层的Ag-Cu-Ti合金的高温强度、硬度和耐磨性尚不够理想；(2) 砂轮对磨粒的把持强度难于有效主动调控；(3) 焊后CBN磨粒棱角损耗过度；(4) 以及焊后磨粒内部存在较大的残余热应力等。很明显，这些问题阻碍了单层钎焊CBN砂轮加工性能的进一步提高，以及 它在镍基高温合金、钛合金等难加工材料高效重负荷磨削加工中的实际应用。 发明内容本发明的目的在于提供一种半固态连接制作高性能单层钎焊立方氮化硼砂 轮的方法。本发明采用Ag-Cu-Ti合金作为钎焊立方氮化硼砂轮结合剂层的主要原料， 将与立方氮化硼(CBN)磨粒和Ag-Cu-Ti合金之间的化学反应产物成分相同的 粉末颗粒作为增强相添加入主要原料中，制作砂轮毛坯，再将成型毛坯放入真空 炉中在加热温度为卯0 94(TC、保温时间为5~20分钟的工艺下进行钎焊，使 Ag-Cu-Ti合金、CBN磨粒、增强颗粒之间发生化学反应，制作高性能单层钎焊 立方氮化硼砂轮。(1)向Ag-Cu-Ti合金中添加的增强相粉末颗粒为TiN，或TiN与TiB2的混
合物，其质量比例为4:1，或TiN、TiB2与TiB的三种混合物，其质量比例为5:4:1; 增强颗粒的质量总和占结合剂层总质量的5~15%;(2) 增强颗粒与Ag-Cu-Ti合金的混合物机械搅拌均匀；(3) 按砂轮金属基体/结合剂层材料/立方氮化硼磨粒顺序制作成型毛坯，其 中结合剂层材料为搅拌均匀的Ag-Cu-Ti合金与增强颗粒混合物；(4) 将毛坯放入真空炉中加热到900 94(TC，再保温5 20分钟，使立方氮 化硼磨粒和增强颗粒被液态Ag-Cu-Ti合金包覆并发生化学反应，制作髙性能单 层钎焊立方氮化硼砂轮。本发明的原理及优点如下向Ag-Cu-Ti合金中添加与界面反应生成物具有相同化学成分的Ti-N和Ti-B 类化合物微粒(如TiN， TiB和TiB2)，不仅可以借助引入微粒的强化效应提高 砂轮结合剂层的高温强度、硬度和耐磨性，而且还可以通过改变微粒的种类和含 量以抑制或促进部分界面反应，控制生成物的数量、形貌和分布状态，进一步改 善CBN磨粒与Ag-Cu-Ti合金界面的结合特性和微观过渡结构，从而达到主动调 控砂轮对CBN磨粒的把持强度、避免CBN磨粒棱角的过度损耗、提高砂轮锋 利度的优异效果。不仅如此，由于这些微粒的热膨胀系数介于磨粒和合金钎料之 间，因此引入这些微粒后，还能缓解Ag-Cu-Ti合金与CBN磨粒之间的热膨胀失 配，降低钎焊磨粒的残余热应力，提高接头强度，从而制作出适用于镍基合金、 钛合金等难加工材料高效重负荷磨削的高性能单层钎焊立方氮化硼砂轮。工艺路线(1) Ag-Cu-Ti合金与增强颗粒按指定的质量比例配料；(2)机 械搅拌均匀；(3)制作砂轮毛坯；(4)将制作好的毛坯放入真空炉中钎焊。
具体实施例方式实施例1实验所用Ag-Cu-Ti合金，其Ti含量为5%， Ag-Cu质量比例为72:28。砂轮 基体为45钢。增强颗粒为TiN粉末，其颗粒直径为4微米。Ag-Cu-Ti合金与TiN 颗粒共同组成砂轮结合剂层材料，其中TiN占结合剂层总质量的15%。将 Ag-Cu-Ti合金、TiN颗粒的混合物采用机械方法搅拌10分钟。按砂轮金属基体/ 结合剂层材料/CBN磨粒顺序制作砂轮成型毛坯，然后将毛坯放入真空炉中在加 热温度为940'C、保温时间为5分钟工艺下进行钎焊，再随炉冷却到室温后出炉。实施例2实验所用Ag-Cu-Ti合金，其Ti含量为5%， Ag-Cu质量比例为72:28。砂轮
