一种多孔自锐钎焊金刚石砂轮的制备及其磨粒磨损匹配方法组成比例

本发明专利技术公开一种多孔自锐钎焊金刚石砂轮的制备及其磨粒磨损匹配方法，首先通过单颗磨粒磨削实验检测破损40％～45％具有切削性能的磨粒、破损50％～55％失去切削能力的磨粒的磨削力和出刃高度，从而获得磨粒的外作用力力矩和弯曲应力。然后将金刚石磨粒、CuSn粉末、TiH

【技术实现步骤摘要】
一种多孔自锐钎焊金刚石砂轮的制备及其磨粒磨损匹配方法
本专利技术涉及先进制造领域中的新型磨具制备技术，具体涉及一种多孔自锐钎焊金刚石砂轮的制备及其磨粒磨损匹配方法。
技术介绍
为了克服单层钎焊超硬磨粒砂轮工作层的磨粒只有一层，磨粒耗损后砂轮失效，使用寿命有限的不足，一些学者以液相烧结工艺为基础，借鉴钎焊原理制作了多层钎焊超硬磨粒砂轮，多层钎焊砂轮的加工效率和使用寿命均高于传统磨削砂轮。但目前开发的多层钎焊砂轮也存在如下问题：钎焊工艺的引入使得磨料磨损失去切削能力后很难及时脱落，磨钝的磨粒会引起磨削力和磨削温度的增大，从而影响加工表面质量；同时砂轮下层磨粒的出露更新困难，自锐性差。对此，可以通过引入造孔剂提高砂轮结合剂材料的孔隙率，有效提高砂轮的散热能力和容屑空间；且孔隙结构能促使结合剂对磨粒的把持强度降低，便于磨损磨粒的脱落。目前，造孔技术多用于普通金属结合剂砂轮，但在钎焊砂轮中的使用报道不多。一般而言，使用的造孔剂主要包括两类：自身具有孔隙结构的物质(如陶瓷空心球等)和能分解为气体的物质(如碳酸氢铵等)等。陶瓷空心球添加到砂轮结合剂材料中可提高其孔隙率，但其破碎后形成的碎块可能会刮伤加工表面，引起加工质量的降低；而碳酸氢铵等易分解物质一般热分解温度较低(通常在200℃以下)，分解产生的孔隙在后续高温烧结中随着砂轮基体材料的致密化而不断消减，明显影响造孔效率。此外，现在的研究还很少涉及到磨粒磨损匹配方面的内容，即锋利的磨粒没充分利用，而磨损严重的磨粒没能及时脱落的现象常存在于砂轮的磨削过程中，这对磨粒的利用率和加工效果均有影响。因此，如何有效实现磨粒的磨损匹配，也就是说在磨粒较锋利的时候，希望磨粒的把持强度能抵抗外作用力的冲击，磨粒不会过早脱落；但当磨粒磨损严重，外作用力增大到一定程度时，磨损磨粒能顺利脱落，以保证砂轮的锋利性和容屑空间是值得研究的内容。对此，本专利技术通过在CuSn粉末中添加TiH2粉末和氧化处理的TiH2粉末作为造孔剂以制备出多孔钎焊砂轮。其中，氧化处理后的TiH2粉末表面氧化层使得其热分解温度升高，其热分解产生的孔隙在后续烧结致密过程中收缩相对较小，造孔效率高；且TiH2粉末热分解后产生的钛元素又与金刚石磨粒产生化学冶金反应，提高金刚石的润湿性和把持强度。即氧化处理的TiH2粉末在钎焊砂轮制备过程中起到了造孔和把持磨粒的双重作用，且其材料成本低。此外，本专利技术还通过开展不同磨损状态下单颗磨粒的磨削实验，分析出不同磨损状态的磨粒的外作用力和弯曲应力，并通过调整造孔剂的含量以调节磨粒的把持强度，使得磨粒把持强度大于具有切削能力磨粒(破损40％～45％)的外作用应力值，而小于磨损严重磨粒(破损50％～55％)的外作用应力值，从而实现锋利磨粒能充分利用，而磨损磨粒能及时脱落得目的，实现钎焊砂轮自锐的效果，其具有广阔的市场空间和应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多孔自锐钎焊金刚石砂轮的制备及其磨粒磨损匹配方法，确保锋利磨粒的充分利用和磨损磨粒的及时脱落，从而实现钎焊砂轮自锐的效果。一种多孔自锐钎焊金刚石砂轮的制备及其磨粒磨损匹配方法，将CuSn粉末、TiH2粉末、氧化处理后的TiH2粉末混合而成的钎料粉末与金刚石磨粒均匀混合，利用模压成形和真空钎焊制备出金刚石节块，通过控制氧化处理后的TiH2粉末在钎料粉末中的质量百分比为0.5％～15％最终制备出多孔自锐钎焊金刚石砂轮，使得砂轮基体材料中的单颗磨粒的平均把持强度大于具有切削能力的磨粒即破损40％～45％时的外作用应力值，并小于磨损严重磨粒即破损50％～55％时的外作用应力值，实现锋利磨粒充分利用和磨损磨粒及时脱落。