CN109676540A - 用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法 - Google Patents

用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法，其中，砂轮包括按重量百分比配置的如下组分：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒40～70％、铜基结合剂20～40％、黄铁粉粉末1～5％、冰晶石粉末～4％、造孔剂粉末2～5％、碳酸钙粉末0.5～3％、镧粉末0.1～1.5％、铬粉末0.1～2％、石墨粉末0.1～1％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.5％、经表面改性处理的碳纳米管0.1～0.5％、碳化钨粉末1～5％；本发明，不仅可以大大改善锆刚玉与铜基体之间润湿性，而且可以有效提高砂轮的强度、耐冲击性、耐摩擦磨损性能及孔隙率等性能参数，使得砂轮的性能更优越。

Description

用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法
技术领域
本发明涉及砂轮制造技术领域，具体涉及一种用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法。
背景技术
我国是一个钢铁大国，但我国钢铁行业每年从国外进口特种用途钢材约有700万吨；我国自主生产的钢材，钢材的质量与国外相比还存在一定差距，例如钢材中杂质含量较多，P、S等有害元素含量较高，钢材性能的均匀性差。砂轮是磨削加工中最主要的一类磨具；砂轮是在磨料中加入结合剂，经压坯、干燥和焙烧而制成的多孔体；现阶段我国钢铁产业中用于钢锭、钢板修磨的重负荷磨削砂轮都是从国外进口，该砂轮的应用较频繁，这样就大大加大了钢铁行业的生产成本；钢坯修磨作业采用陶瓷结合剂砂轮和树脂结合剂砂轮，由于陶瓷结合剂砂轮回转强度、冲击强度都不如树脂结合剂砂轮，故树脂结合剂砂轮逐步代替了陶瓷结合剂砂轮；板坯修磨机是冶金企业对不锈钢连铸坯进行表面加工的设备，经过砂轮对钢坯表面的磨削，去除氧化层和表面缺陷，是提高产品质量的重要手段之一；金属去除率和磨削比是影响该工序成本的重要因素，其中，金属去除率是指单位时间内磨削掉的金属重量；磨削比是指磨掉的金属重量与砂轮的磨耗量之比；根据磨削动力学原理，要达到大的金属去除率，主要的方法是提高砂轮的线速度和增大磨削压力。
修磨的目的是磨去钢锭和钢坯的表面缺陷，如脱碳层、氧化皮、折叠和裂纹等，以避免继续轧制或锻造时缺陷扩大而浪费材料；尤其是对于铁路钢轨，随着我国铁路机车速度的提高，对铁路钢轨提出了更高的技术要求，对于新铺设的铁路钢轨需要进行预防性的修磨处理，对于在线使用的铁路钢轨必须进行修磨，以便消除铁路钢轨中固有的缺陷和磨损、钢轨顶面的不平顺及钢轨焊接头的不平顺和钢轨的疲劳破坏层等，可以延长钢轨的使用寿命0.5～1倍。
结合剂是粘合磨粒而制成各种砂轮的材料；结合剂种类及其性质，决定着砂轮的强度、硬度、耐热和耐腐蚀性能等；此外，结合剂对磨削的表面粗糙度和磨削温度也有一定的影响，结合剂主要依据其自身的性能而定。目前市面上砂轮多数用树脂基结合剂制作，由于树脂基结合剂对磨料的把持力较弱，而且树脂基结合剂砂轮的磨削温度不能过高；为克服这些问题，国内外研制了一些金属基结合剂，以便提高砂轮中磨料的把持力、自锐性和切割精度，从而使得砂轮寿命提高了15～20％，并且可以减少对磨料的热损伤；
结合剂是砂轮的关键组成之一，其功能是将磨料颗粒结合成一体形成砂轮，以帮助其实现磨削功能；由于树脂基结合剂对磨料的把持力较弱，而且树脂基结合剂砂轮的磨削温度不能过高，国内外研制了金属基结合剂提高砂轮中磨料的把持力，提高砂轮的自锐性和切割精度，使砂轮寿命提高了15～20％。例如，中国专利CN 102814745A公开了一种锆刚玉树脂砂轮及其制备方法，采用压制成型法得到内部含有不同体积分数锆刚玉树脂砂轮，然后采用低温热压成型法对样品进行处理，在160～170℃温度下进行固化。由于在填料中添加了陶瓷料，其粘结性能好，使磨料不易脱落，并提高了树脂砂轮的耐热性和硬度，减少刚性磨削形成的裂纹，从而提高树脂砂轮的使用效率和寿命。又如，中国专利CN207578222 U公开了一种金属结合剂金刚石砂轮；该砂轮相比较目前使用的树脂结合剂砂轮，生产成本低15％左右；其对金刚石颗料的把持力和使用过程中的耐高温性能大大提高，锋利度好，使用寿命较现在使用的树脂结合剂砂轮提高50～100％。又如，中国专利CN108188950 A公开了一种种铁路钢轨修磨专用超硬磨料陶瓷结块与树脂锆刚玉复合砂轮及制备方法，该砂轮的陶瓷结合剂超硬磨料烧结块等间距竖直分布于所述树脂结合剂中，相邻陶瓷结合剂超硬磨料烧结块之间的角度间隔为15°～30°，使砂轮工作时表面受力均匀，提高砂轮的服役寿命。用金刚石作为该砂轮的磨料，利用金刚石超高硬度和锋利度，提高了砂轮磨削钢轨的锋利性；用立方氮化硼做磨料，利用立方氮化硼的低摩擦系数和优异的热稳定性，明显提高砂轮的工作寿命；利用砂轮磨料不易与黑色金属反应等优点，结合树脂结合剂和锆刚玉磨料的高韧性，有效防止修磨对钢轨表面的烧伤发蓝现象，显著提高了钢轨修磨的表面质量。
锆刚玉磨料是高效磨削磨料，目前国外重负荷砂轮制造多采用这种磨料，一般要求ZrO2在刚玉中的含量在25～40％范围内，晶体尺寸为20微米，最大不超过40微米；常用于制造重负荷砂轮的为含ZrO2在25％的锆刚玉。随着锆刚玉添加量的增加，试样的气孔率有了较为明显的下降，说明此时以锆刚玉为骨料的粒度级更小，骨料基质间的结合更加紧密，试样的致密性、均匀性都得到了显著地提高，内部孔隙减小，气孔率降低；气孔率随锆刚玉粉的加入量的变化趋于平缓，说明此时锆刚玉粉已经完全有效填充骨料基质间的空隙。持续增加后锆刚玉为骨料的粒度级变小，骨料基质间的结合更加紧密，试样的致密性提高，使得抗压强度提高。现有技术中，用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，采用锆刚玉作为磨料制成，然而，现有的铜基结合剂锆刚玉砂轮，通常还存在一些问题，例如；具有共价键的锆刚玉和多数非金属结合剂以及部分金属结合剂有很高的界面能，不易被润湿，使得锆刚玉与铜基体之间的界面结合性能较差；又如，现有铜基结合剂锆刚玉砂轮的强度、耐冲击性、耐摩擦磨损性能及孔隙率等性能参数还有待提高。
