一种Ti3AlC2基陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具及制作方法

摘要

一种Ti3AlC2基陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具的制作方法，采用单质的Ti粉、Al粉、C粉为结合剂原料和立方氮化硼磨料混合后，利用热源引燃，依靠自蔓延烧结而成Ti3AlC2为主相的陶瓷和立方氮化硼的复合体。Ti3AlC2结合剂密度较低和熔点高，具有良好的导电和导热性，优良的抗氧化性和抗热震性，会与立方氮化硼部分发生反应，生成氮化物和硼化物过渡层，从而使结合剂与立方氮化硼间具有良好的化学键结合，提高对磨料的把持力。采用自蔓延烧结制备方法，实现快速烧结，可以有效地提高制备效率，降低能耗。

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具的制备技术，尤其涉及Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具的自蔓延烧结制备方法。

背景技术

陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具是目前发展比较迅速一种超硬材料磨具，具有高强度，耐热性能好，切削锋利，磨削效率高，磨削过程中不易发热和堵塞，热膨胀量小等优点。

目前常用陶瓷结合剂具有如下一些缺点：(1)由于生产超硬材料磨具用低温结合剂，为降低耐火度，结合剂引入大量碱性物料，这样得到低温陶瓷结合剂，其各项性能不易控制，例如耐火度、低热膨胀系数、强度等：(2)生产制造时，结合剂对立方氮化硼磨粒润湿粘结能力差，降低了结合剂对磨粒结合强度，磨具磨削加工时，磨粒脱落快，磨耗大：(3)磨削加工时，由于陶瓷脆性大，砂轮的抗冲击能力、抗疲劳性能都很差，在使用过程中容易发生脆裂现象，从而影响磨具磨削特性，而且陶瓷导热性能差，磨削区域局部温度高，使磨粒容易热损耗，也会影响磨具磨削特性。

现有的陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具磨削层制备方法通常都是冷压以后，高温烧结而成的，需要长时间的加热，生产效率低，能耗高。

传统的陶瓷结合剂特点和制备方法都限制了陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具的使用。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题在于克服现有陶瓷结合剂的缺点，提出一种新的Ti₃AlC₂陶瓷结合剂和该陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具的自蔓延烧结制作方法。

为了解决上述技术问题采用以下技术方案：一种Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具，所述的立方氮化硼磨削工具的结合剂为Ti₃Al₂基陶瓷。

一种Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具的制作方法，采用单质的Ti粉、Al粉、C粉为结合剂原料和立方氮化硼磨料混合后，利用热源引燃，依靠自蔓延烧结而成Ti₃AlC₂为主相的陶瓷和立方氮化硼的复合体。

其具体方法如下：

(1)选用粒度为200～400目的Ti粉、200～400目的Al粉和200～400目的C粉，按摩尔比Ti∶Al∶C＝2.9～3.1∶0.95～1.05∶1.9～2.1的比例称取，在球磨机中充分球磨混合，得到混合均匀的粉料；

(2)将步骤1所得粉料和立方氮化硼磨料混合，得到混合料；

(3)将步骤2所得混合料利用金属模具冷压成所需磨具形状，得到冷压压坯；

(4)将步骤3所得冷压压坯利用等离子弧点燃装置引燃或装在石墨模具中在放电等离子热压烧结机中引燃，冷压压坯发生自蔓延烧结反应，得到以Ti₃AlC₂为主相的陶瓷和立方氮化硼的复合体；

(5)将步骤4所得复合体修整或组合，得到Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具。

本发明中Ti₃AlC₂结合剂密度较低和熔点高，具有良好的导电和导热性，优良的抗氧化性和抗热震性，具有可加工性，相比传统的氧化物陶瓷结合剂，具有优良的抗热冲击性、高耐火度、高断裂韧性和高强度等，而且原料中的元素，会与立方氮化硼部分发生反应，生成氮化物和硼化物过渡层，从而使结合剂与立方氮化硼间具有良好的化学键结合，提高对磨料的把持力。本发明针对Ti₃AlC₂结合剂立方氮化硼磨削工具采用自蔓延烧结制备方法，实现快速烧结，可以有效地提高制备效率，降低能耗。

Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具采用自蔓延烧结制备的原理为：一定化学计量比的Ti粉、Al粉和C粉混合物，在一定温度下可以被等离子弧或其他热源引燃，反应可以生成Ti₃AlC₂，反应释放的热量可以促使试样整体反应快速进行，发生自蔓延反应。期间，Ti粉、Al粉也可以与立方氮化硼起反应，在立方氮化硼表面生成Ti₂N₂、Ti₃N₄、AlB₂、AlN等化合物作为过渡层，从而使结合剂与立方氮化硼间具有良好的化学键结合，提高对磨料的把持力。得到一定形状的Ti₃AlC₂和立方氮化硼复合体。

具体实施方式

实施例1：一种Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具，所述的立方氮化硼磨削工具的结合剂为Ti₃AlC₂基陶瓷。其制作方法为：采用单质的Ti粉、Al粉、C粉为结合剂原料和立方氮化硼磨料混合后，利用热源引燃，依靠自蔓延烧结而成Ti₃AlC₂为主相的陶瓷和立方氮化硼的复合体。

Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具采用自蔓延烧结制备的原理为：一定化学计量比的Ti粉、Al粉和C粉混合物，在一定温度下可以被等离子弧或其他热源引燃，反应可以生成Ti₃AlC₂，反应释放的热量可以促使试样整体反应快速进行，发生自蔓延反应。期间，Ti粉、Al粉也可以与立方氮化硼起反应，在立方氮化硼表面生成Ti₂N₂、Ti₃N₄、AlB₂、AlN等化合物作为过渡层，从而使结合剂与立方氮化硼间具有良好的化学键结合，提高对磨料的把持力。得到一定形状的Ti₃AlC₂和立方氮化硼复合体。

实施例2：一种Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具的制作方法，其

具体方法如下：

(1)选用粒度为200～400目的Ti粉、200～400目的Al粉和200～400目的C粉，按摩尔比Ti∶Al∶C＝2.9～3.1∶0.95～1.05∶1.9～2.1的比例称取，在球磨机中充分球磨混合，得到混合均匀的粉料；

(2)将步骤1所得粉料和立方氮化硼磨料混合，得到混合料；

(3)将步骤2所得混合料利用金属模具冷压成所需磨具形状，得到冷压压坯；

(4)将步骤3所得冷压压坯利用等离子弧点燃装置引燃或装在石墨模具中在放电等离子热压烧结机中引燃，冷压压坯发生自蔓延烧结反应，得到以Ti₃AlC₂为主相的陶瓷和立方氮化硼的复合体；

(5)将步骤4所得复合体修整或组合，得到Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼磨削工具。

利用上述方法制造的磨削工具中，立方氮化硼磨料的粒度、型号、浓度，根据加工对象的材质和加工要求选定。

实施例3：一种Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼磨头的制作方法，其具体方法如下：

(1)选用粒度为300目的Ti粉、Al粉和C粉，按摩尔比3∶1∶2的比例称取，在行星式球磨机中球磨8小时，得到混合均匀的粉料；

(2)将步骤1所得粉料和粒度为140/170立方氮化硼磨料按立方氮化硼浓度60％(每1立方厘米坯体中立方氮化硼含量为4.4克拉为浓度100％)充分混合；

(3)将步骤2所得混合料利用金属模具冷压成直径30mm，长度为40mm的压坯；

(4)将步骤3所得冷压压坯利用等离子弧点燃装置引燃，压坯发生自蔓延反应，得到Ti₃AlC₂为主相的陶瓷和立方氮化硼磨料的复合体；

(5)将步骤4所得复合体修圆，得到Ti₃AlC₂基陶瓷陶瓷结合剂立方氮化硼磨头。

实施例4：一种Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮的制作方法，其具体方法如下：

(1)选用粒度为300目的Ti粉、Al粉和C粉，按摩尔比3∶1∶2的比例称取，在行星式球磨机中球磨8小时，得到混合均匀的粉料；

(2)将步骤1所得粉料和粒度为100/120立方氮化硼磨料按立方氮化硼浓度50％(每1立方厘米坯体中立方氮化硼含量为4.4克拉为浓度100％)充分混合；

(3)将步骤2所得混合料利用金属模具冷压成外圆直径100mm，内圆直径23mm，厚度12mm的压坯；

(4)将步骤3所得冷压压坯装在石墨模具中，在放电等离子烧结压机中利用放电等离子引燃，压坯发生自蔓延反应，得到Ti₃AlC₂为主相的陶瓷和立方氮化硼磨料的复合体；

(5)将步骤4所得复合体修整，得到Ti₃AlC₂基陶瓷陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮。

实施例5：一种Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼珩磨油石的制作方法，其具体方法如下：

(1)选用粒度为300目的Ti粉、Al粉和C粉，按摩尔比3∶1∶2的比例称取，在行星式球磨机中球磨8小时，得到混合均匀的粉料；

(2)将步骤1所得粉料和粒度为325/400立方氮化硼磨料按立方氮化硼浓度80％(每1立方厘米坯体中立方氮化硼含量为4.4克拉为浓度100％)充分混合；

(3)将步骤2所得混合料利用金属模具冷压成60×10×10的压坯；

(4)将步骤3所得冷压压坯利用等离子弧点燃装置引燃，压坯发生自蔓延反应，得到Ti₃AlC₂为主相的陶瓷和立方氮化硼磨料的复合体；

(5)将步骤4所得复合体修整，得到Ti₃AlC₂基陶瓷陶瓷结合剂立方氮化硼珩磨油石。

实施例6：一种Ti₃AlC₂基陶瓷结合剂立方氮化硼节块砂轮的制作方法，其具体方法如下：

(1)选用粒度为300目的Ti粉、Al粉和C粉，按摩尔比3∶1∶2的比例称取，在行星式球磨机中球磨8小时，得到混合均匀的粉料；

(2)将步骤1所得粉料和粒度为170/200立方氮化硼磨料按立方氮化硼浓度100％(每1立方厘米坯体中立方氮化硼含量为4.4克拉为浓度100％)充分混合；

(3)将步骤2所得混合料利用金属模具冷压成外圆半径为400mm，内圆半径为380mm，高25mm，宽40mm的冷压节块

(4)将步骤3所得冷压压坯利用等离子弧点燃装置引燃，压坯发生自蔓延反应，得到Ti₃AlC₂为主相的陶瓷和立方氮化硼磨料的复合体；

(5)将步骤4所得复合体修整，组合胶粘于外径380mm，厚度25mm的铝基体上，得到Ti₃AlC₂基陶瓷陶瓷结合剂立方氮化硼节块砂轮。