CN109202754B - 一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮及其制备方法 - Google Patents

一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮及其制备方法，其特征是砂轮是由砂轮轮毂、外表面预先沉积有TiN涂层的CBN磨粒和电镀镍层组成，电镀镍层的厚度仅为CBN磨粒自身粒径的三分之一。其制备方法为：先对CBN磨粒进行磁选、净化、水洗、敏化、活化、干燥，再将经过预处理的CBN磨粒置入闭合场非平衡磁控溅射设备中在磨粒表面沉积一层TiN涂层，最后采用埋砂法将预先在外表面沉积了TiN涂层的CBN磨粒电镀在砂轮轮毂的外圆周面上。利用TiN涂层分别与CBN磨粒、电镀镍层均能形成冶金化学结合的特性，本发明的砂轮有利于解决电镀CBN砂轮磨粒与镀层金属结合强度低、磨粒易脱落且利用率低的问题，显著提高了砂轮的磨削效率和使用寿命，保证了磨削质量。

Description

一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种砂轮的结构及其制备方法，特别是一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮及其制备方法。
背景技术
电镀CBN砂轮由于磨削比高、锋利性好、制造工艺简单、成本低等显著特点在机械制造领域得到了广泛应用。传统的电镀CBN砂轮通常只有单层磨料，磨料磨损后不可修整，且CBN磨粒被镀层金属机械地包裹着，镀层金属和CBN磨粒的结合界面不存在牢固的冶金化学结合，在磨削过程中，磨粒的过早脱落成为制约砂轮寿命的重要因素，因此提高CBN磨粒与镀层金属间的结合强度是提升电镀CBN砂轮寿命的关键所在。
增加镀层金属的厚度，以加大镀层金属对磨料的把持力，提高CBN磨粒与镀层金属间的结合强度，从而延长电镀CBN砂轮的寿命，但CBN磨粒只是被机械地镶嵌到镀层金属中，没有牢固的冶金化学结合，并且增加镀层金属的厚度会造成磨料出刃高度和容屑空间大大减小，磨削时砂轮容易堵塞，散热性能差，从而导致工件热损伤。
公开号为CN101723337A的专利“一种CBN/TiN复合粉体及其制备方法”首先采用溶胶-凝胶法制备CBN/TiO2复合粉体，再将制得的复合粉体置于氨气中，700~1200 ℃高温氮化，最终制备了以CBN微粒为核、以TiN覆盖层为壳的复合微粒。该发明通过对CBN微粒表面包覆改性，使CBN微粒表面包覆一层致密的TiN薄膜，从而增加CBN微粒表面的黏附性。但是该专利只提及制备粒径为0.01~50 µm的粉体CBN微粒，其用途也主要用于涂层或涂层添加剂、或切割液及抛光液的添加料，对于针对粒径达到数百微米的大颗粒CBN颗粒表层制备TiN薄膜时该工艺的效果如何、以及采用小粒径的粉体CBN微粒制备电镀砂轮时的电镀效果如何，发明人没有介绍。但是，众所周知，镀覆TiN的CBN微粒表面全部金属化，导电性良好，如果用小粒径的CBN微粒进行电镀，镀覆TiN的CBN微粒与钢基体和镀层共同构成阴极，容易出现CBN微粒相互粘结在一起甚至成块的现象，很难制备出合格的电镀CBN砂轮；而且该复合微粉的制备方法步骤较多，相对复杂，成本较高，不适合大批量生产。
发明内容
