CN102732213A

CN102732213A - 立方氮化硼纤维磨粒及其制备方法

Info

Publication number: CN102732213A
Application number: CN2012101944285A
Authority: CN
Inventors: 丁文锋; 徐九华; 苗情; 杨长勇; 苏宏华; 傅玉灿
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: CN102732213B

Abstract

本发明涉及一种立方氮化硼纤维磨粒及其制备方法，立方氮化硼纤维磨粒包括立方氮化硼磨粒与粘结材料两部分，其特征在于其中立方氮化硼磨粒表面设有镀钛层或镀铬层，镀层的厚度为5~10μm；粘结材料的组分及重量百分比含量为：Al₂O₃粉末16~20%、B₂O₃粉末28~32%、Na₂O粉末3~10%、其余为SiO₂粉末。烧结方法是采用分段式升温至最高加热温度795-805℃，保温18-22分钟。本发明所述的CBN纤维磨粒能够实现树脂、陶瓷、金属结合剂砂轮磨料层内部CBN磨粒的规则排布，并具有强度高、耐磨性与自锐性好的特点，从而提高磨削效率与质量。应用该型CBN纤维磨粒制作的砂轮可满足航空航天、汽车等行业关键零部件的磨削加工要求。

Description

立方氮化硼纤维磨粒及其制备方法

技术领域

本发明涉及用于超硬磨料砂轮的立方氮化硼纤维磨粒，属于超硬磨粒技术领域。

背景技术

1957年美国通用电气公司超硬材料研究部的R.H.Wentorf联想石墨转化成金刚石的道理，采用相似的方法首次成功地合成立方氮化硼（Cubic BoronNitride，以下简称CBN）微粉颗粒。从20世纪六十年代初到七十年代初期，前苏联、英国、前西德、日本和中国都相继掌握了CBN的合成技术。由于CBN材料的高硬度和具有优于金刚石的热稳定性与化学惰性，引起了加工技术界的极大关注。采用CBN颗粒制作的各种超硬磨料砂轮在钛合金、镍基高温合金、高强度钢、超高强度钢等金属材料的高效精密磨削加工中已得到越来越广泛的应用。

需指出的是，现阶段在制作CBN超硬磨料砂轮时，选用的均为颗粒状CBN磨粒。该类磨粒的长径比通常在1左右，如图1所示。单纯采用这种颗粒状磨粒制作砂轮存在的问题主要在于：无法实现磨粒在树脂、陶瓷、金属结合剂CBN砂轮磨料层内部的规则分布，磨粒总是处于杂乱无序随机状态（注：CBN砂轮通常包括金属基体与磨料层两部分，磨料层是砂轮的工作部分，金属基体起支撑作用，磨料层与金属基体之间通过胶水粘接）。

理论研究和磨削实践已经证实，将CBN磨粒规则排布在砂轮磨料层可以显著提高砂轮的锋利度和寿命，从而达到提高磨削过程的效率和质量的目的。其原因与颗粒状CBN磨粒的无序随机分布状态没有办法实现对陶瓷、金属、树脂结合剂砂轮整个工作过程均具有一致的工作面状态的有效控制密切相关，进而导致CBN超硬磨粒的优异磨削性能无法得到充分发挥与展示。现阶段，磨粒规则排布技术只能在电镀和钎焊砂轮中实现，详见文献(J.C.Aurich,P.Herzenstiel,H.Sudermann,T.Magg.High-performance dry grinding using a grinding wheelwith a defined grain pattern.CIRP Annals-Manufacturing Technology,2008,57:357-362）与文献(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）等。但是，由于电镀和钎焊砂轮只存在单层磨粒，使得砂轮的工作寿命显著低于含有多层磨粒的陶瓷、树脂、金属结合剂CBN砂轮。这导致电镀和钎焊CBN砂轮的应用受到很大程度限制。此外，电镀和钎焊CBN砂轮的磨粒规则排布只要求在二维平面内实现，而对于陶瓷、树脂、金属结合剂砂轮的磨料层而言，其磨粒规则排布则要求在三维长方体中实现，难度非常大。这也是陶瓷、树脂、金属结合剂砂轮磨料层至今无法实现磨粒三维规则排布的主要原因。

为了实现陶瓷、树脂、金属结合剂CBN砂轮磨料层内部CBN磨粒的规则分布，人们尝试了很多方法，但均无法取得预期效果，其原因与CBN磨粒为图1所示的颗粒状态直接相关。

发明内容

本发明提出立方氮化硼纤维磨粒，一方面，通过纤维状态对CBN磨粒位置的约束和固定作用，实现陶瓷、树脂、金属结合剂砂轮磨料层内部CBN磨粒的规则排布。另一方面，该种磨粒具有强度高、耐磨性与自锐性好的特点，满足超硬磨料砂轮对磨粒强度、耐磨性与自锐性的要求，从而提高磨削效率与质量。

