镍基高温合金高效磨削用单层钎焊立方氮化硼砂轮的研制

论文摘要

立方氮化硼（CBN）磨料具有硬度极高、热稳定性好、化学惰性大、导热性好的优点,所以由该种磨粒制作的各型固结磨料砂轮已在高效磨削镍基高温合金、钛合金等难加工材料中得到了应用,并取得了显著效果。然而,大量的应用实践也表明,由于传统的多层烧结与单层电镀CBN砂轮中磨粒与胎体或镀层材料仅仅通过机械镶嵌作用结合,存在磨粒把持强度低、容屑空间狭小等缺陷,使得重负荷磨削过程中砂轮工作面容易出现磨粒过早脱落、甚至电镀砂轮的局部结合剂层从基体表面剥离的现象,这势必制约了CBN超硬磨料磨削性能的充分发挥,也限制了加工效率与质量的进一步提高。凭借磨粒、钎料、基体在高温钎焊过程中的化学和冶金反应对磨粒提供的超强把持效果,本课题研制了磨粒呈有序排布的新型单层钎焊CBN成型砂轮,并将其应用于高效磨削镍基铸造高温合金。本文完成的创新性研究工作主要包括:（1）在确保Ag-Cu-Ti液相合金中活性元素Ti活度的前提下,兼顾控制钎料层新生相数量和克服活性元素的消耗效应,通过冶金热力学分析对钎料成分进行了优选。结果表明,含Ti 5%的Ag-Cu共晶合金是综合性能比较优异的钎料,后续试验已显示此种合金组分制作的单层钎焊CBN砂轮确实可取得预期效果。（2）利用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪分析了钎焊工艺参数对界面新生化合物和微观结构的影响。结果显示,当钎焊温度920℃、保温时间5 min时可获得较佳的磨粒表面新生化合物形貌,界面层由CBN/TiB2/TiB/TiN/含Ti合金层的过渡结构组成。磨粒抗压强度和冲击强度测试结果表明钎焊前后磨粒强度无明显变化。（3）对界面层新生相的形核顺序与生长过程进行了动力学分析。结果表明,新生相按TiN→TiB2→TiB的顺序依次形成,其生长过程主要受新生TiN控制,而活性元素Ti的引入和扩散则是界面层生长的主要因素。（4）依据型槽工件要求设计制作了磨粒呈有序排布的单层钎焊CBN成型砂轮,并将其用于镍基铸造高温合金K424槽类工件的模拟加工。结果表明,单层钎焊CBN砂轮在高效磨削过程中磨削力和温度得到了有效控制,工件加工表面完整性也得到明显改善。单层钎焊CBN砂轮的磨损机理主要是磨耗磨损,试验中未出现磨粒脱落,这表明采用钎焊工艺制作单层CBN砂轮能提高对磨粒的把持力,有助于充分发挥超硬磨料本身的耐磨特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 立方氮化硼固结磨料砂轮发展状况
• 1.2 传统CBN 砂轮在镍基高温合金高效磨削中的主要问题及解决思路
• 1.2.1 镍基高温合金高效磨削加工特点及CBN 砂轮的应用
• 1.2.2 传统CBN 砂轮在镍基铸造高温合金高效磨削中面临的主要问题
• 1.2.3 解决思路
• 1.3 单层钎焊立方氮化硼砂轮的优势
• 1.4 单层钎焊立方氮化硼砂轮研发现状与存在问题
• 1.4.1 单层钎焊立方氮化硼砂轮研发现状
• 1.4.2 单层钎焊立方氮化硼砂轮研发中存在的问题
• 1.5 本课题拟开展的主要研究内容
• 第二章 单层钎焊立方氮化硼砂轮制作的工艺基础
• 2.1 单层钎焊CBN 砂轮的构成
• 2.2 磨料选择
• 2.2.1 磨粒晶形
• 2.2.2 磨粒表面净化处理
• 2.3 基体选择
• 2.4 钎料选择
• 2.4.1 单层钎焊CBN 砂轮对钎料的基本要求
• 2.4.2 CBN 磨粒与活性钎料界面润湿机理
• 2.4.3 Ag-Cu-Ti 合金中Ti 活度的计算方法
• 2.4.4 Ag-Cu-Ti 合金溶液中Ti 的活度
• 2.4.5 温度对Ag-Cu-Ti 合金中Ti 活度的影响
• 2.4.6 Ag-Cu-Ti 钎料组元含量确定