发明内容
本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供了一种用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，不仅可以大大改善锆刚玉与铜基体之间润湿性，而且可以有效提高砂轮的强度、耐冲击性、耐摩擦磨损性能及孔隙率等性能参数，使得砂轮的性能更优越。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，包括按重量百分比配置的如下组分：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒40～70％、铜基结合剂20～40％、黄铁粉粉末1～5％、冰晶石粉末～4％、造孔剂粉末2～5％、碳酸钙粉末0.5～3％、镧粉末0.1～1.5％、铬粉末0.1～2％、石墨粉末0.1～1％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.5％、经表面改性处理的碳纳米管0.1～0.5％、碳化钨粉末1～5％。
优选的，所述造孔剂采用的是氢化钛。
优选的，所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒采用化学镀镍的方法获得；采用芦丁水溶液处理石墨烯获得所述经表面改性处理的石墨烯；采用没食子酸水溶液处理碳纳米管获得所述经表面改性处理的碳纳米管。
一种优选的方案，所述各组分的重量百分比为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒42～50％、铜基结合剂30～38％、黄铁粉粉末2～3.5％、冰晶石粉末2～3.5％、造孔剂粉末2.5～4％、碳酸钙粉末1～2.5％、镧粉末0.3～1％、铬粉末0.8～1.5％、石墨粉末0.3～0.8％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.3％、经表面改性处理的碳纳米管0.2～0.4％、碳化钨粉末2～3.5％。
进一步的，所述各组分的重量百分比为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒45％、铜基结合剂40％、黄铁粉粉末2.5％、冰晶石粉末2.5％、造孔剂粉末3％、碳酸钙粉末2％、镧粉末0.5％、铬粉末1％、石墨粉末0.5％、经表面改性处理的石墨烯0.1％、经表面改性处理的碳纳米管0.4％、碳化钨粉末2.5％。
优选的，所述铜基结合剂按重量百分比包括如下组分：铜粉末80～95％、锡粉末5～10％、镍粉末3～8％、锌粉末1～5％。
进一步的，所述铜基结合剂按重量百分比包括如下组分：铜粉末87～92％、锡粉末6～8％、镍粉末4～6％、锌粉末3～4.5％。
更进一步的，所述铜基结合剂按重量百分比包括如下组分：铜粉末89.25％、锡粉末6.3％、镍粉末5.25％、锌粉末4.2％。
一种铜基结合剂锆刚玉砂轮的制备方法，包括
采用化学镀镍的方法对锆刚玉颗粒进行处理，获得表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒；
采用芦丁水溶液处理石墨烯，获得经表面改性处理的石墨烯；
采用没食子酸水溶液处理碳纳米管，获得经表面改性处理的碳纳米管；
将所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒、所述经表面改性处理的石墨烯及所述经表面改性处理的碳纳米管与铜粉末、锡粉末、镍粉末、锌粉末、黄铁粉粉末、冰晶石粉末、氢化钛粉末、碳酸钙粉末、镧粉末、铬粉末、石墨粉末、碳化钨粉末进行球磨混料，得到复合粉末；
将所述复合粉末进行真空热压烧结成型，获得铜基结合剂锆刚玉砂轮。
优选的，所述复合粉末中各组分的重量百分比为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒40～70％、铜粉末80～95％、锡粉末5～10％、镍粉末3～8％、锌粉末1～5％、黄铁粉粉末1～5％、冰晶石粉末～4％、造孔剂粉末2～5％、碳酸钙粉末0.5～3％、镧粉末0.1～1.5％、铬粉末0.1～2％、石墨粉末0.1～1％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.5％、经表面改性处理的碳纳米管0.1～0.5％、碳化钨粉末1～5％。
优选的，制备所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒的方法为；
首先，将锆刚玉颗粒放入敏化液中敏化，敏化完成后依次进行超声清洗和过滤，并取滤渣进行真空干燥；
然后，将干燥后的锆刚玉颗粒放入到活化液中活化，活化完成后依次进行超声清洗和过滤，并取滤渣进行真空干燥；
最后，将干燥后的锆刚玉颗粒放入到化学镀液中，并调整化学镀液的温度和pH，对锆刚玉颗粒镀镍，镀镍后依次进行超声清洗和过滤，并取滤渣进行真空干燥，获得所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。
优选的，所述敏化液的成分为：SnCl2·2H2O：20～40g/L，HCl：20～60g/L，敏化时间为10～50min；
所述活化液的成分为：PdCl2：0.1～1g/L，活化时间为10～50min；
所述化学镀液的成分为：NiSO4·6H2O：10～50g/L，NaH2PO2·H2O：10～50g/L，Na3C6H5O7·2H2O：10～50g/L，NH4Cl：30～90g/L，化学镀时间为10～50min。
在进一步的方案中，所述敏化液的成分为：SnCl2·2H2O：25～35g/L，HCl：30～50g/L，敏化时间为20～40min；所述活化液的成分为：PdCl2：0.2～0.7g/L，活化时间为20～40min；所述化学镀液的成分为：NiSO4·6H2O：20～40g/L，NaH2PO2·H2O：20～40g/L，Na3C6H5O7·2H2O：20～40g/L，NH4Cl：50～60g/L，化学镀时间为20～40min；
