漫渗燃烧Ti‑Al‑Cu‑Sn‑Ni微孔金刚石砂轮的制造方法

摘要

本发明一种漫渗燃烧Ti‑Al‑Cu‑Sn‑Ni微孔金刚石砂轮的制造方法：先将Al和Ti粉混合均匀，然后将金刚石粉和Ti、Al混合粉加入模具，保证金刚石颗粒优先与Ti、Al混合粉接触。添加Cu、Sn、Ni粉，搅拌均匀。按成型密度90%~93%冷压成型，保证一定的气孔率。冷压成型后，金刚石颗粒周围包裹着一些Ti、Al混合粉，外层是浸提材料Cu‑Sn‑Ni混合粉。真空热压烧结时，金刚石颗粒表面碳原子与金属Ti漫渗反应生成TiC层，Ti与Al漫渗反应生成TiAl合金层。多余的金属Al融化，将Cu、Sn、Ni金属和TiAl金属间化合物粘结在一起，形成Cu‑Sn‑Ni‑Al基体层，并由于液体张力在金刚石颗粒间形成微气孔。由于TiC和TiAl的生成，实现了金刚石与Cu、Sn、Ni金属基体的过渡，大大提高了金刚石颗粒的把持力，利于均匀微孔的生成。

说明书

技术领域

本发明属于精密制造领域，特别涉及到一种漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮的制造方法。

背景技术

单晶硅、氧化铝、碳化物、氮化物、蓝宝石、玻璃等因其具有高硬度、高脆性、高耐磨性、高抗蚀性、高抗氧化性、高电阻率、耐高温、不导磁等许多金属材料难以比拟的优良特性，广泛应用于半导体、航空航天、汽车等领域。为了使这些硬脆材料零件具有良好的性能，必须具有很小的表面粗糙度和表面及亚表面损伤。但是，由于这类材料的较高硬度和脆性，对其加工十分困难。金刚石砂轮具有结合强度高、耐磨性好、寿命长、能承受大负荷磨削的特点，在这些高性能硬脆材料的成形磨削和精密、超精密磨削中应用广泛。

然而，金属基金刚石砂轮自锐性差、容易堵塞，严重影响磨削过程的稳定性和磨削表面质量，从而限制了其在高性能硬脆材料的精密加工中的正常使用。为了解决这些问题，目前多采用新型修整技术，如ELID在线修整技术和激光在线修整技术。但是这些技术往往需要额外附加装置，增加了设备的复杂性和使用费用。如果从砂轮的本身着手，来改善金属结合剂金刚石砂轮的修整修锐和自锐能力，显然具有事半功倍的效果。

金刚石砂轮中金刚石的把持力和气孔是影响金刚石砂轮磨削性能很重要的参数。目前通电烧结法、热等静压烧结法、真空热压烧结法等方法经常采用造孔剂保证金刚石砂轮的气孔。采用这种方法制备的气孔一般比较粗大，分布不均匀。为了满足蓝宝石等硬脆材料磨削对金刚石砂轮高把持力和均匀微细孔的要求，本发明制备一种漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮。其利用高温下融化的金属Al在张力作用下与Ti金属颗粒发生漫渗反应，生成TiAl合金。同时高温下，Ti金属与金刚石反应生成TiC，增强了金刚石颗粒的把持力。由于熔融金属铝的流动搭桥，砂轮坯体内部形成均匀的气孔。

本发明针对蓝宝石、玻璃等硬脆材料对金刚石砂轮的高性能磨削要求，采用漫渗燃烧TiAl金属间化合物合成的方法制备金刚石砂轮，大大提高了金刚石砂轮对金刚石磨粒的把持力和气孔均匀性。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对目前单晶硅、氧化铝、碳化物、氮化物、蓝宝石、玻璃等难加工硬脆材料对磨削质量的高要求，以及高金刚石把持力和均匀微细孔分布的金刚石砂轮制造困难等问题，提出一种漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮的制造方法。