基体为不锈钢1Crl8Ni9Ti。增强颗粒为TiN粉末，其颗粒直径为4微米。Ag-Cu-Ti 合金与TiN颗粒共同组成砂轮结合剂层材料，其中TiN占结合剂层总质量的5%。 将Ag-Cu-Ti合金、TiN颗粒的混合物采用机械方法搅拌10分钟。按砂轮金属基 体/结合剂层材料/CBN磨粒顺序制作砂轮成型毛坯，然后将毛坯放入真空炉中在 加热温度为90(TC、保温时间为20分钟工艺下进行钎焊，再随炉冷却到室温后 出炉。实施例3实验所用Ag-Cu-Ti合金，其Ti含量为5%， Ag-Cu质量比例为72:28。砂轮 基体为45钢。增强颗粒为TiN粉末，其颗粒直径为4微米。Ag-Cu-Ti合金与TiN 颗粒共同组成砂轮结合剂层材料，其中TiN占结合剂层总质量的10%。将 Ag-Cu-Ti合金、TiN颗粒的混合物采用机械方法搅拌10分钟。按砂轮金属基体/ 结合剂层材料/CBN磨粒顺序制作砂轮成型毛坯，然后将毛坯放入真空炉中在加 热温度为920°C、保温时间为15分钟工艺下进行钎焊，再随炉冷却到室温后出 炉。实施例4实验所用Ag-Cu-Ti合金，其Ti含量为5%， Ag-Cu质量比例为72:28。砂轮 基体为45钢。增强颗粒为TiN粉末与TiB2粉末的混合物(质量比例为4:1 )， TiN 颗粒直径为4微米，TiB2颗粒直径为4微米。Ag-Cu-Ti合金与两种增强颗粒的 混合物共同组成砂轮结合剂层材料，其中增强颗粒的质量总和占结合剂层总质量 的5%。将Ag-Cu-Ti合金、TiN颗粒与TiB2颗粒组成的混合物采用机械方法搅拌 10分钟。按砂轮金属基体/结合剂层材料/CBN磨粒顺序制作砂轮成型毛坯，然 后将毛坯放入真空炉中在加热温度为900°C、保温时间为20分钟工艺下进行钎 焊，再随炉冷却到室温后出炉。实施例5实验所用Ag-Cu-Ti合金，其Ti含量为5。/。， Ag-Cu质量比例为72:28。砂轮 基体为不锈钢1Crl8Ni9Ti。增强颗粒为TiN粉末与TiB2粉末的混合物(质量比 例为4:1)， TiN颗粒直径为4微米，TiB2颗粒直径为4微米。Ag-Cu-Ti合金与两 种增强颗粒的混合物共同组成砂轮结合剂层材料，其中增强颗粒的质量总和占结 合剂层总质量的10%。将Ag-Cu-Ti合金、TiN颗粒与TiB2颗粒组成的混合物采 用机械方法搅拌10分钟。按砂轮金属基体/结合剂层材料/CBN磨粒顺序制作砂 轮成型毛坯，然后将毛坯放入真空炉中在加热温度为920°C、保温时间为15分 钟工艺下进行钎焊，再随炉冷却到室温后出炉。
实施例6实验所用Ag-Cu-Ti合金，其Ti含量为5。/。， Ag-Cu质量比例为72:28。砂轮基体 为45钢。增强颗粒为TiN粉末与TiB2粉末的混合物(质量比例为4:1)， TiN颗 粒直径为4微米，TiB2颗粒直径为4微米。Ag-Cu-Ti合金与两种增强颗粒的混 合物共同组成砂轮结合剂层材料，其中增强颗粒的质量总和占结合剂层总质量的 15%。将Ag-Cu-Ti合金、TiN颗粒与TiB2颗粒组成的混合物采用机械方法搅拌 IO分钟。按砂轮金属基体/结合剂层材料/CBN磨粒顺序制作砂轮成型毛坯，然 后将毛坯放入真空炉中在加热温度为94(TC、保温时间为5分钟工艺下进行钎 焊，再随炉冷却到室温后出炉。 实施例7实验所用Ag-Cu-Ti合金，其Ti含量为5%， Ag-Cu质量比例为72:28。砂轮 基体为不锈钢1Crl8Ni9Ti。增强颗粒为TiN、 TiB2与TiB三种粉末的混合物(质 量比例为5:4:1)， TiN颗粒直径为4微米，TiB2颗粒直径为4微米，TiB颗粒直 径为4微米。Ag-Cu-Ti合金与三种增强颗粒的混合物共同组成砂轮结合剂层材 料，其中增强颗粒的质量总和占结合剂层总质量的5%。将Ag-Cu-Ti合金、TiN 颗粒、TiB2颗粒、TiB颗粒组成的混合物采用机械方法搅拌IO分钟。