更优的方案，所述敏化液的成分为：SnCl2·2H2O：31.2g/L，HCl：40/L，敏化时间为30min；所述活化液的成分为：PdCl2：0.4425g/L，活化时间为30min；所述化学镀液的成分为：NiSO4·6H2O：26.3g/L，NaH2PO2·H2O：21.2g/L，Na3C6H5O7·2H2O：23.52g/L，NH4Cl：53.5g/L，化学镀时间为30min。
可选的，所述超声清洗的时间为20～60min，所述真空干燥的温度为50℃～90℃，所述真空干燥的时间为5～15min。
可选的，所述化学镀液的pH为4～6，化学镀液的温度为50～80℃。
优选的，制备所述经表面改性处理的石墨烯的方法为；将石墨烯加入到芦丁水溶液中，并进行机械搅拌，然后依次进行超声分散处理、静置以及过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的石墨烯。
优选的，制备所述经表面改性处理的碳纳米管的方法为；将碳纳米管加入到没食子酸水溶液中，并进行机械搅拌，然后依次进行超声分散处理、静置以及过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的碳纳米管。
可选的，所述超声分散的时间为20～60min；所述静置的时间为12～48h；所述真空干燥的温度为50℃～90℃，所述真空干燥的时间为12～36h。
优选的，所述超声分散的时间为20～40min；所述静置的时间为20～30h；所述真空干燥的温度为70℃～85℃，所述真空干燥的时间为20～30h。
更优的，所述超声分散的时间为30min；所述静置的时间为24h；所述真空干燥的温度为80℃，所述真空干燥的时间为24h。
可选的，所述芦丁水溶液由去离子水配制，且芦丁水溶液中芦丁的浓度为0.001～18μg/mL。
优选的，所述芦丁水溶液中芦丁的浓度为0.02～0.2μg/mL。
更优的，所述芦丁水溶液中芦丁的浓度为0.02μg/mL。
可选的，所述没食子酸水溶液由去离子水配制，且没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为3～18μg/ml。
优选的，所述没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为5～15μg/ml。
更优的，所述没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为10μg/ml。
优选的，采用芦丁水溶液处理石墨烯时，石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积之比为0.05～0.5g:20～60mL。
进一步的，所述石墨烯的质量与所述芦丁水溶液的体积之比为0.05～0.2g:30～50mL。
更进一步的，所述石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积之比为0.1g:40mL。
可选的，采用没食子酸水溶液处理碳纳米管时，碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.05～0.5g:20～60ml。
优选的，所述碳纳米管的质量与所述没食子酸水溶液的体积之比为0.08～0.2g:30～50ml。
更优的，所述碳纳米管的质量与所述没食子酸水溶液的体积之比为0.1g:40mL。
优选的，所述球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，球磨转速为100～350转/min，球磨时间为40～150min。
进一步的，球磨转速为170～240转/min，球磨时间为60～150min。
更进一步的方案中，球磨转速为200转/min，球磨时间为120min。
优选的，球磨所采用的介质为叔丁醇，且完成球磨后，去除球磨介质所采用的方法为冷冻干燥法。
可选的，所述真空热压烧结的温度为：先以10～30℃/min升温至550～700℃，再以5～15℃/min升温至750～900℃，最后以1～10℃/min的速度升温至850～1000℃，保温时间1～3h；所述真空热压烧结的压力为：先预压0.5～2h，预压压力为0.5～1.5T，再以0.05～0.15T/min的速度升压至5～15MPa，保压时间15～30min。
优选的，所述真空热压烧结的温度为：先以15～25℃/min升温至580～640℃，再以8～13℃/min升温至775～840℃，最后以3～6℃/min的速度升温至880～940℃，保温时间1.5～2.5h；所述真空热压烧结的压力为：先预压0.8～1.5h，预压压力为0.8～1.3T，再以0.08～0.13T/min的速度升压至10～14MPa，保压时间18～24min。
较优的，所述真空热压烧结的温度为：先以20℃/min升温至600℃，再以10℃/min升温至800℃，最后以5℃/min的速度升温至900℃，保温时间2h；所述真空热压烧结的压力为：先预压1h，预压压力为1T，再以0.1T/min的速度升压至12MPa，保压时间20min。
与现有技术相比，使用本发明提供的一种用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法，具有以下有益效果：
1、本发明中，采用化学镀镍的方法对锆刚玉颗粒进行表面改性处理，获得表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒，与未经表面镀覆镍处理的锆刚玉颗粒相比，锆刚玉颗粒与铜基体表面的湿润性大大改善，表面能降低，使得锆刚玉颗粒与铜基体的结合强度明显增强；当受到外力作用时，良好的结合界面能更有效地起到载荷转移、降低应力集中、减少裂纹和孔隙等缺陷的产生等作用；同时，经表面改性处理的石墨烯和经表面改性处理的碳纳米管分散性好，杂质含量低，且保持了完整的长径比，与石墨粉末发挥共增强作用，显著提高了铜基复合材料的摩擦磨损性能，同时还具有优异的强度和耐冲击性，有利于砂轮的性能更优越，尤其适用于铁路钢轨修磨。
