CN103223644A

CN103223644A - 磨削钛合金用陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮

Info

Publication number: CN103223644A
Application number: CN2013101238084A
Authority: CN
Inventors: 李志宏; 武卫杰; 朱玉梅
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: CN103223644B

Abstract

本发明公开了一种磨削钛合金用陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，由基体、砂轮块和粘结层组成，所述砂轮块的原料组分及其质量百分比含量为40～80%立方氮化硼磨料，0～30%碳化硅，14～35%陶瓷结合剂，6%临时粘结剂;所述陶瓷结合剂的原料组分及其质量百分比含量为15～25%B₂O₃，8～15%Al₂O₃，46～60%SiO₂，2～8%Li₂O，2～10%Na₂O，2～10%ZnO，2～1O%AlN，该陶瓷结合剂的耐火度低于700°C。本发明可以有效解决钛合金在磨削过程中出现的磨削力大、磨削温度高、砂轮粘附严重等缺陷，其优点是热导率高、自锐性好、磨削效率高、磨削精度高、使用寿命长、成本低、工艺简单。

Description

磨削钛合金用陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮

技术领域

本发明是关于磨削加工工具的，尤其涉及钛合金磨削加工用的陶瓷结合剂立方氮化硼(CBN)砂轮。

背景技术

钛合金具有密度小、强度高(常温、高温下均具有较高的强度)、比强度高、耐高温、耐腐蚀性好、可与复合材料结构匹配、高韧性、无磁等优点，目前已在航空、航天、核能、舰船、兵器等诸多领域获得越来越多的应用，成为重要的战略金属材料。其应用水平已成为衡量一个国家武器装备的先进程度，反映一个国家的军事水平和军事实力的重要指标。但是对钛合金而言，加工性差、加工效率低已成为阻碍其广泛推广应用的的主要原因。

在20世纪90年代初，很多钛合金零件对尺寸精度和表面粗糙度的要求并不太高，多数只需要精车即可满足要求。随着科技发展和产品性能的提高，对钛合金零件的尺寸精度和表面粗糙度的要求越来越高，例如某些飞机零件必须经过磨削加工工序才能满足要求，但钛合金的磨削加工性能很差，磨削时主要存在难题有:磨削力大、磨削温度高；砂轮粘附严重；磨削过程中变形复杂，形成层叠状挤裂切屑；化学活性高，磨削过程中表面容易形成硬脆表层；磨削质量不易控制等。

近几十年来，针对钛合金在磨削过程中出现的问题，国内外学者进行了大量的研究，取得了一定的进展，主要集中在钛合金的磨削机制、磨削工艺以及磨具的制备等方面。就磨削工艺而言，主要有超高速磨削、高效深磨、强冷磨削等。就磨具的制备而言，由于CBN磨料具有良好的导热性和热稳定性，较小的磨削力和较低的磨削温度，以及对铁族元素的化学惰性，可获得较好的加工表面完整性，特别适合钛合金、高温合金等难加工材料的磨削加工。此外，陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮具有刚性好、磨削锋利、气孔率可调，结合剂与磨料的结合强度高，能有效解决现有技术钛合金在磨削过程中出现的问题。

发明内容

本发明的目的，是克服现有技术用于磨削钛合金的磨具存在的缺点和不足，提供一种具有热导率高、自锐性好、磨削效率高、磨削精度高、使用寿命长、磨削成本低的磨削钛合金用的陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，使其更好地适用于钛合金磨削加工的需要，有效地解决钛合金磨削过程中出现的问题。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种磨削钛合金用陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，由基体、砂轮块和粘结层组成，其特征在于，所述砂轮块为立方氮化硼砂轮块，即工作层，其原料组分及其质量百分比含量为40～80%立方氮化硼磨料，0～30%碳化硅，14～35%陶瓷结合剂，6%临时粘结剂;

所述陶瓷结合剂的原料组分及其质量百分比含量为15～25%B₂O₃，8～15%Al₂O₃，46～60%SiO₂，2～8%Li₂O，2～10%Na₂O，2～10%ZnO，2～10%AlN;

所述临时粘结剂为糊精液或者水玻璃。

所述立方氮化硼磨料与碳化硅磨料的粒度一致，均为80/100-325/400目。

所述陶瓷结合剂的耐火度低于700°C。

本发明的有益效果:提供了一种钛合金磨削加工用的陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，有效解决钛合金在磨削过程中出现的磨削力大、磨削温度高、砂轮粘附严重等问题。该砂轮具有热导率高、自锐性好、磨削效率高、磨削精度高、使用寿命长、磨削成本低、制备工艺简单等特点，具有巨大的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明立方氮化硼砂轮的结构示意图;

图2是图1的俯视图。

附图标记说明如下:

l——CBN砂轮块 2——粘结层

3——基体

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明做进一步描述。

本发明采用常规的化工原料和常规的制备方法，首先制备陶瓷结合剂。

由于立方氮化硼磨料与普通碳化硅、刚玉磨料相比，在较低的温度下(1000°C以下)即可被氧化，1200°C以上将转化为类石墨的六方结构，失去其超硬磨料的特性，所以陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮与普通陶瓷结合剂砂轮相比需要采用低温烧结，即陶瓷结合剂本身的耐火度要低。此外，由于磨削过程中产生大量的磨削热，且60～95%的热量传入工件，而钛合金自身的导热系数特别小，这些传入工件的热量在磨削过程中来不及传入工件深处，而聚集在工件表面形成局部高温，进而造成工件表面烧伤、砂轮粘附严重。因此，需要进一步提高磨具的导热率，让更多的磨削热传入砂轮，减少磨削E热量，降低磨削温度。

在陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮的工作层中，立方氮化硼磨料具有很高的热导率(1200W/m·K)，而其中起到黏结作用的陶瓷结合剂却是热的不良导体，严重阻碍热量的传递，使得磨削热不能有效、快速地散发出去，导致磨削区温度太高，造成工件表面烧伤、砂轮粘附现象加重，最终导致工件加工质量差，砂轮使用寿命短。本发明是向陶瓷结合剂中加入高导热的填料，旨在提高陶瓷结合剂的热导率，进而提高陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮的热导率，让更多的磨削热传入砂轮，减少磨削区热量，降低磨削温度。

本发明的陶瓷结合剂的制备分为两步，首先制备低熔点的基础陶瓷结合剂，然后向基础陶瓷结合剂中加入高导热的AlN填料，在基础陶瓷结合剂中形成导热通路，制备热导率较高的陶瓷结合剂。

基础陶瓷结合剂的制备方法:将15～25%B₂O₃，8～15%Al₂O₃，46～60%SiO₂，2～8%Li₂O，4～10%Na₂O，2～10%ZnO按比例混料，然后放入高温熔块炉中加热至1350°C，保温2h进行充分熔炼，水淬，在100°C烘箱中干燥24h之后进行研磨，过250目筛，即制得基础陶瓷结合剂。然后向基础陶瓷结合剂中加入适量AlN，混合均匀，即制得陶瓷结合剂。陶瓷结合剂的耐火度低于700°C，其具体实施例详见表1。

表1

本发明的立方氮化硼砂轮，是由若干个弧型CBN砂轮块(工作层)组成，如图1、图2所示，弧型CBN砂轮块1通过环氧树脂粘结剂粘贴到基体3上，制成完整的圆形结构的陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮;相邻的CBN砂轮块之间以及砂轮块与基体之间形成粘结层2。

所述CBN砂轮块的原料组成为立方氮化硼磨料、碳化硅磨料(辅助磨料)、陶瓷结合剂和临时粘结剂;其质量百分比含量为40～80%立方氮化硼磨料，10～30%碳化硅，15～35%陶瓷结合剂，6%临时粘结剂。采用常规的制备方法，具体的实施步骤如下:

(1)根据被磨削钛合金工件的表面粗糙度、加工精度、加工方式等选择立方氮化硼磨料的粒度、磨具的硬度及组织号。碳化硅磨料的粒度与立方氮化硼磨料的粒度一致，为80/100～325/400目;根据砂轮的硬度、组织要求，设计砂轮块的密度;

(2)根据模具的具体尺寸，设计砂轮块的单重，模具设计时一定要保证烧结后的CBN砂轮块的弧度、宽度尺寸正好与金属基体相吻合;

(3)根据砂轮直径计算整个砂轮所需的弧型砂轮块的数量;

(4)经过配料、混合、过筛，加入临时粘结剂，再混合、过筛，即得到成型料;

(5)将成型料按一定的单重投入到模具中压制成型，将坯体在750°C下烧结，即制得立方氮化硼砂轮块。

CBN砂轮块具体实施例的原料组成及其具体质量百分比含量详见表2。

表2

No

立方氮化硼

碳化硅

陶瓷结合剂

粘结湿润剂

	(%)	(%)	(%)	(5%)
					实施例1	44	30	26	糊精液
实施例2	54	20	26	水玻璃
					实施例3	63	15	22	糊精液
实施例4	70	12	18	水玻璃

(6)用丙酮或酒精将基体和烧成后的弧型砂轮块清洗干净，将弧型CBN砂轮块1用环氧树脂粘结剂粘贴到基体3上，制成完整的圆形结构的陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮;粘结时要保证相邻的CBN砂轮块之间以及砂轮块与基体之间的粘结层不存在较大的缝隙，然后加压、固化。将固化好的组合砂轮卸压，再对砂轮块进行表面清理、修整，并对砂轮进行回转强度和动平衡检测，使之满足不同钛合金工件的磨削要求。

本发明并不局限于上述实施例，很多细节的变化是可能的，但这并不因此违背本发明的范围和精神。

Claims

1.一种磨削钛合金用陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，由基体、砂轮块和粘结层组成，其特征在于，所述砂轮块为立方氮化硼砂轮块，即工作层，其原料组分及其质量百分比含量为40～80%立方氮化硼磨料，0～30%碳化硅，14～35%陶瓷结合剂，6%临时粘结剂;

所述陶瓷结合剂的原料组分及其质量百分比含量为15～25%B_２O_３，8～15%Al_２Ｏ_３，46～60%ＳiＯ_２，2～8%Li₂O，2～10%Na₂O，2～10%ZnO，2～10%AlN;

所述临时粘结剂为糊精液或者水玻璃。

2.根据权利要求1的磨削钛合金用陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，其特征在于，所述立方氮化硼磨料与碳化硅磨料的粒度一致，均为80/100-325/400目。

3.根据权利要求1的磨削钛合金用陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，其特征在于，所述陶瓷结合剂的耐火度低于700°C。