一种钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料的制备方法

本发明涉及磨料制造技术领域，具体是一种钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料的制备方法。

金刚石、立方氮化硼具有高硬度和高耐磨性，被作为超硬磨料广泛应用于磨具制造领域。随着高速高效磨削加工技术的广泛应用，砂轮的结构形式已经发生了很大变化。将超硬磨料与结合剂制成节块或大颗粒磨料，得到复合结构磨具是当前磨具发展的一个重要方向。

陶瓷结合剂具有自锐性好、热变形小、耐高温和可在腐蚀性环境下工作等优势，可有效降低磨削热与磨削力得到表面质量好的加工表面。因此陶瓷结合剂具备实现高效磨削加工的潜质，然而自身强度不高，限制了其进一步发展。金属结合剂具有强韧性好、耐用度好等优点。目前，将陶瓷结合剂与金属结合剂结合而成的复合型陶瓷-金属结合剂是大多数研究者的研究方向。然而，实际加工过程中载荷的冲击将导致超硬磨料剥落和磨料碎裂问题仍未解决。因此，为陶瓷结合剂超硬磨料自身强度，以适应高速高效加工的要求，特提出本发明。

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料的制备方法，具体技术方案如下：

一种钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将陶瓷结合剂原料混合后球磨4～8h、过筛；

(2)将步骤(1)过筛所得原料置于电阻炉中，熔炼温度为1200～1500℃，保温1～3h后，经过水淬、破碎、研磨、过筛，得基础陶瓷结合剂；

(3)钎料合金原料混合后球磨4～8h、过筛，得钎料合金；

(4)在步骤(2)中的基础陶瓷结合剂中，外加1～10％步骤(3)中的钎料合金，经球磨、过筛后得本发明的陶瓷结合剂；

(5)将陶瓷结合剂、超硬磨料和临时结合剂混合，在100～200MPa压力下干压成毛坯；

(6之1)将步骤(5)中的毛坯置于50～300℃温度下烘干，得到规定形状的陶瓷结合剂超硬磨料，得本发明的陶瓷结合剂超硬磨料；

(6之2)将步骤(5)中的毛坯置于50～300℃温度下烘干后破碎、过筛，得到随机形状的陶瓷结合剂超硬磨料，得本发明的陶瓷结合剂超硬磨料；

(7)将步骤(6)的陶瓷结合剂超硬磨料，与钎料合金和临时结合剂的混合物混合均匀后取出，得到未烧毛坯；

(8)将步骤(7)的未烧毛坯置于高温烧结炉中，烧结温度750～950℃，保温时间1～2h，随炉冷却，得本发明钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料。

进一步的，所述陶瓷结合剂原料组分40～80wt％SiO2、5～20wt％Al2O3、10～40wt％B2O3、3～10wt％Na2O、3～10wt％K2O、3～10wt％Li2O、3～10wt％CeO2、3～10wt％ZrO2、3～10wt％ZnO、3～10wt％CaO、3～10wt％MgO、3～10wt％BaO、3～10wt％PbO、3～10wt％Sb2O3和3～10wt％P2O5中的一种或多种组合。

进一步的，所述的钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料的制备方法，其特征在于：钎料合金原料组分为50～90wt％Cu、10～40wt％Sn、10～40wt％Ti、1～10wt％Fe、1～10wt％Co、1～10wt％Ni和1～10wt％Cr的一种或多种组合。

进一步的，所述超硬磨料为金刚石、立方氮化硼之一或二者组合，单晶态、多晶态和聚晶态的一种或多种组合，粒径0.001～0.5mm。

进一步的，所述临时结合剂为液体树脂、液体石蜡、聚乙酸乙烯酯、过氯乙烯、聚异丁烯、聚乙烯醇中的一种或多种混合形式。

进一步的，所述步骤(1)、(3)中的球磨时间为4～6h。

进一步的，所述步骤(2)中的熔炼温度为1300～1400℃。

进一步的，所述步骤(4)中外加的钎料合金为基础陶瓷结合剂质量的2～5％。

进一步的，所述步骤(6)包括(6之1)与(6之1)的烘干温度为100～200℃。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