2、本发明所提供的铜基结合剂锆刚玉砂轮，由表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒、铜粉末、锡粉末、镍粉末、锌粉末、黄铁粉粉末、冰晶石粉末、氢化钛粉末、碳酸钙粉末、镧粉末、铬粉末、石墨粉末、经表面改性处理的石墨烯、经表面改性处理的碳纳米管和碳化钨粉末组成；通过合理设置各组分的含量，使磨料与填料共同作用，使其产生共增强作用，显著提高了铜基结合剂锆刚玉砂轮的强度、耐冲击性和耐摩擦磨损等性能，降低了砂轮的磨耗量。
3、本发明中，镍层均匀的结合在锆刚玉颗粒表面，杂质含量低，有利于获得品质更高的砂轮。
4、本发明所提供的砂轮，在实际使用过程中，发热量小，自锐性高，在要求高强度和高耐磨性的砂轮材料领域具有广阔的应用前景。
5、本发明所提供的制备方法中，采用热压烧结成型的工艺，有利于在高温时各组分混合均匀，且在烧结过程中受到较大的压力，得到的铁路钢轨修磨专用铜基结合剂锆刚玉砂轮结构均匀致密，有利于获得结构均匀致密的铜基结合剂锆刚玉砂轮。
6、本发明所提供的制备方法，不仅可以获得高性能的用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，而且工艺过程简单、便于生产，且在成生产过程中不会产生废气、废渣等污染物，非常的环保。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是对照实验4中，未采用化学镀镍处理的锆刚玉颗粒的SEM图。
图2是对照实验4中，未采用化学镀镍处理的锆刚玉的扫描电镜图和能谱图，其中，左上角为扫描电镜图，左下角为点1、2、3处的能谱结果表，右侧为点1、2、3处的能谱图。
图3是对照实验5中，钢棒表面磨损面的SEM图。
图4是对照实验6中，钢棒表面磨损面的SEM图。
图5中，(a)为对照实验5中的钢棒表面形貌扫描图，(b)为对照实验6中的钢棒表面形貌扫描图，下方表格为点1-6处的能谱结果表。
图6中，(a)为对照实验5中所制备的砂轮表面粗糙度的模拟图，(b)为对照实验6中所制备的砂轮表面粗糙度的模拟图，其中Ra代表表面粗糙度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，本实施例中提供了一种用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，包括按重量百分比配置的如下组分：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒40～70％、铜基结合剂20～40％、黄铁粉粉末1～5％、冰晶石粉末～4％、造孔剂粉末2～5％、碳酸钙粉末0.5～3％、镧粉末0.1～1.5％、铬粉末0.1～2％、石墨粉末0.1～1％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.5％、经表面改性处理的碳纳米管0.1～0.5％、碳化钨粉末1～5％。
在本实施例中，造孔剂优先采用的是氢化钛(TiH2)。
在本实施例所提供的优选方案中，所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒优先采用化学镀镍的方法获得；此外，可以采用芦丁水溶液处理石墨烯获得所述经表面改性处理的石墨烯；采用没食子酸水溶液处理碳纳米管获得所述经表面改性处理的碳纳米管。
在本实施例中，锆刚玉颗粒中的杂质含量低，并且均匀分散在基体中，对砂轮的整体强度和刚度起到提升作用，进而提高了砂轮的耐磨性；铜合金结合剂是铜粉、锡粉、镍粉和锌粉按照一定比例混合制成的，在加热过程中固化形成交联结构将各种磨料及填料结合在一起，显著提高了砂轮的强度和硬度；冰晶石熔点较低，可降低磨削热，增强砂轮自锐性，同时可以提高结合剂的粘合力，起到补强作用，有效降低磨削表面温度和氧化程度；黄铁粉、碳化钨、碳酸钙、铬粉末作为填料，可以使砂轮的磨削能力变强，显著改善了铜基结合剂锆刚玉砂轮的工作效率；造孔剂的加入，使砂轮在工作时，砂轮自身磨屑不易堵塞；石墨、石墨烯、碳纳米管具有很好的润滑性，显著改善了铜基结合剂锆刚玉砂轮的摩擦磨损性能；碳酸钙粉末、铬粉末、碳化钨粉末等强碳化物形成元素添加剂，不仅可以提高砂轮的硬度，还可以提高铜基结合剂对锆刚玉的把持能力。
在本实施例所提供的砂轮中，各组分的性能可产生共增强的作用，且锆刚玉颗粒与铜基体之间可以形成较好的界面结合，增强效果显著提高，并可显著提高砂轮的强度和服役寿命；各组分的性能可以产生协同增强的作用，显著提高了铜基结合剂锆刚玉砂轮的强度、耐摩擦磨损性能和孔隙率，有利于降低基结合剂锆刚玉砂轮的密度。
通过实验表明，在优选方案中，构成砂轮的所述各组分的重量百分比可以为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒42～50％、铜基结合剂30～38％、黄铁粉粉末2～3.5％、冰晶石粉末2～3.5％、造孔剂粉末2.5～4％、碳酸钙粉末1～2.5％、镧粉末0.3～1％、铬粉末0.8～1.5％、石墨粉末0.3～0.8％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.3％、经表面改性处理的碳纳米管0.2～0.4％、碳化钨粉末2～3.5％。
作为举例，在本实施例中，所述各组分的重量百分比为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒45％、铜基结合剂40％、黄铁粉粉末2.5％、冰晶石粉末2.5％、造孔剂粉末3％、碳酸钙粉末2％、镧粉末0.5％、铬粉末1％、石墨粉末0.5％、经表面改性处理的石墨烯0.1％、经表面改性处理的碳纳米管0.4％、碳化钨粉末2.5％。
经过多次试验发现，所述铜基结合剂中，各组分可以按如下重量百分比进行配置：铜粉末80～95％、锡粉末5～10％、镍粉末3～8％、锌粉末1～5％。
在比较常用的方案中，铜基结合剂中各成分的重量百分比可以为：铜粉末87～92％、锡粉末6～8％、镍粉末4～6％、锌粉末3～4.5％。作为举例，在本实施例所提供的优选方案中，铜基结合剂中各组分的重量百分比可以优先设置为：铜粉末89.25％、锡粉末6.3％、镍粉末5.25％、锌粉末4.2％。
实施例2
本实施例提供了一种铜基结合剂锆刚玉砂轮的制备方法，包括
采用化学镀镍的方法对锆刚玉颗粒进行处理，获得表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒；