进一步地，单颗磨粒的平均把持强度的分析方法为：利用三点抗弯强度对包含金刚石磨粒和不包含金刚石磨粒的钎焊试件进行抗弯强度测量，得到测量值M抗弯和M’抗弯。利用超景深显微镜对两种钎焊件的断面进行观测得到显微照片，采用数字图像处理技术对其进行边缘检测、轮廓提取，获得钎焊件的有效磨粒数N、两种钎焊件钎料金属所占的面积S和S’，则单颗磨粒的平均把持强度抗弯强度值与孔隙率大小具有相关性，即改变孔隙率大小，就会改变钎料金属层在钎焊件中的所占面积，可通过TiH2粉末含量的控制而调剂孔隙率大小，进而调节钎焊件的抗弯强度和单颗磨粒的平均把持强度即单颗磨粒把持强度，使单颗磨粒的平均把持强度介于具有切削能力的磨粒即破损40％～45％所需把持强度和磨损严重磨粒即破损50％～55％所需把持强度之间，达到磨粒磨损匹配的效果。进一步地，单颗磨粒的平均把持强度通过单颗磨粒磨削实验分析确定；砂轮磨削过程中，工作面上的磨粒会随着磨削加工的持续破碎，当磨粒磨损至50％～55％，磨粒已严重磨损，应及时脱落以避免磨损磨粒对加工表面产生划伤；本专利技术通过采用三维视频显微镜在线观测和选取磨粒破损40％～45％、破损50％～55％左右的磨粒进行单颗磨粒磨削实验，并检测其磨削力和出刃高度；图1为磨粒破损40％～45％时磨粒的示意图，通过三维视频显微镜可以检测出磨粒的出刃高度为h1,压电晶体测力仪检测出磨粒所受的外作用力F1，而磨粒大多呈正八面体或正十二体，分析时多简化为球体处理，则磨粒的截面系数Wz＝πd3/32，其中d为金刚石的粒径，则磨粒在外作用下产生的应力值而此时的磨粒还具有切削能力，希望钎料层对磨粒的把持强度M把持大于σ1，使得磨粒不至于提前脱落；图2为磨粒破损达到50％～55％时磨粒的示意图，通过三维视频显微镜可以检测出磨粒的出刃高度为h2,压电晶体测力仪检测出磨粒所受外作用力F2，则磨损磨粒在外作用下产生的应力值而此时的磨粒已严重磨损失去切削能力，则希望钎料层对该磨粒的把持强度M把持小于σ2，使得磨粒能顺利脱落。因此，控制M把持介于σ1和σ2之间，能够实现良好的匹配，从而确保锋利磨粒的充分利用和磨损磨粒的及时脱落。进一步地，钎料粉末中，各物质的质量占比为CuSn粉末75％～85％，TiH2粉末5％～15％，氧化处理后的TiH2粉末0.5％～15％；优选地，氧化处理后的TiH2粉末5％～15％；更优选为6％～14％，更优选为8％～12％。进一步地，TiH2粉末的氧化处理工艺为：以3～5℃/min的升温速度从室温升至350～400℃保温3～6小时，再以1～3℃/min的升温速度升至380～420℃保温0.5～1.5小时以增加氧化膜的厚度和均匀性，其后随炉冷却至室温。进一步地，混合钎料与金刚石磨粒的体积比为1～1.5:1。更具体地，本专利技术的制备方法：将质量分数为75％～85％的Cu-10Sn粉末、5％～15％的TiH2粉末、0.5％～15％氧化处理后的TiH2粉末混合得到混合钎料，然后按混合钎料与金刚石磨粒1～1.5:1的体积比加入金刚石磨粒，进行机械球磨化处理得到喂料。Cu-10Sn粉末的初始颗粒大小为300目，纯度>99.5％；TiH2粉末的初始颗粒大小为400目，纯度>99.9％。其中TiH2粉末的氧化处理工艺为：以5℃/min的升温速度从室温升至380℃保温5小时，再以3℃/min的升温速度升至420℃保温1小时以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔自锐钎焊金刚石砂轮的制备及其磨粒磨损匹配方法，其特征在于，将CuSn粉末、TiH

