專利名稱：立方氮化硼纖維磨粒及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于超硬磨料砂輪的立方氮化硼纖維磨粒，屬于超硬磨粒技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1957年美國(guó)通用電氣公司超硬材料研究部的R. H. Wentorf聯(lián)想石墨轉(zhuǎn)化成金剛石的道理，采用相似的方法首次成功地合成立方氮化硼(Cubic Boron Nitride,以下簡(jiǎn)稱CBN)微粉顆粒。從20世紀(jì)六十年代初到七十年代初期，前蘇聯(lián)、英國(guó)、前西德、日本和中國(guó)都相繼掌握了 CBN的合成技術(shù)。由于CBN材料的高硬度和具有優(yōu)于金剛石的熱穩(wěn)定性與化學(xué)惰性，引起了加工技術(shù)界的極大關(guān)注。采用CBN顆粒制作的各種超硬磨料砂輪在鈦合金、鎳基高溫合金、高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼等金屬材料的高效精密磨削加工中已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
需指出的是，現(xiàn)階段在制作CBN超硬磨料砂輪時(shí)，選用的均為顆粒狀CBN磨粒。該類(lèi)磨粒的長(zhǎng)徑比通常在I左右，如圖I所示。單純采用這種顆粒狀磨粒制作砂輪存在的問(wèn)題主要在于無(wú)法實(shí)現(xiàn)磨粒在樹(shù)脂、陶瓷、金屬結(jié)合劑CBN砂輪磨料層內(nèi)部的規(guī)則分布，磨粒總是處于雜亂無(wú)序隨機(jī)狀態(tài)(注=CBN砂輪通常包括金屬基體與磨料層兩部分，磨料層是砂輪的工作部分，金屬基體起支撐作用，磨料層與金屬基體之間通過(guò)膠水粘接)。理論研究和磨削實(shí)踐已經(jīng)證實(shí)，將CBN磨粒規(guī)則排布在砂輪磨料層可以顯著提高砂輪的鋒利度和壽命，從而達(dá)到提高磨削過(guò)程的效率和質(zhì)量的目的。其原因與顆粒狀CBN磨粒的無(wú)序隨機(jī)分布狀態(tài)沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷、金屬、樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪整個(gè)工作過(guò)程均具有一致的工作面狀態(tài)的有效控制密切相關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致CBN超硬磨粒的優(yōu)異磨削性能無(wú)法得到充分發(fā)揮與展示?，F(xiàn)階段，磨粒規(guī)則排布技術(shù)只能在電鍍和釬焊砂輪中實(shí)現(xiàn)，詳見(jiàn)文獻(xiàn)(J. C. Aurich, P. Herzenstiel, H. Sudermann, T. Magg. High-performance dry grindingusing a grinding wheel with a defined grain pattern. CIRP Annals-ManufacturingTechnology, 2008，57:357-362)與文獻(xiàn)(ff. 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，由于電鍍和釬焊砂輪只存在單層磨粒，使得砂輪的工作壽命顯著低于含有多層磨粒的陶瓷、樹(shù)脂、金屬結(jié)合劑CBN砂輪。這導(dǎo)致電鍍和釬焊CBN砂輪的應(yīng)用受到很大程度限制。