CN107900921A

CN107900921A - 一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔立方氮化硼砂轮工作层及其制造方法

Info

Publication number: CN107900921A
Application number: CN201710945948.8A
Authority: CN
Inventors: 丁文锋; 赵彪; 徐九华; 傅玉灿; 苏宏华; 杨长勇
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2018-04-13

Abstract

本发明涉及一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔立方氮化硼砂轮工作层及其制造方法，该多孔CBN砂轮工作层由15%‑25%的CBN磨粒团簇、5%的石墨烯颗粒、15%‑20%的尿素颗粒、50%‑65%的Cu‑Sn‑Ti活性胎体合金（10%Ti，72%Cu，18%Sn）组成。制备方法是：将石墨烯和Cu‑Sn‑Ti活性胎体合金制成复合结合剂；将5‑6个CBN磨粒包裹一层缩丁醛胶体溶液，将石墨烯复合结合剂涂覆磨粒四周并加压，构成一组磨粒团簇；将磨粒团簇、尿素颗粒、复合结合剂通过机械搅拌方式混匀，通过轴向加压方式制成工作层毛坯；将工作层毛坯去除造孔剂后烘干制得多孔立方氮化硼砂轮工作层毛坯，并采用真空液相烧结形成多孔立方氮化硼砂轮工作层。制得的多孔立方氮化硼砂轮工作层兼具高气孔率、高强度、自锐性好和导热性好等特性。

Description

一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔立方氮化硼砂轮工作层及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔立方氮化硼(Cubic BoronNitride，简称CBN)砂轮工作层制造方法，为一种复合结合剂砂轮，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)具有高硬度、高耐磨性、化学性质稳定等优点。因此，采用CBN磨粒制作的超硬磨料砂轮在加工高强韧性难加工材料(比如钛合金、镍基高温合金等)方面得到了应用。现阶段，针对高强韧性难加工材料高效磨削过程表现出的材料去除率高、负荷重、磨削热多的加工特性，使得高强韧性难加工材料高效磨削面临实现高速、加工质量差、砂轮修整频繁等难题。因此，为了匹配高强韧性难加工材料高效磨削过程表现出的加工特性，CBN砂轮工作层除需具备高耐磨性和高型面稳定性外，还必须同时满足高锋利度、高导热性以及高气孔率的要求。

目前，虽然传统CBN砂轮等(如：树脂结合剂CBN砂轮、金属结合剂CBN砂轮和陶瓷结合剂CBN砂轮)在普通磨削加工中广泛应用，但仍无法满足高强韧性难加工材料高效磨削对砂轮的特殊要求。相比于树脂结合剂CBN砂轮，金属结合剂CBN砂轮显著提升磨粒把持强度和耐磨性，然而致密的金属工作层导致加工时工件粘附和堵塞严重。考虑到高强韧性难加工材料高效磨削时的加工特性，显然具备气孔率高、自锐性好、易修整修锐等优点的陶瓷结合剂CBN更为合适，但陶瓷材料本身脆性大、抗冲击性差、型面稳定性差等缺点也在一定程度上限制了其在高速/超高速磨削领域的应用。

鉴于传统CBN砂轮在加工高强韧性难加工材料高效磨削过程中存在的加工表面易烧伤、砂轮修整频繁、磨削质量稳定性差等问题，开发一种兼具高气孔率、传热性好、自锐性好及高强度等优良特性的新型CBN超硬磨料砂轮已迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层及其制造方法，其既能实现高强韧难加工材料高效磨削加工，又能解决传统CBN砂轮在加工过程中存在的加工表面易烧伤、砂轮修整频繁、磨削质量稳定性差等问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层，是由CBN磨粒团簇、石墨烯颗粒、尿素颗粒和Cu-Sn-Ti活性胎体合金组成；

Cu-Sn-Ti活性胎体合金作为砂轮工作层胎体；复合结合剂包括Cu-Sn-Ti活性胎体合金和石墨烯颗粒，尿素颗粒是造孔剂。

具体而言，多孔CBN砂轮工作层的原料组分以及质量百分比含量为：15％-25％的CBN磨粒团簇、5％的石墨烯颗粒、15％-20％的尿素颗粒、50％-65％的Cu-Sn-Ti活性胎体合金；

