CN102729157A

CN102729157A - 磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮及其制备方法

Info

Publication number: CN102729157A
Application number: CN2012102034431A
Authority: CN
Inventors: 丁文锋; 徐九华; 陈珍珍; 杨长勇; 苏宏华; 傅玉灿; 苗情
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-06-19
Also published as: CN102729157B

Abstract

一种磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮及其制备方法，该砂轮由基体和粘接于基体的磨料层组成，其特征在于磨料层包含立方氮化硼纤维磨料40~60重量%及余量的陶瓷结合剂。陶瓷结合剂包括以重量百分比计的以下原料：50~55%SiO₂、15~20%Al₂O₃、10~15%B₂O₃、5~10%K₂O、其余为Na₂O。制备方法包括：混料、模具内压制成型并烘干、毛坯烧结、磨料层与基体粘接，经试验、修整、检查、外观处理后获得的砂轮寿命长、自锐性好、磨削效率高、加工精度好，适于汽车发动机、航空发动机行业关键零部件的高效精密磨削。其中烧结方法是采用分段式升温至最高温度720~740℃，保温100~120分钟。

Description

磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮及其制备方法，为一种陶瓷结合剂砂轮，属于超硬磨料工具技术领域。

背景技术

立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，简称CBN）磨粒虽然硬度仅次于金刚石，但它具有比金刚石更加稳定的化学性质。例如，它不与铁族金属及合金发生亲和作用，热稳定性也比金刚石高得多。因此，采用CBN磨粒制作的砂轮制品在加工镍基高温合金、钛合金等难加工材料方面得到了应用。但是，对于在汽车发动机曲轴与齿轮、航空发动机叶片榫头与涡轮轴花键等零部件磨削领域使用最广泛的陶瓷结合剂CBN砂轮而言，存在着不可克服的如下问题：

CBN磨粒通常为颗粒状，尺寸介于150~400μm。磨粒在砂轮磨料层（也称工作层）内部处于无序分布状态（图1），使得并非每颗磨粒均能发挥有效的切削作用，并造成容屑空间不均匀，制约了CBN砂轮磨削潜能的展现。据报道，虽然中国（W.F.Ding,J.H.Xu,M.Shen,Y.C.Fu,B.Xiao,H.H.Su,H.J.Xu.Development and performance of monolayer brazed CBN grinding tools.International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2007,34:491-495）、德国（Peter Herzenstiel,J.C.Aurich.CBN-grinding wheel with a defined grainpattern-extensive numerical and experimental studies.Machining Science andTechnology,2010,14:301-322）的研究人员已在单层钎焊和单层电镀CBN砂轮工作面实现了CBN磨粒的二维有序分布，并发挥出比磨粒无序分布更优异的磨削性能，但至今国内外均未见在多层陶瓷结合剂CBN砂轮的磨料层实现CBN磨粒三维有序分布的文献和专利报导。分析原因，主要与CBN磨粒处于颗粒状、导致无法实现多层砂轮内部具有完全一致的磨粒三维分布有关，因而也无法充分展现陶瓷CBN砂轮的磨削潜能（包括工具寿命和锋利度）。

发明内容

本发明的目的是，克服现有普通陶瓷结合剂CBN砂轮磨粒无序分布的缺点，提供一种磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮，据此提高陶瓷结合剂CBN砂轮的寿命和锋利度，最终目的是通过此种砂轮实现高效精密磨削汽车发动机曲轴与齿轮、航空发动机叶片榫头与涡轮轴花键等零部件。

本发明的另一个目的在于提供一种磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮的制备方法。

本发明通过如下技术方案予以实现：

磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮，包括金属基体和磨料层两部分，磨料层粘接于金属基体上，所述磨料层与基体粘接是通过高强度胶黏剂粘接，结合强度满足砂轮线速度200m/s使用要求。磨料层的原料组分及重量百分比含量为：立方氮化硼纤维磨料40~60%、其余为陶瓷结合剂。磨料层截面尺寸为(0.3~0.5)mm×(0.3~0.5)mm、长度为3~5mm。

陶瓷结合剂包括以重量百分比计的以下原料：50~55%SiO₂、15~20%Al₂O₃、10~15%B₂O₃、5~10%K₂O、其余为Na₂O；陶瓷结合剂是将各组份混合后添加临时粘结剂获得，临时粘结剂为液态石蜡，添加量以将各组份混匀为准。因为临时粘结剂在砂轮的烘干过程中将挥发去除，所以其添加量无需定量控制。所述临时粘结剂为液态石蜡。

磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮的制备方法，包括以下步骤：

陶瓷结合剂与临时粘接剂配混料、立方氮化硼纤维磨粒有序排布并与磨料层毛坯压制成型并烘干、磨料层毛坯烧结、磨料层与基体粘接、砂轮回转试验、磨料层外圆及端面修整、砂轮磨料层检查、动平衡、外观处理得到砂轮，基体直径为200~400mm、厚度为10~20mm，材料为调质态45#钢。

所述的有序排布是通过将纤维磨粒放入模板固定间距的孔穴中实现；

详言之，是先将配混均匀的陶瓷结合剂原料放入图3所示模具内腔，然后将图2所示孔模板放置在陶瓷结合剂原料顶部，再在每个孔模板的孔内插入CBN纤维磨粒，插满孔后取走孔模板，然后采用压力机，以100MPa的压力将陶瓷结合剂原料、CBN纤维磨粒压实，保压3分钟后脱模，即可获得CBN磨粒三维规则排布的磨料层毛坯；磨料层截面尺寸为(0.3~0.5)mm×(0.3~0.5)mm、长度为3~5mm。

所述的烘干是在普通烘干机中，将磨料层毛坯在100~120℃温度下烘烤100~120分钟，去掉临时粘接剂。

磨料层毛坯的烧结过程在氩气保护中进行，升降温曲线为：60~80分钟自室温升温到280~320℃，保温10~15分钟；然后60~80分钟升温到580~620℃，保温15~25分钟；然后80~100分钟升温到720~740℃，保温100~120分钟；然后100~120分钟降温到280~320℃，保温10~15分钟；然后随炉冷却，低于150℃（开炉门），低于80℃出炉。

实践证明：与磨粒无序分布的陶瓷结合剂CBN砂轮相比，使用本发明制作的多个系列磨粒三维有序分布的CBN砂轮磨削汽车发动机曲轴、航空发动机钛合金压气机叶片与高温合金涡轮盘/轴等零部件可使表面粗糙度普遍提高1-2个精度等级、材料去除效率提高2~3倍、砂轮寿命提高2~3倍，具有显著的综合经济效益。

附图说明

图1为CBN纤维磨粒示意图。

图2为用于CBN纤维磨粒有序排布的孔模板（局部）示意图。

图3为用于陶瓷结合剂CBN砂轮磨料层毛坯压制成型的模具示意图。

图4为陶瓷结合剂CBN砂轮磨料层内部的CBN磨粒三维有序分布示意图。

图5为普通陶瓷结合剂CBN砂轮磨料层内部的CBN磨粒无序分布示意图。

其中：1-CBN颗粒状磨粒；2-纤维磨粒内部的粘结材料；3-模板孔穴；4-模具内腔；5-模具外壳；6-砂轮磨料层内部的陶瓷结合剂；7-砂轮磨料层陶瓷结合剂烧结过程自然形成的气孔；8-CBN纤维磨粒。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步描述，实施例1-7所采用的原料及相关含量、参数见表1。（注：表中含量为重量百分比）

表1实施例1~7中陶瓷结合剂CBN纤维砂轮磨料层各组元含量

实施例1~5所采用的磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮CBN砂轮的制备方法为：

（1）陶瓷结合剂的原料组分及重量百分比：50%SiO₂、15%Al₂O₃、15%B₂O₃、10%K₂O、10%Na₂O。称取陶瓷结合剂原料，经40小时球磨混合、1300℃熔炼、淬冷、粉碎、过筛而制得陶瓷结合剂粉料；添加临时粘结剂将陶瓷结合剂原料粉末配混均匀。

（2）将配混均匀的陶瓷结合剂原料放入图3所示模具内腔，然后将图2所示的相应尺寸规格的孔模板放置在陶瓷结合剂原料顶面，再在每个孔模板的孔穴内插入CBN纤维磨粒，插满孔后取走孔模板，再通过压力机在100MPa压力下冷压，保压3分钟后脱模，然后将毛坯放入普通烘干机中，在110℃温度下烘烤110分钟，让临时粘接剂挥发干净。

（3）磨料层毛坯的烧结过程在氩气保护中进行，升降温曲线为：

70分钟自室温升温到300℃，保温12分钟；

然后在70分钟升温到600℃，保温20分钟；

然后在90分钟升温到730℃，保温110分钟；

然后在110分钟降温到300℃，保温12分钟；

然后随炉冷却，低于150℃（开炉门），低于80℃出炉。

（4）磨料层出炉后，采用高强度胶黏剂粘接金属基体与磨料层，然后通过砂轮强度试验机进行回转试验，并采用普通磨床修整磨料层外圆及端面，检查砂轮磨料层有无缺陷，对砂轮进行动平衡，最后对外观进行修饰处理，由此完成砂轮制作。