本发明通过如下技术方案予以实现：

一种立方氮化硼纤维磨粒，包括立方氮化硼磨粒与粘结剂两部分，其中立方氮化硼磨粒表面设有镀钛层或镀铬层，镀层的厚度为5~8μm；粘结剂的组分及重量百分比含量为：Al₂O₃粉末16~20%、B₂O₃粉末28~32%、Na₂O粉末3~10%、其余为SiO₂粉末。磨粒与粘结剂各占比例为磨粒30重量%~40重量%、粘结剂60重量%~70重量%。

采用表面镀钛或镀铬的CBN磨粒，与普通无镀层CBN磨粒相比，其主要作用在于通过表面镀层金属提高烧结过程中玻璃相粘结材料对CBN磨粒的润湿性和把持力，从而提高CBN纤维磨粒的强度、耐磨性与自锐能力。

一种立方氮化硼纤维磨粒的制备方法，包括以下步骤：

（1）粘结材料与镀层CBN磨粒配混料

镀钛层或镀铬层CBN磨粒、粘结剂所占重量百分比分别为：CBN磨粒30~40%、粘结剂60~70%；

CBN磨粒表面的镀钛层或镀铬层厚度为5~10μm；

磨粒与粘结剂采用机械方法搅拌均匀，在搅拌过程中，添加适量临时粘结剂，其添加量以将原材料搅匀为准。因为临时粘结剂在步骤（2）的烘干过程中将挥发去除，所以其添加量无需定量控制。所述临时粘结剂为糊精；

粘结剂的原料组分及重量百分比含量为：Al₂O₃粉末16~20%、B₂O₃粉末28~32%、Na₂O粉末3~10%、其余为SiO₂粉末。

（2）CBN纤维磨粒毛坯制作

将步骤（1）中配混均匀后的原料放入图5所示模具内腔中，模具内腔的尺寸规格与所需制作的CBN纤维磨粒的尺寸一致。然后，在100MPa的压力下压制。随后，将模具与纤维磨粒放入加热炉中，在100~120℃温度下烘烤120~140分钟后脱模。

（3）CBN纤维磨粒高温烧结成型

所述CBN纤维磨粒的烧结过程在真空烧结炉中进行，真空度不差于10^-2Pa；反应体系的升降温曲线为：

55~65分钟自室温升温到380~420℃，保温8~12分钟；

然后在55~65分钟升温到580~620℃，保温8~12分钟；

然后在110~130分钟升温到795~805℃，保温18~22分钟；

然后在110~130分钟降温到580~620℃，保温8~12分钟；

然后在55~65分钟内降温到280~320℃，保温8~12分钟后随炉冷却；低于150℃后开炉门；低于80℃出炉。

获得的CBN纤维磨粒可以实现砂轮磨料层内部CBN磨粒的规则排布，同时满足树脂、陶瓷、金属结合剂超硬砂轮对磨粒在强度、耐磨性、自锐性等方面的要求。该CBN纤维磨粒制作的树脂、陶瓷、金属结合剂超硬砂轮可用于航空航天、汽车等行业关键零部件的加工，例如航空发动机涡轮盘与齿轮、汽车凸轮轴与齿轮等。

附图说明

图1为普通CBN颗粒状磨粒的电镜图。

图2为实施例1制备获得的CBN纤维磨粒示意图。

图3是采用本发明所述CBN纤维磨粒而实现的砂轮磨料层内部CBN磨粒规则排布示意图。

图4为采用图1所示CBN颗粒状磨粒制作的树脂、陶瓷、金属结合剂砂轮磨料层内部CBN磨粒的无序分布示意图。

图5为CBN纤维磨粒毛坯压制用槽型模具照片（注：模具内腔尺寸规格，如长、宽与拟制作的CBN纤维磨粒尺寸规格一致即可）。

其中：1-CBN颗粒状磨粒；2-纤维磨粒内部的粘结材料；3-砂轮磨料层内部的结合剂材料（对于树脂、陶瓷、金属结合剂砂轮，其结合剂材料依次为树脂、陶瓷、合金）；4-模具内腔；5-模具外壳。

具体实施方式

在具体实施例与对比例中，采用的CBN磨粒的尺寸为150~180μm；为方便比较，所制得的CBN纤维磨粒的截面边长为0.5mm、长度为5mm。（注：该种CBN纤维磨粒特别适合制作用于高效磨削的树脂、陶瓷、金属结合剂CBN砂轮，从确保砂轮安全性角度考虑，此种砂轮的磨料层厚度通常为5mm）。需指出的是，本发明所述CBN纤维磨粒的尺寸规格也可制作成其他截面边长和长度。

实施例1

一种立方氮化硼纤维磨粒，包括30重量%立方氮化硼磨粒与70重量%粘结剂两部分，其中立方氮化硼磨粒表面层镀钛，镀层的厚度8μm；粘结剂的组分及重量百分比含量为：Al₂O₃粉末18%、B₂O₃粉末30%、Na₂O粉末7%、SiO₂粉末45%。

