專利名稱：磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪及其制備方法，為一種陶瓷結(jié)合劑砂輪，屬于超硬磨料工具技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
立方氮化硼(Cubic Boron Nitride,簡稱CBN)磨粒雖然硬度僅次于金剛石,但它具有比金剛石更加穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。例如，它不與鐵族金屬及合金發(fā)生親和作用，熱穩(wěn)定性也比金剛石高得多。因此，采用CBN磨粒制作的砂輪制品在加工鎳基高溫合金、鈦合金等難加工材料方面得到了應(yīng)用。但是，對于在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與齒輪、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫頭與渦輪軸花鍵等零部件磨削領(lǐng)域使用最廣泛的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪而言，存在著不可克服的如下問題CBN磨粒通常為顆粒狀，尺寸介于15(T400iim。磨粒在砂輪磨料層(也稱工作層)內(nèi)部處于無序分布狀態(tài)(圖1)，使得并非每顆磨粒均能發(fā)揮有效的切削作用，并造成容屑 空間不均勻，制約了 CBN砂輪磨削潛能的展現(xiàn)。據(jù)報(bào)道，雖然中國(W. F. Ding, J. H. Xu, M.Shen, Y. C. Fu, B. Xiao, H. H. Su, H. J. Xu. Development and performance of monolayerbrazed CBN grinding tools.International Journal of Advanced ManufacturingTechnology, 2007，34:491-495)、德國(Peter Herzenstiel, J. C. Aurich. CBN-grindingwheel with a defined grain pattern-extensive numerical and experimentalstudies. Machining Science and Technology, 2010, 14:301-322)的研究人員已在單層釬焊和單層電鍍CBN砂輪工作面實(shí)現(xiàn)了 CBN磨粒的二維有序分布，并發(fā)揮出比磨粒無序分布更優(yōu)異的磨削性能，但至今國內(nèi)外均未見在多層陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的磨料層實(shí)現(xiàn)CBN磨粒三維有序分布的文獻(xiàn)和專利報(bào)導(dǎo)。分析原因，主要與CBN磨粒處于顆粒狀、導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)多層砂輪內(nèi)部具有完全一致的磨粒三維分布有關(guān)，因而也無法充分展現(xiàn)陶瓷CBN砂輪的磨削潛能(包括工具壽命和鋒利度)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，克服現(xiàn)有普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨粒無序分布的缺點(diǎn)，提供一種磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪，據(jù)此提高陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的壽命和鋒利度，最終目的是通過此種砂輪實(shí)現(xiàn)高效精密磨削汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與齒輪、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫頭與渦輪軸花鍵等零部件。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪的制備方法。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪，包括金屬基體和磨料層兩部分，磨料層粘接于金屬基體上，所述磨料層與基體粘接是通過高強(qiáng)度膠黏劑粘接，結(jié)合強(qiáng)度滿足砂輪線速度200m/s使用要求。磨料層的原料組分及重量百分比含量為立方氮化硼纖維磨料40 60%、其余為陶瓷結(jié)合劑。磨料層截面尺寸為(0.3 0.5)mmX (0.3 0.5)mm、長度為3 5mm。陶瓷結(jié)合劑包括以重量百分比計(jì)的以下原料5(T55%Si02、15 20%A1203、1(T15%B203、5 10%K20、其余為Na2O ;陶瓷結(jié)合劑是將各組份混合后添加臨時(shí)粘結(jié)劑獲得，臨時(shí)粘結(jié)劑為液態(tài)石蠟，添加量以將各組份混勻?yàn)闇?zhǔn)。因?yàn)榕R時(shí)粘結(jié)劑在砂輪的烘干過程中將揮發(fā)去除，所以其添加量無需定量控制。所述臨時(shí)粘結(jié)劑為液態(tài)石蠟。磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪的制備方法，包括以下步驟陶瓷結(jié)合劑與臨時(shí)粘接劑配混料、立方氮化硼纖維磨粒有序排布并與磨料層毛坯壓制成型并烘干、磨料層毛坯燒結(jié)、磨料層與基體粘接、砂輪回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、磨料層外圓及端面修整、砂輪磨料層檢查、動(dòng)平衡、外觀處理得到砂輪，基體直徑為20(T400mm、厚度為l(T20mm，材料為調(diào)質(zhì)態(tài)45#鋼。所述的有序排布是通過將纖維磨粒放入模板固定間距的孔穴中實(shí)現(xiàn)；詳言之，是先將配混均勻的陶瓷結(jié)合劑原料放入圖3所示模具內(nèi)腔，然后將圖2所示孔模板放置在陶瓷結(jié)合劑原料頂部，再在每個(gè)孔模板的孔內(nèi)插入CBN纖維磨粒，插滿孔后取走孔模板，然后采用壓力機(jī)，以IOOMPa的壓力將陶瓷結(jié)合劑原料、CBN纖維磨粒壓實(shí)，保壓3分鐘后脫模，即可獲得CBN磨粒三維規(guī)則排布的磨料層毛坯；磨料層截面尺寸為(0. 