此外，電鍍和釬焊CBN砂輪的磨粒規(guī)則排布只要求在二維平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于陶瓷、樹(shù)脂、金屬結(jié)合劑砂輪的磨料層而言，其磨粒規(guī)則排布則要求在三維長(zhǎng)方體中實(shí)現(xiàn)，難度非常大。這也是陶瓷、樹(shù)脂、金屬結(jié)合劑砂輪磨料層至今無(wú)法實(shí)現(xiàn)磨粒三維規(guī)則排布的主要原因。為了實(shí)現(xiàn)陶瓷、樹(shù)脂、金屬結(jié)合劑CBN砂輪磨料層內(nèi)部CBN磨粒的規(guī)則分布，人們嘗試了很多方法，但均無(wú)法取得預(yù)期效果，其原因與CBN磨粒為圖I所示的顆粒狀態(tài)直接相關(guān)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出立方氮化硼纖維磨粒，一方面，通過(guò)纖維狀態(tài)對(duì)CBN磨粒位置的約束和固定作用，實(shí)現(xiàn)陶瓷、樹(shù)脂、金屬結(jié)合劑砂輪磨料層內(nèi)部CBN磨粒的規(guī)則排布。另一方面，該種磨粒具有強(qiáng)度高、耐磨性與自銳性好的特點(diǎn)，滿足超硬磨料砂輪對(duì)磨粒強(qiáng)度、耐磨性與自銳性的要求，從而提高磨削效率與質(zhì)量。本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種立方氮化硼纖維磨粒，包括立方氮化硼磨粒與粘結(jié)劑兩部分，其中立方氮化硼磨粒表面設(shè)有鍍鈦層或鍍鉻層，鍍層的厚度為51 ym;粘結(jié)劑的組分及重量百分比含量為=Al2O3粉末16 20%、B203粉末28 32%、Na20粉末3 10%、其余為SiO2粉末。磨粒與粘結(jié)劑各占比例為磨粒30重量9T40重量％、粘結(jié)劑60重量9T70重量％。采用表面鍍鈦或鍍鉻的CBN磨粒，與普通無(wú)鍍層CBN磨粒相比，其主要作用在·于通過(guò)表面鍍層金屬提高燒結(jié)過(guò)程中玻璃相粘結(jié)材料對(duì)CBN磨粒的潤(rùn)濕性和把持力，從而提高CBN纖維磨粒的強(qiáng)度、耐磨性與自銳能力。一種立方氮化硼纖維磨粒的制備方法，包括以下步驟(I)粘結(jié)材料與鍍層CBN磨粒配混料鍍鈦層或鍍鉻層CBN磨粒、粘結(jié)劑所占重量百分比分別為CBN磨粒30 40%、粘結(jié)劑60 70% ；CBN磨粒表面的鍍鈦層或鍍鉻層厚度為5 10 u m ；磨粒與粘結(jié)劑采用機(jī)械方法攪拌均勻，在攪拌過(guò)程中，添加適量臨時(shí)粘結(jié)劑，其添加量以將原材料攪勻?yàn)闇?zhǔn)。因?yàn)榕R時(shí)粘結(jié)劑在步驟(2)的烘干過(guò)程中將揮發(fā)去除，所以其添加量無(wú)需定量控制。所述臨時(shí)粘結(jié)劑為糊精；粘結(jié)劑的原料組分及重量百分比含量為=Al2O3粉末16 20%、B203粉末28 32%、Na20粉末3 10%、其余為SiO2粉末。(2) CBN纖維磨粒毛坯制作將步驟(I)中配混均勻后的原料放入圖5所示模具內(nèi)腔中，模具內(nèi)腔的尺寸規(guī)格與所需制作的CBN纖維磨粒的尺寸一致。然后，在IOOMPa的壓力下壓制。隨后，將模具與纖維磨粒放入加熱爐中，在10(Tl2(rC溫度下烘烤12(Tl40分鐘后脫模。(3) CBN纖維磨粒高溫?zé)Y(jié)成型所述CBN纖維磨粒的燒結(jié)過(guò)程在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行，真空度不差于10_2Pa ;反應(yīng)體系的升降溫曲線為55 65分鐘自室溫升溫到38(T420°C，保溫8 12分鐘；然后在55 65分鐘升溫到58(T620°C，保溫8 12分鐘；然后在110 130分鐘升溫到795 805 °C，保溫18 22分鐘；然后在110 130分鐘降溫到58(T620°C，保溫8 12分鐘；然后在55 65分鐘內(nèi)降溫到28(T320°C，保溫8 12分鐘后隨爐冷卻；低于150°C后開(kāi)爐門(mén)；低于80°C出爐。