一种刃磨单晶金刚石刀具的砂轮制作方法

摘要

本发明一种刃磨单晶金刚石刀具的砂轮制作方法属于粉末冶金技术领域，特别涉及到一种刃磨单晶金刚石刀具的砂轮制作方法。砂轮制作方法是选择Mo，W，Cr三种粉末作为砂轮原料，采用高能球磨机球磨和等离子烧结制成钨基合金砂轮盘。具体制作步骤为先确定砂轮的成分配比，再通过机械合金化方法制备合金粉末，利用放电等离子烧结制作合金砂轮盘，对合金砂轮盘进行修整。本发明结合高速摩擦抛光技术对砂轮盘材料的性能要求，发明的钨基合金砂轮盘高温强度高，抗氧化性好，耐磨损。在获得较高的磨削率的同时，又降低了砂轮磨损量，并且保证刀具的刃口质量，满足精密加工的要求，在化学催化加工金刚石方面具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及到一种刃磨单晶金刚石刀具 的砂轮制作方法。

背景技术

对于超精密切削加工工艺来说，要获得零件形状尺寸的高精度和加工 表面的超光滑，除了必须拥有超精密的机床、高分辨率的检测仪器和 超稳定的加工环境条件以外，还须具备进行切削加工的高精度金刚石 刀具。使用精密的单晶金刚石刀具加工有色金属和非金属，能够直接 切出超光滑的加工表面，这样就可以取代超精密磨削等精加工工序， 极大的提高加工效率，同时也可以保证加工精度和加工表面质量。因 此，对单晶金刚石刀具的制作，刃磨方法以及刃磨机理的研究，已经 受到了人们极大的关注。金刚石晶体的硬度大，耐磨性好，使得金刚 石成为理想的刀具材料，但同时也给单晶金刚石刀具的刃磨带来了极 大的困难。在刃磨过程中既要提高磨削率，又要保证刃口质量。摩擦 化学抛光是利用金刚石刀具表面与低碳钢或纯铁砂轮盘直接接触并作 高速的相对滑移，由此激发金刚石刀具表面碳原子层发生活化后形成 活化碳原子，活化碳原子扩散到砂轮盘中而达到刀具材料的去除。但 在实际加工过程中，由于加工温度很高，砂轮盘极易氧化，进而产生 较大磨损。同时要保证砂轮盘在高温下有较大的强度，防止产生较大 的变形影响金刚石刀具的加工精度。

目前，所使用的砂轮盘虽然可以获得一定的抛光效率， 但在催化性能、机械强度和抗氧化性等方面难以满足精密加工的要求 ，不仅对金刚石的去除率低，而且砂轮盘自身磨损严重。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种刃磨单晶 金刚石刀具的砂轮制作方法，结合高速摩擦抛光技术对砂轮盘材料的 性能要求，发明一种钨基合金砂轮盘。砂轮盘中的Mo-W-Cr合金具有很 高的熔点、高温强度和抗氧化性。同时，三种元素都是优异的催化金 刚石石墨化的金属元素，改善了现有的金刚石刃磨砂轮磨损快、不均 匀且磨削效率低的技术缺陷。在获得较高的磨削率的同时，又降低了 砂轮磨损量，并且保证刀具的刃口质量，满足精密加工的要求。

本发明的技术方案是：一种刃磨单晶金刚石刀具的砂轮制作方法，选 择Mo，W，Cr三种粉末作为砂轮原料，采用高能球磨机球磨和等离子烧 结制成钨基合金砂轮盘，具体制作步骤如下：

1) 确定砂轮的成分配比：采用Mo，W，Cr三种粉末，每种粉末纯度均 为99.9%，粒度均为-300目，按摩尔比确定8~10%的钼，88~91%的钨， 其余为铬，然后，进行配比并混合三种粉末；