采用芦丁水溶液处理石墨烯，获得经表面改性处理的石墨烯；
采用没食子酸水溶液处理碳纳米管，获得经表面改性处理的碳纳米管；
将所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒、所述经表面改性处理的石墨烯及所述经表面改性处理的碳纳米管与铜粉末、锡粉末、镍粉末、锌粉末、黄铁粉粉末、冰晶石粉末、氢化钛粉末、碳酸钙粉末、镧粉末、铬粉末、石墨粉末、碳化钨粉末进行球磨混料，得到复合粉末；
将所述复合粉末进行真空热压烧结成型，获得铜基结合剂锆刚玉砂轮。
在本方法中，表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒，镍层均匀的结合在锆刚玉颗粒表面，杂质含量低，与铜基体之间的润湿性得到改善；经表面改性处理的石墨烯和碳纳米管分散性好，杂质含量低，且保持了完整的长径比，与石墨粉末和铜粉末发挥共增强作用，显著提高了铜基结合剂锆刚玉砂轮的摩擦磨损性能，同时使砂轮具有优异的强度和耐冲击性；利用本发明所提供的方法，不仅可以获得用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，而且，工艺简单、便于生产，且在成生产过程中不会产生废气、废渣等污染物，非常的环保。
在本实施例中，所述复合粉末中，各组分的含量可以在实施例1中获取，即，各组分按重量百分比的配置如下：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒40～70％、铜基结合剂20～40％、黄铁粉粉末1～5％、冰晶石粉末～4％、造孔剂粉末2～5％、碳酸钙粉末0.5～3％、镧粉末0.1～1.5％、铬粉末0.1～2％、石墨粉末0.1～1％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.5％、经表面改性处理的碳纳米管0.1～0.5％、碳化钨粉末1～5％，其中，铜基结合剂按重量百分比可以包括如下组分：铜粉末80～95％、锡粉末5～10％、镍粉末3～8％、锌粉末1～5％。
在本实施例所提供的优选方案中，制备所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒的方法可以为；
首先，将锆刚玉颗粒放入敏化液中敏化，敏化完成后依次进行超声清洗和过滤，并取滤渣进行真空干燥；
然后，将干燥后的锆刚玉颗粒放入到活化液中活化，活化完成后依次进行超声清洗和过滤，并取滤渣进行真空干燥；
最后，将干燥后的锆刚玉颗粒放入到化学镀液中，并调整化学镀液的温度和pH，对锆刚玉颗粒镀镍，镀镍后依次进行超声清洗和过滤，并取滤渣进行真空干燥，获得所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。
通过对比发现，表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒与未经表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒相比，表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒铜基体表面的湿润性大大改善，表面能大大降低，使得锆刚玉颗粒与铜基体的结合强度明显增强；当受到外力作用时，良好的结合界面能更有效地起到载荷转移、降低应力集中、减少裂纹和孔隙等缺陷的产生等作用。
在优选的方案中，所述敏化液的成分为：SnCl2·2H2O：20～40g/L，HCl：20～60g/L，敏化时间为10～50min；
所述活化液的成分为：PdCl2：0.1～1g/L，活化时间为10～50min；
所述化学镀液的成分为：NiSO4·6H2O：10～50g/L，NaH2PO2·H2O：10～50g/L，Na3C6H5O7·2H2O：10～50g/L，NH4Cl：30～90g/L，化学镀时间为10～50min。
在进一步的优选方案中，所述敏化液的成分为：SnCl2·2H2O：25～35g/L，HCl：30～50g/L，敏化时间为20～40min；所述活化液的成分为：PdCl2：0.2～0.7g/L，活化时间为20～40min；所述化学镀液的成分为：NiSO4·6H2O：20～40g/L，NaH2PO2·H2O：20～40g/L，Na3C6H5O7·2H2O：20～40g/L，NH4Cl：50～60g/L，化学镀时间为20～40min；而在本实施例所提供的一种较优的方案中，敏化液的成分可以为：SnCl2·2H2O：31.2g/L，HCl：40/L，敏化时间为30min；所述活化液的成分为：PdCl2：0.4425g/L，活化时间为30min；所述化学镀液的成分为：NiSO4·6H2O：26.3g/L，NaH2PO2·H2O：21.2g/L，Na3C6H5O7·2H2O：23.52g/L，NH4Cl：53.5g/L，化学镀时间为30min。
在本实施例中，超声清洗的时间可以为20～60min，真空干燥的温度可以为50℃～90℃，真空干燥的时间可以为5～15min；进一步的，在本实施例中，化学镀液的pH可以为4～6，偏酸性；化学镀液的温度可以优先设置为50～80℃。
在本实施例中所提供的制备方法中，制备所述经表面改性处理的石墨烯的方法为；首先对石墨烯进行等离子体处理，然后将处理后的石墨烯加入到芦丁水溶液中，并进行机械搅拌，最后依次进行超声分散处理、静置以及过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的石墨烯。可选的，在本实施例中所提供的制备方法中，制备所述经表面改性处理的碳纳米管的方法为；先将碳纳米管加入到没食子酸水溶液中，并进行机械搅拌，然后依次进行超声分散处理、静置以及过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的碳纳米管。
在本实施例中，一方面，表面改性处理不会对石墨烯和碳纳米管造成化学损伤，可以保持石墨烯及碳纳米管的完整性。另一方面，经表面改性处理的石墨烯和碳纳米管具有超常的力学性能，石墨烯和碳纳米管与铜基体之间形成较好的界面结合，外界加载力时，应力会通过界面传递至石墨烯和碳纳米管，从而达到增强机体的作用。