进一步，所述Cu-Sn-Ti活性胎体合金粉末颗粒的粒径为20-30微米，原料各组分的质量百分比含量为：10％Ti，72％Cu，18％Sn。

进一步，所述磨粒团簇由5-6个CBN磨粒(粒径为90-110微米)的通过一定的排布组成；

石墨烯颗粒采用多层石墨烯(层数<10)，粒径大小为3-6微米；

球状尿素颗粒直径为200-400微米。

一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层的制造方法，是按照均匀混合、加压、水溶和烘干等操作步骤成型，所有工作层毛坯采用真空液相烧结形成CBN砂轮工作层。

进一步，所述基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层的制造方法，包括以下的步骤：

(1)将石墨烯和Cu-Sn-Ti活性胎体合金按比例均匀并滴入配好的1ml缩丁醛胶体溶液，充分搅拌后置入60℃恒温箱进行干燥，15分钟后将混合物进行充分球磨、过筛，制得石墨烯复合结合剂；

(2)将5-6个CBN磨粒包裹一层缩丁醛胶体溶液，将石墨烯复合结合剂涂覆磨粒四周并加压，构成一组磨粒团簇(如图1所示)。将制得的磨粒团簇和尿素颗粒加入到石墨烯复合结合剂中混合均匀，通过冷压模具轴向加压方式制成工作层节块毛坯(如图2所示)；

(3)将冷压成型的工作层节块毛坯置入25℃去离子水中，静置150分钟，去除造孔剂尿素颗粒，取出工作层节块置入60℃恒温箱进行干燥，2小时后获得多孔工作层节块毛坯；

(4)将制得的多孔工作层节块毛坯放入真空炉进行钎焊处理，升降温曲线为：以15℃/min的速度自室温升至150℃，保温10分钟；然后以10℃/min的速度升温至600℃，保温20分钟；然后以5℃/min的速度升温至880℃，保温30分钟；然后随炉冷却至室温，制得兼具高开孔气孔率、高强度、导热性好和自锐性好等特性的CBN砂轮工作层节块。

本发明的有益效果是：

首先，向Cu-Sn-Ti活性胎体合金中均匀混合石墨烯颗粒、尿素颗粒和CBN磨粒，不仅能够获得高气孔率及充足容屑空间的砂轮工作层开孔结构，而且凭借石墨烯颗粒自身高强韧、高导热性、高硬度特性，还能显著提升砂轮工作层型面强度和工作层导热性。因此，不仅能够显著改善现有多孔金属结合剂砂轮由于引入孔隙结构导致的工作层型面强度较低及容易崩边等问题，而且还能增强砂轮工作层透水性以及导热性。

其次，砂轮工作层中Cu-Sn-Ti活性胎体合金中Ti元素和石墨烯中的C元素，在液相烧结过程中与CBN磨粒的B和N元素均发生化学反应，生成TiN、TiB₂、TiB、TiC等化合物，增强金属结合剂对磨粒的润湿性，有效提升磨粒把持强度，同时保持CBN磨粒自身的超强耐磨性和锋利切削刃。

最后，采用小颗粒CBN磨粒团簇代替大颗粒CBN磨粒，可以利用磨粒团簇中小粒径磨粒在加工中连续微切削作用，显著提升砂轮自锐性能，改善加工表面质量。

附图说明

图1为CBN磨粒团簇示意图；

图2为CBN砂轮工作层组织结构示意图；

图3为本发明实施例1制备的CBN砂轮工作层组织结构电镜图。

图2中：1-微气孔；2-CBN磨粒；3-Cu-Sn-Ti胎体合金；4-大气孔；5-CBN磨粒团簇；6-砂轮工作层。

具体实施方式

以下将结合实施例具体说明本发明的技术方案：

实施例1

一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层，该砂轮工作层6由CBN磨粒团簇5、石墨烯颗粒、尿素颗粒和Cu-Sn-Ti活性胎体合金3组成；

尿素颗粒为球状，粒径为200-400微米，其所占砂轮工作层6质量百分比为15％。选用Cu-Sn-Ti活性胎体合金质量百分比为65％(其中，Ti含量为10％，Cu、Sn合金含量为90％，比例为4:1)，粒径为20-30微米；石墨烯颗粒采用多层石墨烯(层数<10)，粒径大小为3-6微米，质量百分比为5％；CBN磨粒2的粒径为90-110微米，质量百分比为15％，由5-6个磨粒组成一个磨粒团簇(如图1所示)。

将制得的Cu-Sn-Ti活性胎体合金和石墨烯颗粒混合物与尿素颗粒和CBN磨粒团簇通过机械搅拌方式混匀，通过200MPa轴向加压方式将上述均匀混合物制成工作层毛坯。将工作层毛坯置于去离子水中，经150min充分扩散、溶解，去除造孔剂尿素颗粒，并经烘干制得多孔工作层毛坯(如图2所示)。将多孔工作层毛坯真空高温加热至880℃并保温30min，通过充分的液相烧结，使Cu-Sn-Ti活性胎体合金和CBN磨粒及石墨烯颗粒发生化学反应，待冷却至室温后取出。