为解决上述砂轮和现有技术存在的问题，本发明提出一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮及其制备方法。本发明的砂轮，其特征是在砂轮轮毂外圆周电镀有包含大量大颗粒CBN磨粒的单层磨料层；所用镀层金属为镍，所用CBN磨粒的外表面预先在闭合场非平衡磁控溅射设备中沉积有一层TiN涂层。本发明制备的砂轮，以TiN涂层作为连接CBN磨粒和镀层金属镍的中间介质，TiN涂层具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能，能与镀层金属镍形成冶金化学结合，并且TiN对CBN有良好的亲和性和润滑性，TiN与CBN在两者交界处容易形成TiB2、TiB等化合物，即TiN涂层分别与CBN磨粒、电镀镍层均能形成冶金化学结合，从而大大提高了CBN磨粒和电镀镍层的结合强度，延长了砂轮寿命。由于经过预先沉积TiN涂层的CBN磨粒与镀层金属镍有牢固的化学冶金结合，故可以大大减小电镀镍层的厚度，从而增加了砂轮的容屑空间，提高砂轮的容屑、排屑能力，有利于磨削液有效地进入磨削区，显著改善磨削区的冷却效果；同时CBN磨粒工作厚度显著增大，提高了砂轮的使用寿命。又因为本发明采用大粒径的CBN磨粒作为电镀磨料，虽然沉积TiN的CBN磨粒表面全部金属化，导电性良好，但由于电镀镍层的厚度仅为CBN磨粒自身粒径的三分之一左右，所以在电镀过程中可以避免出现CBN磨粒相互粘结在一起甚至成块的现象。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：首先对CBN磨粒进行预处理，工艺包括：磁选、净化、水洗、敏化、活化、干燥；其中，净化处理工序为，将CBN磨粒在10%硝酸水溶液中煮沸20~30分钟，冷却后用水冲洗至中性；敏化工序为，在20~30 ℃的温度下，将CBN磨粒浸泡于主要成分含SnCl2·H2O和HCl的敏化液中并搅拌3~5分钟后，用蒸馏水清洗；活化工序为，在20~30 ℃的温度下，将CBN磨粒浸泡于主要成分含PdCl2和HCl的活化液中并搅拌1~3分钟后，用蒸馏水清洗；再将预处理后的CBN磨粒放入闭合场非平衡磁控溅射设备的样品台，设定合适的工作参数，在CBN磨粒的外表面沉积TiN涂层；在沉积TiN过程中开启样品台的振动功能，使CBN磨粒保持较好的分散性和流动性，均匀地暴露在溅射束流中，从而能够在CBN磨粒表面高质量地沉积一层TiN；接着采用机械加工方法制造出砂轮轮毂，对砂轮轮毂进行前处理，包括对砂轮轮毂酸洗除锈，在砂轮轮毂非工作面涂覆绝缘漆；最后将经过前处理的砂轮轮毂置入电镀槽内，采用埋砂法将预先在外表面沉积了TiN涂层的CBN磨粒电镀在砂轮轮毂的外圆周面上，电镀镍层的厚度仅为CBN磨粒自身粒径的三分之一，即形成一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮。
所述砂轮轮毂材质为45号钢，直径为Φ20~200 mm，厚度为6~20 mm。
所述的TiN涂层的厚度为3~5 µm。
所述的电镀镍层的厚度为60~160 µm。
所述的大颗粒CBN磨粒是指CBN磨粒的粒径为180~480 µm。
所述的闭合场非平衡磁控溅射设备的合适工作参数为：工作气体为氩气，氩气流量为30 mL/min，反应气体为氮气，氮气流量为2 mL/min，纯度均为99.99%；工作气压为0.1～0.3 Pa，真空室本底真空度为2×10-4 Pa,基体负偏压为30~100 V，溅射电流为3~4.5 A。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
① 预沉积了TiN的CBN磨粒与镀层金属存在牢固的冶金化学结合，磨粒不易脱落，显著提高了砂轮的制备性能。以TiN涂层作为连接CBN磨粒和电镀镍层的中间介质，TiN能与镀层金属镍形成冶金化学结合，并且TiN与CBN磨粒在两者交界处容易形成TiB2、TiB等化合物，即TiN涂层分别与CBN磨粒、电镀镍层均能形成冶金化学结合，可以大大提高CBN磨粒和电镀镍层的结合强度，有效防止磨削时CBN磨粒脱落。
② 极大地增加了砂轮的容屑空间，提高了砂轮的容屑、排屑能力。由于经过预先沉积TiN涂层的CBN磨粒与镀层金属镍有牢固的化学冶金结合，故电镀镍层的厚度可以仅为CBN磨粒自身粒径的三分之一，大大增加了砂轮的容屑空间，提高砂轮的容屑、排屑能力，有利于磨削液有效地进入磨削区，显著改善磨削区的冷却效果，从而大大减轻了磨削过程中出现工件热损伤的现象。