可选的，在制备所述经表面改性处理的石墨烯和所述经表面改性处理的碳纳米管的过程中，超声分散的时间为20～60min；静置的时间为12～48h；真空干燥的温度为50℃～90℃，真空干燥的时间为12～36h。
优选的，超声分散的时间可以为20～40min；所述静置的时间为20～30h；所述真空干燥的温度为70℃～85℃，所述真空干燥的时间为20～30h；作为举例，在本实施例中提供的方案中：超声分散的时间为30min；静置的时间为24h；真空干燥的温度为80℃，真空干燥的时间为24h。
可选的，所述芦丁水溶液可以由去离子水配制而成，且芦丁水溶液中芦丁的浓度可以为0.001～18μg/mL；较常用的的，芦丁水溶液中芦丁的浓度可以为0.02～0.2μg/mL；作为举例，在本实施例中，芦丁水溶液中芦丁的浓度为0.02μg/mL。
采用芦丁水溶液处理石墨烯时，石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积之比可以为0.05～0.5g:20～60mL。
在一种常用方案中，石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积之比可以为0.05～0.2g:30～50mL；作为举例，在本实施例中，石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积之比设置为0.1g:40mL。
在优选的方案中，所述没食子酸水溶液优先采用去离子水配制而成，且没食子酸水溶液中，没食子酸的浓度为3～18μg/ml为宜。
在一种常用方案中，没食子酸水溶液中没食子酸的浓度可以为5～15μg/ml；作为举例，在本实施例中，所述没食子酸水溶液中，没食子酸的浓度为10μg/ml。
采用没食子酸水溶液处理碳纳米管时，碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比可以为0.05～0.5g:20～60ml。
在更进一步的方案中，碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积之比可以为0.05～0.2g:30～50ml；作为举例，在一种较优的方案中，碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积之比可以优先采用0.1g:40mL。
在本实施例中，所述球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，且球磨转速采用100～350转/min，球磨时间可以为40～150min；在一种常用的方案中，球磨转速可以设置为170～240转/min，球磨时间可以为60～150min；作为举例，在本实施例中，球磨转速为200转/min，球磨时间为120min。
可选的，球磨所采用的介质可以为叔丁醇，且完成球磨后，去除球磨介质所采用的方法可以优先采用冷冻干燥法。
在发明所提供的制备方法中，在进行真空热压烧结成型的过程中，真空热压烧结的温度可以为：先以10～30℃/min升温至550～700℃，再以5～15℃/min升温至750～900℃，最后以1～10℃/min的速度升温至850～1000℃，且保温时间可以为1～3h；同时，真空热压烧结的压力可以为：先预压0.5～2h，预压压力为0.5～1.5T，再以0.05～0.15T/min的速度升压至5～15MPa，保压时间为15～30min，以便砂轮可以更好的成型。
在进一步的方案中，真空热压烧结的温度为：先以15～25℃/min升温至580～640℃，再以8～13℃/min升温至775～840℃，最后以3～6℃/min的速度升温至880～940℃，保温时间1.5～2.5h；所述真空热压烧结的压力为：先预压0.8～1.5h，预压压力为0.8～1.3T，再以0.08～0.13T/min的速度升压至10～14MPa，保压时间18～24min。
作为举例，经过多次对比实验所发现的一种更优方案，在温度方面：先以20℃/min升温至600℃，再以10℃/min升温至800℃，最后以5℃/min的速度升温至900℃，保温时间2h；同时，在压力方面：先预压1h，预压压力为1T，再以0.1T/min的速度升压至12MPa，保压时间20min。
实施例3
根据实施例1所提供的铜基结合剂锆刚玉砂轮，及实施例2中所提供的铜基结合剂锆刚玉砂轮的制备方法，本实施例首先分别进行了6次对照实验和7次对比实验，具体情况如下：
对照实验1：采用未经表面镀覆镍层处理的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒70份、铜基结合剂10份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铜基结合剂锆刚玉砂轮1。
对照实验2：采用未经表面镀覆镍层处理的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒52.5份、铜基结合剂30份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铜基结合剂锆刚玉砂轮2。
对照实验3：采用未经表面镀覆镍层处理的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒50份、铜基结合剂35份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铜基结合剂锆刚玉砂轮3。
对照实验4：采用未经表面镀覆镍层处理的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铜基结合剂40份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铜基结合剂锆刚玉砂轮4。
对照实验5：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒50份、铜基结合剂35份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铜基结合剂锆刚玉砂轮5。