通过本发明制备的钎料合金将陶瓷结合剂超硬磨料整体包覆可使钎料合金沿陶瓷结合剂超硬磨料自身孔隙渗透，提高了磨料整体的强度，兼顾了陶瓷结合剂自锐性好的特点。可应用于粗磨、精磨和超精密磨削等各个磨削加工阶段的磨具制造，整体的制备工艺简单，操作方便和制备成本低的特点。

图1为本发明的钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料示意图；

图2为本发明磨削加工时的正视与俯视的示意图；

图3为本发明的两种磨具的材料去除率对比示意图；

图中：1-钎料合金，2-超硬磨料，3-陶瓷结合剂。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，超硬磨粒2与陶瓷结合剂3经烧结而成为陶瓷结合剂超硬磨料，钎料合金1将制得的磨料整体包覆，并通过焊接作用钎料合金2实现了与陶瓷结合剂超硬磨料的连接。

实施例1

一种钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料的制备方法，将SiO2、10wt％Al2O3、15wt％B2O3、7wt％Na2O、3wt％Li2O和3wt％ZnO混合球磨3h后过筛，在1200℃熔炼1h后水淬，经破碎、研磨、过筛后得基础陶瓷结合剂3。钎料合金1原料混合球磨2h后得钎料合金1，钎料合金1为Cu-20wt％Sn-15wt％Ti。在基础陶瓷结合剂3中，外加基础陶瓷结合剂3质量的3％的钎料合金1，球磨过筛后得陶瓷结合剂3。将陶瓷结合剂3、粒径为0.035mm的单晶态立方氮化硼和液体树脂混合放入规定形状的模具中，在100MPa压力下干压成毛坯，后在100℃下烘干得规定形状的陶瓷结合剂超硬磨料。将陶瓷结合剂超硬磨料，与钎料合金1和液体树脂的混合物搅拌均匀后取出，得到未烧毛坯。将未烧毛坯置于高温烧结炉中，烧结温度880℃，保温时间1h，随炉冷却，得钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料。

实施例2

一种钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料的制备方法，将SiO2、8wt％Al2O3、13wt％B2O3、5wt％Na2O、2wt％Li2O和2wt％ZnO混合球磨3h后过筛，在1300℃熔炼2h后水淬，经破碎、研磨、过筛后得基础陶瓷结合剂3。钎料合金1原料混合球磨2h后得钎料合金1，钎料合金1为Cu-25wt％Sn-15wt％Ti。在基础陶瓷结合剂3中，外加基础陶瓷结合剂3质量的3.5％的钎料合金1，球磨过筛后得陶瓷结合剂3。将陶瓷结合剂3、粒径为0.035mm的单晶态金刚石和液体树脂混合，放入磨具中，在150MPa压力下干压成毛坯，后在150℃下烘干后破碎、过筛得随机形状的陶瓷结合剂超硬磨料。将陶瓷结合剂超硬磨料，与钎料合金1和液体树脂的混合物搅拌均匀后取出，得到未烧毛坯。将未烧毛坯置于高温烧结炉中，烧结温度900℃，保温时间1h，随炉冷却，得钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料。

实施例3

一种钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料的制备方法，将SiO2、12wt％Al2O3、10wt％B2O3、8wt％Na2O、2wt％Li2O和2wt％MgO混合球磨6h后过筛，在1300℃熔炼2h后水淬，经破碎、研磨、过筛后得基础陶瓷结合剂3。钎料合金1原料混合球磨2h后得钎料合金1，钎料合金1为Cu-25wt％Sn-15wt％Ti。在基础陶瓷结合剂3中，外加基础陶瓷结合剂3质量的3％的钎料合金1，球磨过筛后得陶瓷结合剂3。将陶瓷结合剂3、粒径为0.035mm的单晶态金刚石与单晶态立方氮化硼的组合和液体树脂混合，放入规定形状的模具中，在200MPa压力下干压成毛坯，后在150℃下烘干得规定形状的陶瓷结合剂超硬磨料。将陶瓷结合剂超硬磨料，与钎料合金1和液体树脂的混合物搅拌均匀后取出，得到未烧毛坯。将未烧毛坯置于高温烧结炉中，烧结温度900℃，保温时间1h，随炉冷却，得钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料。