③ 有利于保持CBN磨粒的完整性，有效防止磨粒断裂。TiN对CBN磨粒有良好的亲和性和润滑性，在CBN磨粒外表面沉积TiN涂层时，TiN涂层会将整个CBN磨粒包裹起来，并且能够渗入并填满CBN磨粒外表面的初始裂纹，使得CBN磨粒在磨削工件材料时能够更好地保持自身的完整性，有效防止磨削时磨粒出现断裂现象。
④ 明显增大了磨粒的有效磨削高度。电镀镍层的厚度仅为CBN磨粒自身粒径的三分之一，即CBN磨粒工作高度达到其自身粒径的三分之二，显著增大了CBN磨粒的出刃高度，提高了磨料的利用率和砂轮的磨削效率，延长砂轮的使用寿命。
⑤ 生产工艺相对简单易于操控，生产成本低，有利于大批量生产。
附图说明
图1是在CBN磨粒外表面沉积一层TiN涂层后的示意图。
图2是用预先沉积TiN的CBN磨粒制成的电镀砂轮示意图及砂轮外圆周的局部径向剖视图。
以上图1至图2中的标示为：1、砂轮轮毂，2、CBN磨粒，3、TiN涂层，4、电镀镍层。
具体实施方式
下面结合附图对发明具体实施方式做进一步说明。
参见图1至图2，一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮，其结构特征在于：所制备的电镀砂轮是由砂轮轮毂1、在磨粒外表面预先沉积一层TiN涂层3的CBN磨粒2和电镀镍层4组成；在砂轮轮毂1外圆周电镀有包含大量粒径为210 µm的CBN磨粒2的单层磨料层；电镀镍层4的厚度仅为CBN磨粒2自身粒径的三分之一，所用CBN磨粒2的外表面预先沉积有一层厚度为4 µm的TiN涂层3。
一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮的制备方法如下。
步骤一、对CBN磨粒2进行预处理，工艺包括：磁选、净化、水洗、敏化、活化、干燥；其中，净化处理工序为，将粒径为210 µm的CBN磨粒2放在10%硝酸水溶液中煮沸30分钟，冷却后用水冲洗至中性；敏化工序为，在25 ℃的温度下，将CBN磨粒2浸泡于主要成分含SnCl2·H2O和HCl的敏化液中并搅拌3分钟后，用蒸馏水清洗；活化工序为，在25 ℃的温度下，将CBN磨粒2浸泡于主要成分含PdCl2和HCl的活化液中并搅拌3分钟后，用蒸馏水清洗。
步骤二、将预处理后的CBN磨粒2放入闭合场非平衡磁控溅射设备的样品台，设定合适的工作参数，其中工作气体为氩气，氩气流量为30 mL/min，反应气体为氮气，氮气流量为2 mL/min，纯度均为99.99%；工作气压为0.2 Pa，为2×10-4 Pa，基体负偏压为70 V，溅射电流为3 A。在CBN磨粒2的外表面沉积一层厚度为4 µm的TiN涂层3；在沉积TiN过程中开启样品台的振动功能，使CBN磨粒2保持较好的流动性和分散性，均匀地暴露在溅射束流中，从而在CBN磨粒2表面高质量地沉积TiN涂层3。TiN对CBN磨粒2有良好的亲和性和润滑性，在CBN磨粒2外表面沉积TiN涂层3时，TiN涂层3会将CBN磨粒2全部包裹起来，并且能够渗入并填满CBN磨粒2外表面的初始裂纹，使CBN磨粒2在磨削工件材料时能够更好地保持自身的完整性，有效防止磨削时磨粒出现断裂现象。
步骤三、采用机械加工方法制造出材质为45号钢、直径为Φ200 mm、厚度为10 mm的砂轮轮毂1，对砂轮轮毂1进行前处理，包括对砂轮轮毂1酸洗除锈，在砂轮轮毂1非工作面涂覆绝缘漆。