对照实验6：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铜基结合剂40份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铜基结合剂锆刚玉砂轮6。
对比实验1：采用未经表面镀覆镍层处理的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铜基结合剂40份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min。将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮1。即，本实验所采用的锆刚玉颗粒未经表面镀覆镍层处理。
对比实验2：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铜基结合剂41份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧粉末0.5份、铬粉末1份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min。将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮2。即，本实验中，未添加石墨粉末、石墨烯以及碳纳米管。
对比实验3：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铜基结合剂42.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧粉末0.5份、铬粉末1份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min。将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮2。即，本实验中，未添加黄铁粉。
对比实验4：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铜基结合剂43份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、碳酸钙粉末2份、镧(La)粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮4。即，本实验中，未添加造孔剂(TiH2)。
对比实验5：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铜基结合剂40.5份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮5。即，本实验中，未添加镧(La)。
对比实验6：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铜基结合剂45.5份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min。将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮6。即，本实验中，未添加碳酸钙、铬以及碳化钨。
对比实验7：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、纯铜粉末40份、黄铁粉(FeS2)粉末2.5份、冰晶石粉末(Na3AlF6)2.5份、造孔剂(TiH2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min。将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12MPa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮7。即，本实验中，使用纯铜粉代替铜基结合剂。
可见，对照实验4、对照实验6、以及对比实验1-7中，各组分的总重量相同。
本实施例其次进行了以下五项测试及分析：
测试1
采用扫描电子显微镜(SEM)分析未采用化学镀镍处理的锆刚玉颗粒，图1是对照实验4中，采用化学镀镍所获得的表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒的扫描电镜图，从图中可见，图中未经过化学镀镍处理的锆刚玉颗粒，表面凹凸不平，结构上有较大的起伏，而且颗粒表面疏松多孔，降低锆刚玉颗粒与铜基体的结合能力，界面容易分离。
图2是对照实验4中，未采用化学镀镍处理的锆刚玉颗粒的扫描电镜图和能谱图；从图中可以看出1、2、3点处的成分差别不大，可以证明1、2、3点处材料为由ZrO2和Al2O3构成的锆刚玉。其中点2处成分变化可能是由于成分偏析引起的，但不影响材料的整体性能。
测试2
采用数控磨床测量了上述对照实验1～6和对比实验1～7所制备的砂轮的钢棒磨损量、砂轮磨耗量、摩擦因数、表面粗糙度，结果如表1所示。
表1对照实验1～6和对比实验1～7的实验结果
其中，对照实验1中样品未成形，故无后续的实验数据。
由表1的结果可知，由表1结果可知，对照实验1中，当铜基结合剂的含量过低时，样品不成型，那是因为当铜基结合剂含量低时，铜基结合剂对锆刚玉磨料的把持能力会大大减弱，使砂轮最终不能成型。
比较对照实验2～4可以发现，当未进行化学镀镍的锆刚玉的含量减小，铜基结合剂含量增多时，砂轮的磨耗量减少，砂轮的摩擦因数提高，钢棒磨损量增加，这是因为当结合剂含量增多时，结合剂对锆刚玉颗粒的把持力增加，锆刚玉颗粒与铜基结合剂的粘结能力提升，使材料的强度和刚度提升。
对照实验2的砂轮受热后，磨料颗粒的粘结强度急剧下降，结合强度低于磨粒的破碎强度，磨粒的切削作用没有被充分发挥直接从砂轮表面整体脱落，形成新的整体摩擦面，同时由于没有新的磨粒破碎形成新的切削刃，砂轮整体自锐性降低。在此种情况下，砂轮表面有效切削刃最少，因此磨削能力最差，砂轮磨耗率极大，砂轮极度不耐磨；
对照实验3～4较对照实验2相比，磨削能力及耐磨性均有所提高；
比较对照实验5～6的结果可以发现，经表面改性处理的锆刚玉磨料与铜基结合剂的结合强度、包覆能力、与磨料的磨耗率相匹配，砂轮工作过程中砂轮的磨面被磨平后，锆刚玉磨料破碎或及时从铜基基体表面脱落，形成新的切削刃，保持了连续高效的磨削能力。