2) 通过机械合金化方法制备合金粉末：将不锈钢球和混合粉末装入 真空球磨罐中，不锈钢球和混合粉末的质量比为10:1，添加球磨控制 剂正庚烷；为防止罐内粉末在球磨过程中氧化，充氩气的同时将罐内 空气排出，抽真空，重复2~3 次；进行预混合，转速为200r/min，在高能行星式球磨机上球磨2小时 ，预混合之后将转速调节到360r/min，再球磨96小时，最后将转速加 到480r/min，球磨2小时，球磨结束，完成合金粉末制备；

3) 利用放电等离子烧结制作合金砂轮盘：筛选粒径小于20μm的合金 粉，称量一定重量的合金粉末，放入放电等离子烧结设备的石墨模具 中，经预压后进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为10min，烧结 压力为50kN，真空度为15Pa，烧结后获得一定尺寸的砂轮盘；

4) 对合金砂轮盘进行修整：将烧结后的砂轮盘去除毛边，用高压空 气吹净，用修整器把两表面修整，编号后，用砂纸打磨；并在抛光机 上抛光，最后用去离子水清洗，并吹干，使砂轮表面清洁平整。

本发明效果和益处是：金刚石去除率高，砂轮磨损率低，可使金刚石 刀具表面粗糙度Ra达到几个纳米。采用高能球磨和等离子烧结制成的 钨基合金砂轮盘高温强度高，抗氧化性好，耐磨损，溶碳效果优异。

附图说明

图1是钼粉、钨粉、铬粉混合粉末球磨前的扫描电镜SEM照片。图2是钼 粉、钨粉、铬粉经过100小时球磨后完成预合金的扫描电镜SEM照片， 图3是Mo-W-Cr合金抛光盘金相组织显微照片。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。本发明从 过渡金属催化金刚石石墨化的机理出发，结 合高速摩擦抛光技术对砂轮盘材料的性能要求，发明了一种钨基合金 砂轮盘，选择Mo，W，Cr三种粉末作为砂轮原料，采用高能球磨机球磨 和等离子烧结制成钨基合金砂轮盘。

实施例1，一种刃磨单晶金刚石刀具的砂轮制作方法： 

1）确定砂轮的成分配比：采用Mo，W，Cr三种粉末，每种粉末纯度均 为99.9%，粒度均为-300目，按摩尔比8%:91%:1%，来称取4.37g的钼粉 、95.33g的钨粉、0.3g的铬粉，然后混合三种粉末，混合粉末的扫描 电镜图如图1所示。

2）通过机械合金化方法制备合金粉末：将不锈钢球和混合粉末装入真 空球磨罐中，不锈钢球和混合粉末的质量比为10:1，添加球磨控制剂 正庚烷；为防止罐内粉末在球磨过程中氧化，充氩气的同时将罐内空 气排出，抽真空，重复2~3次；进行预混合，转速为200r/min，在高能 行星式球磨机上球磨2小时，预混合之后将转速调节到360r/min，再球 磨96小时，最后将转速加到480r/min，球磨2小时，球磨结束，完成合 金粉末制备。如图2所示，颗粒均匀细小，平均尺寸30μm。

3）利用放电等离子烧结制作合金砂轮盘：筛选粒径小于20μm的合金 粉，称量70g的合金粉末，放入放电等离子烧结设备中直径为30mm的石 墨模具里，经预压后进行烧结，烧结温度900℃，保温时间为10min， 烧结压力50kN，真空度为15Pa，最终烧结出直径为30mm，厚度为5mm的 砂轮盘。砂轮盘致密度为99%，900℃时屈服强度700Mpa，室温硬度HR C90。

4）砂轮盘修整：将烧结后的砂轮盘用抛光机去除毛边，并用磨床修正 ，保证砂轮盘光滑平整。如图3所示，经长时间球磨后烧结的砂轮盘具 有致密的显微结构。

经高速摩擦抛光试验，采用本发明的钨基砂轮，金刚石去除率可达1. 5μm/min，砂轮磨损率约0.35mm³/min。与传统机械研磨相比，这种砂 轮刃磨单晶金刚石刀具更有效，刃磨过程更稳定，在化学催化加工金 刚石方面具有良好的应用前景。