【技术特征摘要】
1.一种多孔自锐钎焊金刚石砂轮的制备及其磨粒磨损匹配方法，其特征在于，将CuSn粉末、TiH2粉末、氧化处理后的TiH2粉末混合而成的钎料粉末与金刚石磨粒均匀混合，利用模压成形和真空钎焊制备出金刚石节块，通过控制氧化处理后的TiH2粉末的质量百分比为0.5％～15％最终制备出多孔自锐钎焊金刚石砂轮，使得砂轮基体材料中的单颗磨粒的平均把持强度大于具有切削能力的磨粒即破损40％～45％时的外作用产生的应力，并小于磨损严重磨粒即破损50％～55％时的外作用力产生的应力，实现锋利磨粒充分利用和磨损磨粒及时脱落，实现钎焊砂轮的自锐。


2.根据权利要求1所述的多孔自锐钎焊金刚石砂轮的制备及其磨粒磨损匹配方法，其特征在于，单颗磨粒的平均把持强度的分析方法为：利用三点抗弯强度对包含金刚石磨粒和不包含金刚石磨粒的钎焊试件进行抗弯强度测量，得到测量值M抗弯和M’抗弯；利用超景深显微镜对两种钎焊件的断面进行观测得到显微照片，采用数字图像处理技术对其进行边缘检测、轮廓提取，获得钎焊件的有效磨粒数N、两种钎焊件钎料金属的面积S和S’，则单颗磨粒的平均把持强度抗弯强度值与孔隙率大小具有相关性，即改变孔隙率大小，就会改变钎料金属层在钎焊件中的所占面积，从而能通过TiH2粉末含量的控制而调节孔隙率大小，进而调节钎焊件的抗弯强度和单颗磨粒的平均把持强度，使单颗磨粒的平均把持强度介于具有切削能力的磨粒即破损40％～45％所需把持强度和磨损严重磨粒即破损50％～55％所需把持强度之间，达到磨粒磨损匹配的效果。


3.根据权利要求1所述的多孔自锐钎焊金刚石砂轮的制备及其磨粒磨损匹配方法，其特征在于，单颗磨粒的平均把持强度通过单颗磨粒磨削实验分析确定；砂轮磨削过程中，工作面上的磨粒会随着磨削加工的持续破碎，当磨粒磨损至50％～55％，磨粒已严重磨损，应及时脱落以避免磨损磨粒对加工表面产生划伤；采用三维视频显微镜在线观测和选取磨粒破损40％～45％、破损50％～55％左右的磨粒进行单颗磨粒磨削实验，并检测其磨削力和出刃高度；磨粒破损40％～45％时，通过三维视频显微镜检测出磨粒的出刃高度为h1,压电晶体测力仪检测出磨粒所受的外作用力F1，磨粒简化为球体处理，则磨粒的截面系数Wz＝πd3/32，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍俏平，毛国安，宋琨，侯志泉，段良辉，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43