表2所列实施例6~8不同于实施例2之处在于陶瓷结合剂原料中各组分的含量不同，其余与实施例2相同。（注：表中含量为重量百分比）

表2实施例6~8中陶瓷结合剂原料中各组元重量百分比

实施例编号	SiO₂	Al₂O₃	B₂O₃	K₂O	Na₂O
						实施例6	55	20	10	5	其余
实施例7	52	18	15	10	其余
						实施例8	50	15	12	8	其余

表3列出实施例9~12与实施例2不同之处在于磨料层毛坯高温烧结的阶梯升、降温过程参数不同，其余与实施例2相同。

表3实施例9~12的阶梯升降温过程参数

表4所列对比例1~4与实施例2不同之处在于CBN纤维磨粒含量与尺寸规格不同，其余与实施例2相同（注：表中含量为重量百分比）。

表4对比例1~4中砂轮磨料层组元含量

表5所列对比例5~7与实施例2不同之处在于陶瓷结合剂内部各组元含量不同，其余同实施例2。

表5对比例6~8中陶瓷结合剂原料中各组元重量百分比

对比例编号	SiO₂	Al₂O₃	B₂O₃	K₂O	Na₂O
						对比例6	40	25	5	15	15

对比例7	60	10	5	15	10
						对比例8	50	15	20	15	0

此外，对比例9采用普通CBN颗粒状磨料、以及与实施例2相同的陶瓷结合剂原料组分及重量百分比、以及相同的烧结工艺制作陶瓷结合剂砂轮。表6是本发明12个实施例与9个对比例中不同陶瓷结合剂CBN砂轮的磨削性能对比结果。

磨削试验条件：平面磨削；工件材料为镍基高温合金K77；砂轮外径φ400mm、厚度15mm；砂轮线速度120m/s、工件进给速度3m/min。

表6不同陶瓷结合剂CBN砂轮的性能对比

镍基高温合金磨削试验结果证实，本发明所述的磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮CBN砂轮与普通陶瓷结合剂CBN砂轮相比，在锋利度、容屑空间、工具寿命、加工质量方面显著提升，材料去除率由3~10mm³/mm·s提高到20~30mm³/mm·s；磨削表面粗糙度由Ra 0.8μm提高到Ra 0.3-0.4μm；砂轮寿命提高2倍，去除材料的总体积（可反映砂轮耐磨性）由1000~1400cm³提高到2400~2500cm³；提高了CBN砂轮高效精密磨削难加工材料的综合经济效益。

Claims

1.磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮，包括金属基体和磨料层两部分，磨料层粘接于金属基体上，磨料层的原料组分及重量百分比含量为：立方氮化硼纤维磨料40~60%、其余为陶瓷结合剂。

2.根据权利要求1所述的磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮，其特征在于所述的陶瓷结合剂包括以重量百分比计的以下原料：50~55%SiO₂、15~20%Al₂O₃、10~15%B₂O₃、5~10%K₂O、其余为Na₂O；陶瓷结合剂是将各组份混合后添加临时粘结剂获得，临时粘结剂为液态石蜡，添加量以将各组份混匀为准。

3.根据权利要求1所述的磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮，其特征在于所述的所述磨料层截面尺寸为(0.3~0.5)mm×(0.3~0.5)mm、长度为3~5mm。

4.磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮的制备方法，其特征在于包括以下步骤：陶瓷结合剂与临时粘接剂配混料、立方氮化硼纤维磨粒有序排布并与磨料层毛坯压制成型并烘干、磨料层毛坯烧结、磨料层与基体粘接、砂轮回转试验、磨料层外圆及端面修整、砂轮磨料层检查、动平衡、外观处理；

所述的有序排布是通过将纤维磨粒放入模板固定间距的孔穴中实现；磨料层毛坯的烧结过程在氩气保护中进行，升降温曲线为：60~80分钟自室温升温到280~320 ℃，保温10~15分钟；然后60~80分钟升温到580~620 ℃，保温15~25分钟；然后80~100分钟升温到720~740 ℃，保温100~120分钟；然后100~120分钟降温到280~320 ℃，保温10~15分钟；然后随炉冷却，低于150 ℃开炉门,低于80 ℃出炉。