獲得的CBN纖維磨?？梢詫?shí)現(xiàn)砂輪磨料層內(nèi)部CBN磨粒的規(guī)則排布，同時(shí)滿足樹(shù)月旨、陶瓷、金屬結(jié)合劑超硬砂輪對(duì)磨粒在強(qiáng)度、耐磨性、自銳性等方面的要求。該CBN纖維磨粒制作的樹(shù)脂、陶瓷、金屬結(jié)合劑超硬砂輪可用于航空航天、汽車(chē)等行業(yè)關(guān)鍵零部件的加工，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)輪盤(pán)與齒輪、汽車(chē)凸輪軸與齒輪等。


圖I為普通CBN顆粒狀磨粒的電鏡圖。圖2為實(shí)施例I制備獲得的CBN纖維磨粒示意圖。圖3是采用本發(fā)明所述CBN纖維磨粒而實(shí)現(xiàn)的砂輪磨料層內(nèi)部CBN磨粒規(guī)則排布示意圖。圖4為采用圖I所示CBN顆粒狀磨粒制作的樹(shù)脂、陶瓷、金屬結(jié)合劑砂輪磨料層內(nèi)部CBN磨粒的無(wú)序分布示意圖。圖5為CBN纖維磨粒毛坯壓制用槽型模具照片(注模具內(nèi)腔尺寸規(guī)格，如長(zhǎng)、寬與擬制作的CBN纖維磨粒尺寸規(guī)格一致即可)。
其中1_CBN顆粒狀磨粒；2_纖維磨粒內(nèi)部的粘結(jié)材料；3_砂輪磨料層內(nèi)部的結(jié)合劑材料(對(duì)于樹(shù)脂、陶瓷、金屬結(jié)合劑砂輪，其結(jié)合劑材料依次為樹(shù)脂、陶瓷、合金)；4-模具內(nèi)腔；5-模具外殼。
具體實(shí)施例方式在具體實(shí)施例與對(duì)比例中，采用的CBN磨粒的尺寸為15(Tl80iim ;為方便比較，所制得的CBN纖維磨粒的截面邊長(zhǎng)為0. 5mm、長(zhǎng)度為5mm。(注該種CBN纖維磨粒特別適合制作用于高效磨削的樹(shù)脂、陶瓷、金屬結(jié)合劑CBN砂輪，從確保砂輪安全性角度考慮，此種砂輪的磨料層厚度通常為5_)。需指出的是，本發(fā)明所述CBN纖維磨粒的尺寸規(guī)格也可制作成其他截面邊長(zhǎng)和長(zhǎng)度。實(shí)施例I一種立方氮化硼纖維磨粒，包括30重量％立方氮化硼磨粒與70重量％粘結(jié)劑兩部分，其中立方氮化硼磨粒表面層鍍鈦，鍍層的厚度8 ym;粘結(jié)劑的組分及重量百分比含量為=Al2O3 粉末 18%、B2O3 粉末 30%、Na2O 粉末 7%、SiO2 粉末 45%。立方氮化硼纖維磨粒的制備方法鍍鈦層CBN磨粒與粘結(jié)劑混合，添加適量糊精，攪拌均勻；然后將混勻后的原材料放入、并充填滿不銹鋼模具型槽；然后將模具與纖維磨粒放入加熱爐在110°C溫度下烘烤130分鐘后脫模，制得CBN纖維磨粒毛坯；然后將毛坯放入真空燒結(jié)爐(真空度不差于10_2Pa)，將反應(yīng)體系的溫度在60分鐘自室溫升溫到400°C，保溫10分鐘；然后在60分鐘升溫到600°C，保溫10分鐘；然后在120分鐘升溫到800°C，保溫20分鐘；然后在120分鐘降溫到600°C，保溫10分鐘；然后在60分鐘內(nèi)降溫到300°C，保溫10分鐘后隨爐冷卻；低于150°C，開(kāi)爐門(mén)；低于80°C出爐。實(shí)施例2不同于實(shí)施例I之處在于鍍鈦CBN磨粒35重量％，粘結(jié)劑65重量％。粘結(jié)劑的組分及重量百分比含量為A1203粉末16%、B2O3粉末32%、Na2O粉末10%、SiO2粉末42%。實(shí)施例3不同于實(shí)施例I之處在于鍍鈦CBN磨粒40重量％，粘結(jié)劑60重量％。粘結(jié)劑的組分及重量百分比含量為A1203粉末20%、B203粉末28%、Na20粉末3%、Si02粉末49%。