• 12Cu₂₈) Ti₅合金钎料的主要特性'>2.4.7 (Ag₁₂Cu₂₈) Ti₅合金钎料的主要特性
• 2.5 钎焊工艺参数选择
• 2.5.1 环境介质
• 2.5.2 钎焊温度
• 2.5.3 保温时间
• 2.5.4 升降温速度
• 2.6 本章小结
• 第三章 钎焊立方氮化硼磨粒界面微结构及力学性能
• 3.1 试验条件与研究方法
• 3.2 CBN 磨粒与AG-CU-TI 钎料界面反应热力学分析
• 3.2.1 界面反应热力学判据
• 3.2.2 磨粒与钎料可能的界面反应及相应Gibbs 自由能变化
• 3.3 CBN 磨粒与AG-CU-TI 钎料界面反应及微区结构分析
• 3.3.1 钎焊CBN 磨粒形貌
• 3.3.2 CBN 磨粒与钎料结合界面元素分布特征
• 3.3.3 钎焊温度对磨粒与钎料界面反应的影响
• 3.3.4 保温时间对磨粒与钎料界面反应的影响
• 3.3.5 活性元素含量对磨粒与钎料界面反应的影响
• 3.3.6 磨粒与钎料界面反应产物成分及物相分析
• 3.3.7 钎焊CBN 磨粒界面反应产物分层结构
• 3.3.8 磨粒与钎料接头断裂特征分析
• 3.4 钎焊CBN 磨粒的残余应力
• 3.4.1 钎焊CBN 磨粒残余应力测量原理
• 3.4.2 钎焊CBN 磨粒残余应力测量方法
• 3.4.3 钎焊CBN 磨粒残余应力分析
• 3.5 钎焊CBN 磨粒的力学性能
• 3.5.1 静态抗压强度
• 3.5.2 动态冲击强度
• 3.6 AG-CU-TI 钎料与45 钢结合界面分析
• 3.6.1 Ag-Cu-Ti 钎料层微观组织
• 3.6.2 钎料与基体结合界面微观组织
• 3.7 本章小结
• 第四章 钎焊立方氮化硼磨粒界面反应机理
• 4.1 CBN 与TI 反应形核动力学分析
• 4.1.1 形核驱动力的计算方法
• 4.1.2 CBN 与Ti 反应的形核动力学分析
• 4.1.3 界面反应产物形核顺序的试验验证
• 4.1.4 Ti 与CBN 界面反应过程和原子扩散路径分析
• 4.2 钎焊CBN 磨粒界面反应层的生长动力学分析
• 4.2.1 活性元素Ti 在钎焊过程中的扩散行为
• 4.2.2 钎焊界面反应层生长动力学分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 钎焊CBN 砂轮高效磨削镍基铸造高温合金试验研究
• 5.1 镍基铸造高温合金K424 化学成分及物理力学性能
• 5.1.1 K424 合金的化学成分
• 5.1.2 K424 合金的物理和力学性能
• 5.2 镍基铸造高温合金型槽的设计要求
• 5.3 单层钎焊CBN 成型砂轮的设计与制作
• 5.3.1 砂轮结构的总体设计
• 5.3.2 磨料种类与粒度选择
• 5.3.3 节块工作面宽度的确定
• 5.4 单层钎焊CBN 砂轮工作面的磨粒分布
• 5.5 单层钎焊CBN 砂轮高效磨削K424 合金试验
• 5.5.1 磨削试验条件
• 5.5.2 磨削力分析
• 5.5.3 磨削温度分析
• 5.5.4 型槽的加工精度与形状精度分析
• 5.5.5 型槽工件的加工表面完整性分析
• 5.6 单层钎焊CBN 断续砂轮的磨损特征
• 5.6.1 单层钎焊CBN 砂轮的磨损试验
• 5.6.2 单层钎焊CBN 砂轮的磨损形貌
• 5.6.3 磨削行程对单层钎焊CBN 砂轮磨损的影响
• 5.6.4 单层钎焊CBN 断续砂轮节块不同部位磨粒磨损形式的差异
• 5.6.5 单层钎焊CBN 砂轮的磨损机理
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文取得的主要成果
• 6.2 关于进一步完善单层钎焊立方氮化硼砂轮制造工艺的设想
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文