图2所示为发明实施例1制备的CBN砂轮工作层磨粒及气孔排布示意图，不难看出，由球形尿素颗粒制备的孔隙率可达50％，并且气孔形状保持尿素颗粒水溶前近球状外形，且气孔孔径显著大于金属结合剂砂轮内部孔隙结构；通过三点弯曲试验测得其抗弯强度超过90MPa，满足了砂轮工作层高强度与高气孔率要求。此外，工作层节块弯曲试验断裂过程中，断面未发现磨粒脱落现象，证明结合剂层对磨粒提供了高把持力。同时，磨粒的锋利切削刃和超强耐磨性亦得到可靠保证。

实施例1-6关键工艺参数的比较见表1，未罗列的信息同实施例1：

表1

在石墨烯添加量确定为5wt.％，CBN磨粒质量分数为15wt.％的情况下，添加球状尿素颗粒制备浓度为100％的节块试样，试验研究尿素颗粒对节块弯曲强度及开孔孔隙率的影响规律。结果显示，尿素颗粒含量越高，节块强度越低(当尿素颗粒含量从15wt.％增加至20wt.％时，节块强度从92.2MPa降至52.9MPa，超过20％的含量，则节块弯曲强度不满足使用要求，低于15％的含量，则获得高强度节块试样)，且开孔孔隙率越大(当尿素颗粒含量从15wt.％增加至20wt.％时，开孔孔隙率从53.1vol.％升至70.9vol.％，超过20％的含量，则获得高气孔率节块试样，低于15％，则节块开孔气孔率达不到要求)。

当添加尿素颗粒固定在15％或者20％时，考察CBN磨粒质量分数对性能的影响，发现节块弯曲强度和开孔孔隙率随CBN磨粒质量分数的增加基本保持不变。

当石墨烯添加量低于5％时，节块试样出现坍塌，无法烧结成型，高于5％时，节块试样弯曲强度大幅度降低，加剧砂轮磨损。

Claims

1.一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层，其特征在于：是由CBN磨粒团簇、石墨烯颗粒、尿素颗粒和Cu-Sn-Ti活性胎体合金组成；CBN砂轮工作层的原料组分以及质量百分比含量为：15%-25%的CBN磨粒团簇、5%的石墨烯颗粒、15%-20%的尿素颗粒、50%-65%的Cu-Sn-Ti活性胎体合金。

2.权利要求1所述的基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层，其特征在于，所述Cu-Sn-Ti活性胎体合金粉末颗粒的粒径为20-30微米，其原料各组分的质量百分比含量为：10%Ti，72%Cu，18%Sn。

3.权利要求1所述的基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层，其特征在于，所述磨粒团簇由5-6个粒径为90-110微米的CBN磨粒排布组成。

4.权利要求1所述的基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层，其特征在于，所述石墨烯颗粒采用多层石墨烯，层数<10，粒径大小为3-6微米。

5.权利要求1所述的基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层，其特征在于，所述球状尿素颗粒直径为200-400微米。

6.权利要求1所述的基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层的制造方法，其特征在于,包括以下的步骤：

（1）将石墨烯和Cu-Sn-Ti活性胎体合金按比例混合均匀并滴入事先配制完成的浓度为5 wt%缩丁醛胶体溶液，充分搅拌后置入恒温箱进行干燥，然后取出球磨、过筛，制得石墨烯复合结合剂；

（2）将5-6个CBN磨粒包裹一层缩丁醛胶体溶液，将石墨烯复合结合剂涂覆磨粒四周并加压，构成一组磨粒团簇，将制得的磨粒团簇和尿素颗粒加入到石墨烯复合结合剂中混合均匀，通过冷压模具制成工作层节块毛坯；

（3）将冷压成型的工作层节块毛坯去除造孔剂尿素颗粒，取出工作层节块进行干燥，获得多孔工作层节块毛坯；

（4）将制得的多孔工作层节块毛坯放入真空炉进行钎焊处理，升降温曲线为：以15℃/min的速度自室温升至150℃，保温10分钟；然后以10℃/min的速度升温至600℃，保温20分钟；然后以5℃/min的速度升温至880℃，保温30分钟；然后随炉冷却至室温，制得CBN砂轮工作层节块。