实施例4

一种钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料的制备方法，将SiO2、15wt％Al2O3、30wt％B2O3、5wt％Na2O、2wt％Li2O和2wt％MgO混合球磨6h后过筛，在1300℃熔炼2h后水淬，经破碎、研磨、过筛后得基础陶瓷结合剂3。钎料合金1原料混合球磨2h后得钎料合金1，钎料合金1为Cu-25wt％Sn-15wt％Ti。在基础陶瓷结合剂3中，外加基础陶瓷结合剂3质量的3％的钎料合金1，球磨过筛后得陶瓷结合剂3。将陶瓷结合剂3、粒径为0.035mm的单晶态金刚石与单晶态立方氮化硼的组合和液体树脂混合，放入规定形状的模具中，在200MPa压力下干压成毛坯，后在150℃下烘干得规定形状的陶瓷结合剂超硬磨料。将陶瓷结合剂超硬磨料，与钎料合金1和液体树脂的混合物搅拌均匀后取出，得到未烧毛坯。将未烧毛坯置于高温烧结炉中，烧结温度900℃，保温时间1h，随炉冷却，得钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料。

本发明制备的钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料，由于在陶瓷结合剂3外包覆了钎料合金1，使得钎料合金1在高温环境下实现了与陶瓷结合剂超硬磨料之间的冶金结合，钎料合金1包覆及其渗入陶瓷结合剂超硬磨料之中，形成的梯度分布都提高了陶瓷结合剂超硬磨料的强度。

本发明所制备的钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料可用于荒磨、粗磨、精密和超精密磨削磨具的制备。

采用本发明制备的钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料节块性能试验如下：

试验条件与方法：

试验平台：超硬磨料2节块的磨抛性能试验采用自行搭建的磨抛加工试验平台，主要由固定平台、节块夹具和磨削设备等三部分组成。通过固定在工作台上的角磨机提供工件转速，再通过节块夹具上的杠杆施加压力。

表1磨抛平台参数

表2 65Mn钢主要性能

表3博世GWS7-125型角磨机参数

陶瓷金属超硬磨料2节块磨抛时磨粒刃口的运动与切削刃的刨削过程类似，可以当作若干切削刃对工件的微切削。超硬磨料2节块上磨粒形状随机分布，刃口位置及角度各有不同。在磨削刃与磨粒相对运动方向垂直时，磨削过程能够当作是正交切削过程；在磨削刃与磨粒相对运动方向呈一定夹角时，磨削过程能够当作斜角切削过程。在磨削刃和磨粒相对运动方向一致时，刃口只在工件表面滑擦，并没有实际切屑生成。所以单颗粒磨粒能够当作多刃刀具，磨粒的磨削能够当作微观状态的非自由切削，磨粒的主切削刃和副切削刃等若干条刀刃都参与了切削，这些刀刃交接处切下的磨屑互相影响，发生在三维空间内的磨屑变形更为复杂。因为磨粒的磨抛工作状态具有随机性并且不易控制，所以在分析磨粒磨削过程的时候能够将其看作一个灰系统，也就是不考虑其复杂的运动方式和运动状态，根据磨粒综合运动结果来分析节块的性能。其评价指标有：单位时间内材料去除量、磨屑状态、工件表面质量等。本专利主要进行磨削效率的试验，即材料去除率。

以单位时间内材料去除率来衡量陶瓷金属超硬磨料2节块与树脂砂轮的磨抛效率，同样的时间段，去除工件材料质量越大，则对应的磨抛效率就越高。材料去除率Q计算公式如(1)所示：

Q＝(Q_2-Q_1)/T (1)

其中，Q_1-单个测试阶段开始的时工件质量，g；

Q_2-单个测试阶段完成后工件质量，g；

T-单个测试阶段用时，min。

试验过程中，单个测试时间段为1min，在单个测试阶段开始前使用精密电子天平称量工件的初始质量，等到单个测试阶段完成后再次称量工件质量，记录每组数据后按照公式1分别计算出陶瓷金属超硬磨料2节块和树脂锆刚玉节块的材料去除率。图3是本试验中两种磨具的材料去除率，从图3中能够看出，陶瓷金属超硬磨料2节块的材料去除率明显高于树脂锆刚玉节块，陶瓷金属超硬磨料2节块的材料去除率约为树脂锆刚玉节块的2倍。表明本发明钎料合金包覆陶瓷结合剂超硬磨料节块的磨削效率明显优于市场的主流产品树脂锆刚玉节块。

以上描述了本发明的基本原理和主要特征，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。