按砂轮金 属基体/结合剂层材料/CBN磨粒顺序制作砂轮成型毛坯，然后将毛坯放入真空炉 中在加热温度为900°C、保温时岡为15分钟工艺下进行钎焊，再随炉冷却到室 温后出炉。实施例8实验所用Ag-Cu-Ti合金，其Ti含量为5。/。， Ag-Cu质量比例为72:28。砂轮 基体为45钢。增强颗粒为TiN、TiB2与TiB三种粉末的混合物(质量比例为5:4:1 )， TiN颗粒直径为4微米,TiB2颗粒直径为4微米，TiB颗粒直径为4微米。Ag-Cu-Ti 合金与三种增强颗粒的混合物共同组成砂轮结合剂层材料，其中增强颗粒的质量 总和占结合剂层总质量的10%。将Ag-Cu-Ti合金、TiN颗粒、TiB2颗粒、TiB 颗粒组成的混合物采用机械方法搅拌10分钟。按砂轮金属基体/结合剂层材料 /CBN磨粒顺序制作砂轮成型毛坯，然后将毛坯放入真空炉中在加热温度为 920°C、保温时间为IO分钟工艺下进行钎焊，再随炉冷却到室温后出炉。实施例9实验所用Ag-Cu-Ti合金，其Ti含量为5%， Ag-Cu质量比例为72:28。砂轮 基体为不锈钢1Crl8Ni9Ti。增强颗粒为TiN、 TiB2与TiB三种粉末的混合物(质
量比例为5:4:1)， TiN颗粒直径为4微米，TiB2颗粒直径为4微米，TiB颗粒直 径为4微米。Ag-Cu-Ti合金与三种增强颗粒的混合物共同组成砂轮结合剂层材 料，其中增强颗粒的质量总和占结合剂层总质量的15%。将Ag-Cu-Ti'合金、TiN 颗粒、TiB2颗粒、TiB颗粒组成的混合物采用机械方法搅拌IO分钟。按砂轮金 属基体/结合剂层材料/CBN磨粒顺序制作砂轮成型毛坯，然后将毛坯放入真空炉 中在加热温度为940'C、保温时间为5分钟工艺下进行钎焊，再随炉冷却到室温 后出炉。
权利要求
1.一种半固态连接制作高性能单层钎焊立方氮化硼砂轮的方法，其特征在于(1)以Ag-Cu-Ti合金作为砂轮结合剂层的主要原料，在制作过程中向Ag-Cu-Ti合金中添加增强颗粒以共同形成结合剂层；增强颗粒的成分为TiN，或TiN与TiB2的混合物，其质量比例为4∶1，或TiN、TiB2与TiB的三种物质的混合物，其质量比例为5∶4∶1；增强颗粒的质量总和占结合剂层总质量的5～15％；(2)将Ag-Cu-Ti合金与添加的增强颗粒组成的混合物机械搅拌均匀；(3)按砂轮金属基体/结合剂层材料/立方氮化硼磨粒顺序制作成型毛坯；(4)将毛坯放入真空炉中加热到900～940℃，再保温5～20分钟，使立方氮化硼磨粒和增强颗粒被液态Ag-Cu-Ti合金包覆并发生化学反应，制作高性能单层钎焊立方氮化硼砂轮。
2. 根据权利要求1所述的半固态连接制作高性能单层钎焊立方氮化硼砂轮的方 法，其特征在于，所述的结合剂层材料为搅拌均匀的Ag-Cu-Ti合金与增强颗粒 混合物。
全文摘要
一种半固态连接制作高性能单层钎焊立方氮化硼砂轮的方法，属于超硬磨料工具制作领域。它是以Ag-Cu-Ti合金作为连接立方氮化硼磨粒与砂轮金属基体的结合层主要原料，再向Ag-Cu-Ti合金中添加TiN、TiB和TiB<sub>2</sub>颗粒，然后放入真空炉内加热到900～940℃，再保温5～20分钟，使CBN磨粒、TiN、TiB、TiB<sub>2</sub>颗粒被液态Ag-Cu-Ti合金包覆而发生化学反应，制作出高性能单层钎焊立方氮化硼砂轮。
文档编号B24D3/10GK101148036SQ20071013518
公开日2008年3月26日 申请日期2007年11月7日 优先权日2007年11月7日
发明者丁文锋, 傅玉灿, 徐九华, 冰 肖, 苏宏华 申请人:南京航空航天大学