3 0. 5)mmX (0. 3 0. 5)mm、長度為 3 5mm。所述的烘干是在普通烘干機(jī)中，將磨料層毛坯在10(Tl2(rC溫度下烘烤10(T120分鐘，去掉臨時(shí)粘接劑。磨料層毛坯的燒結(jié)過程在氬氣保護(hù)中進(jìn)行，升降溫曲線為6(T80分鐘自室溫升溫到28(T320°C，保溫10 15分鐘；然后60 80分鐘升溫到58(T620°C，保溫15 25分鐘；然后80 100分鐘升溫到72(T740°C，保溫100 120分鐘；然后100 120分鐘降溫到28(T320°C，保溫10 15分鐘；然后隨爐冷卻，低于150。。(開爐門)，低于80°C出爐。實(shí)踐證明與磨粒無序分布的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪相比，使用本發(fā)明制作的多個(gè)系列磨粒三維有序分布的CBN砂輪磨削汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金壓氣機(jī)葉片與高溫合金渦輪盤/軸等零部件可使表面粗糙度普遍提高1-2個(gè)精度等級(jí)、材料去除效率提高2 3倍、砂輪壽命提高2 3倍，具有顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益。


圖I為CBN纖維磨粒示意圖。圖2為用于CBN纖維磨粒有序排布的孔模板(局部)不意圖。圖3為用于陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨料層毛坯壓制成型的模具示意圖。圖4為陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨料層內(nèi)部的CBN磨粒三維有序分布示意圖。圖5為普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨料層內(nèi)部的CBN磨粒無序分布示意圖。其中I-CBN顆粒狀磨粒；2_纖維磨粒內(nèi)部的粘結(jié)材料；3_模板孔穴；4_模具內(nèi)腔；5_模具外殼；6_砂輪磨料層內(nèi)部的陶瓷結(jié)合劑；7_砂輪磨料層陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)過程自然形成的氣孔；8_CBN纖維磨粒。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述，實(shí)施例1-7所采用的原料及相關(guān)含量、參數(shù)見表I。(注表中含量為重量百分比)表I實(shí)施例f 7中陶瓷結(jié)合劑CBN纖維砂輪磨料層各組元含量
權(quán)利要求
1.磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪，包括金屬基體和磨料層兩部分，磨料層粘接于金屬基體上，磨料層的原料組分及重量百分比含量為立方氮化硼纖維磨料40飛0%、其余為陶瓷結(jié)合劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪，其特征在于所述的陶瓷結(jié)合劑包括以重量百分比計(jì)的以下原料5(T55%Si02、15 20%Α1203、1(Γ15%Β203、5 10%Κ20、其余為Na2O ;陶瓷結(jié)合劑是將各組份混合后添加臨時(shí)粘結(jié)劑獲得，臨時(shí)粘結(jié)劑為液態(tài)石蠟，添加量以將各組份混勻?yàn)闇?zhǔn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪，其特征在于所述的所述磨料層截面尺寸為(O. 3^0. 5)mmX (O. 3^0. 5)mm、長度為3 5mm。
4.磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪的制備方法，其特征在于包括以下步驟陶瓷結(jié)合劑與臨時(shí)粘接劑配混料、立方氮化硼纖維磨粒有序排布并與磨料層毛坯壓制成型并烘干、磨料層毛坯燒結(jié)、磨料層與基體粘接、砂輪回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、磨料層外圓及端面修整、砂輪磨料層檢查、動(dòng)平衡、外觀處理； 所述的有序排布是通過將纖維磨粒放入模板固定間距的孔穴中實(shí)現(xiàn)；磨料層毛坯的燒結(jié)過程在氬氣保護(hù)中進(jìn)行，升降溫曲線為6(Γ80分鐘自室溫升溫到28(T320 °C，保溫1(Γ15分鐘；然后6(Γ80分鐘升溫到58(Γ620 V，保溫15 25分鐘；然后8(Tl00分鐘升溫到720 740 °C，保溫100 120分鐘；然后100 120分鐘降溫到280 320 °C，保溫10 15分鐘；然后隨爐冷卻，低于150 1開爐門，低于80 °C出爐。
全文摘要
一種磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪及其制備方法，該砂輪由基體和粘接于基體的磨料層組成，其特征在于磨料層包含立方氮化硼纖維磨料40~60重量%及余量的陶瓷結(jié)合劑。陶瓷結(jié)合劑包括以重量百分比計(jì)的以下原料50~55%SiO2、15~20%Al2O3、10~15%B2O3、5~10%K2O、其余為Na2O。制備方法包括混料、模具內(nèi)壓制成型并烘干、毛坯燒結(jié)、磨料層與基體粘接，經(jīng)試驗(yàn)、修整、檢查、外觀處理后獲得的砂輪壽命長、自銳性好、磨削效率高、加工精度好，適于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)關(guān)鍵零部件的高效精密磨削。其中燒結(jié)方法是采用分段式升溫至最高溫度720~740℃，保溫100~120分鐘。
文檔編號(hào)B24D18/00GK102729157SQ20121020344
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者丁文鋒, 傅玉燦, 徐九華, 楊長勇, 蘇宏華, 苗情, 陳珍珍 申請人:南京航空航天大學(xué)