技术方案：

一种漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮的制造方法，其特征在于：

该方法所用材料及重量百分比为：

Cu粉：26~30%；

Sn粉：7~9%；

Ti粉：20~24%；

Al粉：10~13%；

Ni粉：2~4%；

其余为金刚石粉；

该方法包括以下步骤：

（1）将金刚石粉放入浓硝酸溶液中浸泡，进行洁净处理；

（2）将Al、Ti粉称量混合，放入球磨机混合3小时；

（3）采用糊精液将金刚石粉和已混合好的Al、Ti粉制粒，加入模具；

（4）向模具中添加Cu、Sn、Ni粉，并搅拌均匀；

（5）采用液压机将模具中粉末按成型密度90%~93%冷压成型；

（6）将冷压成型的坯体及模具放入干燥箱，80℃条件下烘干3小时；

（7）采用真空烧结机将金刚石砂轮烧结成型；

（8）随炉冷却。

所述的漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮的制造方法，其特征在于：所述Cu粉、Sn粉、Ni粉、Ti粉、Al粉的纯度>99.5%，粒度为1～20μm；所述金刚石粉的粒度为1~10μm。

所述的漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮的制造方法，其特征在于：在所述步骤（7）中的真空烧结的真空度优于1.3×10^-4Pa，真空烧结升温曲线为150℃～60分钟，230℃～30分钟，650℃～20分钟，757℃～10分钟。

优点及效果：冷压成型后金刚石表面碳原子与金属Ti反应生成TiC，Ti与Al反应生成TiAl合金。由于TiC和TiAl合金具有很高的硬度和强度，极大提高了金刚石颗粒的把持力。融化的金属Al和Sn金属与Cu、Ni形成合金的同时，由于张力形成微气孔。保证金刚石砂轮的自锐性，使金刚石砂轮的磨削性能大幅度提高。

附图说明：

图1、图2为本发明漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮的示意图；

其中图1为真空热压烧结前组织示意图；

图2为真空热压烧结后组织示意图；

图3是漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮的微观组织图；

图中：1金刚石、2 Ti-Al混合粉、3 Cu-Sn-Ni混合粉、4 TiC层、5 TiAl合金层、6 Cu-Sn-Ni-Al基体层、7 气孔。

具体实施方式：

本发明一种漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮的制造方法的原理是：先将Al和Ti粉放入球磨机混合均匀，然后将金刚石粉和Ti、Al混合粉加入模具，保证金刚石颗粒优先与Ti、Al混合粉接触。添加Cu、Sn、Ni粉，搅拌均匀。按成型密度90%~93%冷压成型，保证一定的气孔率。冷压成型后，金刚石颗粒1周围包裹着一些Ti、Al混合粉2，外层是浸提材料Cu-Sn-Ni混合粉3。真空热压烧结时，金刚石颗粒1表面碳原子与金属Ti漫渗反应生成TiC层4，Ti与Al漫渗反应生成TiAl合金层5。多余的金属Al融化，将Cu、Sn、Ni金属和TiAl金属间化合物粘结在一起，形成Cu-Sn-Ni-Al基体层6，并由于液体张力在金刚石颗粒间形成均匀的微气孔7。由于TiC和TiAl的生产，实现了金刚石与Cu、Sn、Ni金属基体的过渡，大大提高了金刚石颗粒的把持力，同时实现均匀微孔的生成。

一种漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮的制造方法，其特征在于包含以下步骤：

1）所用材料为金刚石粉、Cu粉、Sn粉、Ni粉、Ti粉、Al粉，Cu粉、Sn粉、Ni粉、Ti粉、Al粉的纯度>99.5%，粒度为1~20μm，金刚石粉粒度为1~10μm。按重量比，26~30%的Cu，7~9%的Sn，20~24%的Ti，10~13%的Al，2~4%的Ni，其余为金刚石。

2）将金刚石粉放入浓硝酸溶液中浸泡，进行洁净处理。

3）将Al、Ti粉称量混合，放入球磨机混合3小时。

4）采用糊精液将金刚石粉和已混合好的Al、Ti粉制粒，加入模具。

5）向模具中添加Cu、Sn、Ni粉，并搅拌均匀。

6）采用液压机将模具中粉末按成型密度90%~93%冷压成型。

7）将冷压成型的坯体及模具放入干燥箱，80℃条件下烘干3小时。

8）采用真空烧结机将金刚石砂轮烧结成型。

9）随炉冷却。

所述一种漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮的制造方法，其特征在于：真空烧结的真空度优于1.3×10^-4Pa，真空烧结升温曲线为150℃60分钟，230℃30分钟，650℃20分钟，757℃10分钟。

所述一种漫渗燃烧Ti-Al-Cu-Sn-Ni微孔金刚石砂轮的制造方法，其特征在于：通过Ti和Al之间的慢渗反应以及Ti和金刚石之间的慢渗反应实现金刚石颗粒的高强度把持。