立方氮化硼纤维磨粒的制备方法：镀钛层CBN磨粒与粘结剂混合，添加适量糊精，搅拌均匀；然后将混匀后的原材料放入、并充填满不锈钢模具型槽；然后将模具与纤维磨粒放入加热炉在110℃温度下烘烤130分钟后脱模，制得CBN纤维磨粒毛坯；然后将毛坯放入真空烧结炉（真空度不差于10^-2Pa），将反应体系的温度在60分钟自室温升温到400℃，保温10分钟；然后在60分钟升温到600℃，保温10分钟；然后在120分钟升温到800℃，保温20分钟；然后在120分钟降温到600℃，保温10分钟；然后在60分钟内降温到300℃，保温10分钟后随炉冷却；低于150℃，开炉门；低于80℃出炉。

实施例2不同于实施例1之处在于镀钛CBN磨粒35重量%，粘结剂65重量%。粘结剂的组分及重量百分比含量为：Al₂O₃粉末16%、B₂O₃粉末32%、Na₂O粉末10%、SiO₂粉末42%。

实施例3不同于实施例1之处在于镀钛CBN磨粒40重量%，粘结剂60重量%。粘结剂的组分及重量百分比含量为：Al₂O₃粉末20%、B₂O₃粉末28%、Na₂O粉末3%、SiO₂粉末49%。

实施例4~6所采用原料含量与阶梯升降温过程同实施例1~3，但CBN表面的镀层金属为铬，厚度为8μm。

实施例7不同于实施例1之处在于镀钛CBN磨粒35重量%，粘结剂65重量%，CBN磨粒表面镀钛层厚度为5μm。

实施例8不同于实施例1之处在于镀钛CBN磨粒35重量%，粘结剂65重量%，CBN磨粒表面镀钛层厚度为10μm。

实施例9~12不同于实施例1之处在于镀钛CBN磨粒35重量%，粘结剂65重量%，且但阶梯升、降温过程不同（注：温度单位为℃、耗时与保温单位均为分钟）。具体升降温度见表1

表1实施例9~12所采用的阶梯升、降温过程参数

表2列出了对比例1~6的原料及烧结条件。其中，CBN磨粒表面镀钛，厚度为8μm。表2中，仅在第4、5列示范了真空烧结过程的最高加热温度及其保温时间，其余的升、降温过程参数同实施例1。

表2对比例1~6所采用的组分表与加热参数

表3列出了对比例7~9。其中，CBN磨粒表面镀钛。磨粒与粘结剂的重量百分比、以及烧结过程的阶梯升降温过程参数与实施例2相同。

表3对比例7~9所采用的CBN磨粒表面镀钛层厚度

表4是本发明12个实施例与9个对比例中，CBN纤维磨粒的强度、耐磨性与自锐能力的性能对比结果。其中，强度通过抗弯试验测量，以相对值表示（相对值越大，强度越高）；耐磨性通过CBN纤维磨粒与镍基高温合金的摩擦磨损测试评价（以质量损耗率的相对值评价，相对值越大，CBN纤维磨粒越不耐磨）。自锐能力以微破碎时承受的压力相对值表示（以相对值表示，相对值越大，越易自锐）。

表4CBN纤维磨粒性能对比

图2为CBN纤维磨粒示意图。图3是通过本发明所述CBN纤维磨粒而实现的砂轮磨料层内部CBN磨粒规则排布示意图。与图1和图4所示的采用普通颗粒状CBN磨粒无序随机排布制作的树脂、陶瓷、金属结合剂砂轮的磨料层相比，由CBN纤维磨粒制作的砂轮磨料层可以实现CBN磨粒的规则排布。

Claims

1.立方氮化硼纤维磨粒，其特征在于包括立方氮化硼磨粒与粘结材料两部分，其中立方氮化硼磨粒表面设有镀钛层或镀铬层，镀层的厚度为5~10μm；粘结材料的组分及重量百分比含量为：Al₂O₃粉末16~20%、B₂O₃粉末28~32%、Na₂O粉末3~10%、其余为SiO₂粉末。

2.基于权利要求1所述的立方氮化硼纤维磨粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先将粘结剂与立方氮化硼磨粒通过添加临时粘接剂配混料；

（2）然后将配混均匀后的原料放入模具内腔中，压制后，放入加热炉中烘干后脱模，制成毛坯；

（3）然后将毛坯放入真空烧结炉；

反应体系的升降温曲线是：在55-65分钟自室温升温到380-420 ℃，保温8-12分钟；

然后在55-65分钟升温到580-620 ℃，保温8-12分钟；

然后在110-130分钟升温到795-805 ℃，保温18-22分钟；

然后在110-130分钟降温到580-620 ℃，保温8-12分钟；

然后在55-65分钟内降温到280-320 ℃，保温8-12分钟后随炉冷却；低于150 ℃后开炉门；低于80 ℃出炉。

3.根据权利要求2所述的立方氮化硼纤维磨粒的制备方法，其特征在于所述的临时粘接剂为糊精。