步骤四、将经过前处理的砂轮轮毂1置入电镀槽内，电镀液配方如下：硫酸镍220g/L，硫酸钴20 g/L，硼酸35 g/L，氯化钠10 g/L，十二烷基硫酸钠0.1 g/L。电镀参数：镀液PH值为4~5，温度为50~60 ℃，阴极电流密度为2~3 A/dm2。采用埋砂法将预先在外表面沉积了TiN涂层3的CBN磨粒2电镀在砂轮轮毂1的外圆周面上，电镀镍层4的厚度为70 µm。电镀镍层4的厚度仅为CBN磨粒自身粒径的三分之一，大大增加了砂轮的容屑空间，提高砂轮的容屑、排屑能力，并且TiN涂层3分别与CBN磨粒2、电镀镍层4均能形成冶金化学结合，可以大大提高CBN磨粒2和电镀镍层4的结合强度，有效防止磨削时CBN磨粒脱落。通过以上工序即可形成一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮，其特征在于：所制备的电镀砂轮是由砂轮轮毂（1）、TiN涂层（3）、CBN磨粒（2）和电镀镍层（4）组成；在砂轮轮毂（1）外圆周电镀有包含大量大颗粒CBN磨粒（2）的单层磨料层，所述大颗粒CBN磨粒（2）的粒径为180~480 µm；电镀镍层（4）的厚度为60~160 µm，即仅为CBN磨粒（2）自身粒径的三分之一，所述CBN磨粒（2）的外表面预先沉积有一层TiN涂层（3），TiN涂层（3）的厚度为3~5 µm；TiN涂层（3）是连接CBN磨粒（2）和电镀镍层（4）的中间介质，TiN能与镀层金属镍形成冶金化学结合，并且TiN与CBN磨粒在两者界面处容易形成TiB2、TiB化合物，即TiN涂层（3）分别与CBN磨粒（2）、电镀镍层（4）均能形成冶金化学结合，能够提高CBN磨粒和电镀镍层的结合强度。
2.一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮的制备方法，制备步骤如下：
步骤一、对CBN磨粒（2）进行预处理，工艺包括：磁选、净化、水洗、敏化、活化、干燥；其中净化处理工序为，将CBN磨粒（2）放在10%硝酸水溶液中煮沸20~30分钟，冷却后用水冲洗至中性；敏化工序为，在20~30 ℃的温度下，将CBN磨粒（2）浸泡于主要成分含SnCl2·H2O和HCl的敏化液中并搅拌3~5分钟后，用蒸馏水清洗；活化工序为，在20~30 ℃的温度下，将CBN磨粒（2）浸泡于主要成分含PdCl2和HCl的活化液中并搅拌1~3分钟后，用蒸馏水清洗；
其特征在于，还包括：
步骤二、将预处理后的CBN磨粒（2）放入闭合场非平衡磁控溅射设备的样品台上，设定合适的工作参数，在CBN磨粒（2）的外表面沉积TiN涂层（3）；在沉积TiN过程中开启样品台的振动功能，使CBN磨粒（2）保持较好的流动性和分散性，均匀地暴露在溅射束流中，从而能够在CBN磨粒（2）表面高质量地沉积TiN涂层（3），并且TiN涂层（3）能够渗入并填满CBN磨粒外表面的初始裂纹，使得CBN磨粒在磨削工件材料时能够更好地保持自身的完整性，有效防止磨削时磨粒因存在初始裂纹而容易出现断裂现象；
步骤三、采用机械加工方法制造出砂轮轮毂（1），对砂轮轮毂（1）进行镀前处理，包括对砂轮轮毂（1）酸洗除锈，在砂轮轮毂（1）非工作面涂覆绝缘漆；
步骤四、将经过前处理的砂轮轮毂（1）置入电镀槽内，采用埋砂法将预先在外表面沉积了TiN涂层（3）的CBN磨粒（2）电镀在砂轮轮毂（1）外圆周面上，电镀镍层（4）的厚度仅为CBN磨粒（2）自身粒径的三分之一，即形成一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮。
3.根据权利要求2所述的一种磨粒预沉积TiN的电镀CBN砂轮的制备方法，所述的闭合场非平衡磁控溅射设备的合适工作参数为：工作气体为氩气，氩气流量为30 mL/min，反应气体为氮气，氮气流量为2 mL/min，纯度均为99.99%；工作气压为0.1～0.3 Pa，真空室本底真空度为2×10-4 Pa，基体负偏压为30~100 V，溅射电流为3~4.5 A。
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