實(shí)施例4飛所采用原料含量與階梯升降溫過(guò)程同實(shí)施例f 3，但CBN表面的鍍層金屬為鉻，厚度為8iim。實(shí)施例7不同于實(shí)施例I之處在于鍍鈦CBN磨粒35重量％，粘結(jié)劑65重量％，CBN磨粒表面鍍鈦層厚度為5 u m。實(shí)施例8不同于實(shí)施例I之處在于鍍鈦CBN磨粒35重量％，粘結(jié)劑65重量％，CBN磨粒表面鍍鈦層厚度為10 u m。實(shí)施例擴(kuò)12不同于實(shí)施例I之處在于鍍鈦CBN磨粒35重量％，粘結(jié)劑65重量％，且但階梯升、降溫過(guò)程不同(注溫度單位為。C、耗時(shí)與保溫單位均為分鐘)。具體升降溫度見(jiàn)表I表I實(shí)施例擴(kuò)12所采用的階梯升、降溫過(guò)程參數(shù)

權(quán)利要求
1.立方氮化硼纖維磨粒，其特征在于包括立方氮化硼磨粒與粘結(jié)材料兩部分，其中立方氮化硼磨粒表面設(shè)有鍍鈦層或鍍鉻層，鍍層的厚度為5 10 ;粘結(jié)材料的組分及重量百分比含量為A1203粉末16 20%、B2O3粉末28 32%、Na2O粉末3 10%、其余為SiO2粉末。
2.基于權(quán)利要求I所述的立方氮化硼纖維磨粒的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)首先將粘結(jié)劑與立方氮化硼磨粒通過(guò)添加臨時(shí)粘接劑配混料； (2)然后將配混均勻后的原料放入模具內(nèi)腔中，壓制后，放入加熱爐中烘干后脫模，制 成毛坯； (3)然后將毛坯放入真空燒結(jié)爐； 反應(yīng)體系的升降溫曲線是在55-65分鐘自室溫升溫到380-420 °C，保溫8_12分鐘； 然后在55-65分鐘升溫到580-620 °C，保溫8_12分鐘； 然后在110-130分鐘升溫到795-805 °C，保溫18-22分鐘； 然后在110-130分鐘降溫到580-620 °C，保溫8-12分鐘； 然后在55-65分鐘內(nèi)降溫到280-320 V，保溫8_12分鐘后隨爐冷卻；低于150 °C后開(kāi)爐門(mén)；低于80 °C出爐。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立方氮化硼纖維磨粒的制備方法，其特征在于所述的臨時(shí)粘接劑為糊精。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種立方氮化硼纖維磨粒及其制備方法，立方氮化硼纖維磨粒包括立方氮化硼磨粒與粘結(jié)材料兩部分，其特征在于其中立方氮化硼磨粒表面設(shè)有鍍鈦層或鍍鉻層，鍍層的厚度為5~10μm；粘結(jié)材料的組分及重量百分比含量為Al2O3粉末16~20%、B2O3粉末28~32%、Na2O粉末3~10%、其余為SiO2粉末。燒結(jié)方法是采用分段式升溫至最高加熱溫度795-805℃，保溫18-22分鐘。本發(fā)明所述的CBN纖維磨粒能夠?qū)崿F(xiàn)樹(shù)脂、陶瓷、金屬結(jié)合劑砂輪磨料層內(nèi)部CBN磨粒的規(guī)則排布，并具有強(qiáng)度高、耐磨性與自銳性好的特點(diǎn)，從而提高磨削效率與質(zhì)量。應(yīng)用該型CBN纖維磨粒制作的砂輪可滿足航空航天、汽車(chē)等行業(yè)關(guān)鍵零部件的磨削加工要求。
文檔編號(hào)C09K3/14GK102732213SQ201210194428
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者丁文鋒, 傅玉燦, 徐九華, 楊長(zhǎng)勇, 蘇宏華, 苗情 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)