同时，从表一中可以看出，对照实验5～6中的磨耗率较低，砂轮耐磨性较好，磨削高效且具有较长时间的服役寿命；
对照实验3～4与对照实验5～6相比，证明了采用化学镀镍后的锆刚玉颗粒摩擦因数升高，这是因为经过化学镀后的锆刚玉与铜基结合剂结合能力强，导致其界面致密度优于其他对照实验，导致摩擦因数升高，增加砂轮的磨削性能。
对比实验1～7中缺少合金元素，故所制备的铜基结合剂锆刚玉砂轮强度较低、磨损量较大、表面较粗糙，性能较差。
测试3
图3、图4分别为对照实验5和对照实验6的钢棒表面磨损面的SEM图。从图中可以观察到，对照实验5中钢棒磨损面毛刺较多，钢棒表面粗糙；对照实验6钢棒表面较为平整，毛刺量较少，磨损程度较轻。这是因为当铜基结合剂的含量增多时，经化学镀镍的锆刚玉颗粒与铜基结合剂相互作用更加充分，铜基结合剂对锆刚玉颗粒的包覆能力提升，使砂轮在磨削过程中锆刚玉颗粒不容易脱落，使砂轮的表面粗糙程度降低。
中钢棒表面剪切情况较为严重，钢棒表面毛刺较多。对照实验6中样品(即砂轮)表面较为平整，毛刺量较少，磨损程度较轻。这是因为当铜基结合剂含量增多时时，经化学镀镍的锆刚玉颗粒与铜基结合剂相互作用更加充分，二者之间的交互界面结合的能力提升，在磨削过程中磨粒不容易脱落，砂轮自锐性强，对钢棒的磨损量增加。
测试4
图5为对照实验5和对照实验6的钢棒表面形貌扫描及能谱结果图；由能谱结果可知，图中2、5两点处钢棒表面剥落，部分地区还有轴向磨损沟的存在。其中点2处能谱结果显示在此处铜含量显著增加，是因为砂轮磨损剥落的铜基结合剂与钢棒表面作用而残留在钢棒表面；点5处能谱结果表明，在该点处钢棒表面出现氧化现象，这是因为钢棒在磨损的时候由于磨损面温度过高，导致材料表面出现氧化层，由于氧化层的硬度较高，这种情况不利于砂轮对样品表面进行磨削。其余点1、3、4、6处材料能谱结果显示材料成分无较大差别。
测试5
图6为对照实验5和对照实验6所制备的砂轮表面粗糙度的模拟图(即砂轮磨损实验结果分析图)，从图中可以看出，对照实验5的砂轮表面结构较为均匀，这是因为当铜基结合剂含量增多时，经化学镀镍的锆刚玉颗粒与铜基结合剂相互作用更加充分，二者之间的交互界面结合的能力提升，在磨削过程中磨粒不容易脱落，砂轮的表面粗糙程度降低。随着锆刚玉颗粒含量增加，锆刚玉颗粒比重增加，与铜基结合剂混合不均匀，导致砂轮的表面粗糙度增加。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，其特征在于，包括按重量百分比配置的如下组分：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒40～70％、铜基结合剂20～40％、黄铁粉粉末1～5％、冰晶石粉末～4％、造孔剂粉末2～5％、碳酸钙粉末0.5～3％、镧粉末0.1～1.5％、铬粉末0.1～2％、石墨粉末0.1～1％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.5％、经表面改性处理的碳纳米管0.1～0.5％、碳化钨粉末1～5％。
2.根据权利要求1所述的用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，其特征在于，所述铜基结合剂按重量百分比包括如下组分：铜粉末80～95％、锡粉末5～10％、镍粉末3～8％、锌粉末1～5％。
3.一种铜基结合剂锆刚玉砂轮的制备方法，其特征在于，包括
采用化学镀镍的方法对锆刚玉颗粒进行处理，获得表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒；
采用芦丁水溶液处理石墨烯，获得经表面改性处理的石墨烯；
采用没食子酸水溶液处理碳纳米管，获得经表面改性处理的碳纳米管；
将所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒、所述经表面改性处理的石墨烯及所述经表面改性处理的碳纳米管与铜粉末、锡粉末、镍粉末、锌粉末、黄铁粉粉末、冰晶石粉末、氢化钛粉末、碳酸钙粉末、镧粉末、铬粉末、石墨粉末、碳化钨粉末进行球磨混料，得到复合粉末；
将所述复合粉末进行真空热压烧结成型，获得铜基结合剂锆刚玉砂轮。
4.根据权利要求3所述的用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，其特征在于，所述复合粉末中各组分的重量百分比为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒40～70％、铜粉末80～95％、锡粉末5～10％、镍粉末3～8％、锌粉末1～5％、黄铁粉粉末1～5％、冰晶石粉末～4％、氢化钛粉末2～5％、碳酸钙粉末0.5～3％、镧粉末0.1～1.5％、铬粉末0.1～2％、石墨粉末0.1～1％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.5％、经表面改性处理的碳纳米管0.1～0.5％、碳化钨粉末1～5％。
5.根据权利要求3所述的用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，其特征在于，制备所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒的方法为；
首先，将锆刚玉颗粒放入敏化液中敏化，敏化完成后依次进行超声清洗和过滤，并取滤渣进行真空干燥；
然后，将干燥后的锆刚玉颗粒放入到活化液中活化，活化完成后依次进行超声清洗和过滤，并取滤渣进行真空干燥；
最后，将干燥后的锆刚玉颗粒放入到化学镀液中，并调整化学镀液的温度和pH，对锆刚玉颗粒镀镍，镀镍后依次进行超声清洗和过滤，并取滤渣进行真空干燥，获得所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。
6.根据权利要求5所述的用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，其特征在于，所述敏化液的成分为：SnCl2·2H2O：20～40g/L，HCl：20～60g/L，敏化时间为10～50min；
所述活化液的成分为：PdCl2：0.1～1g/L，活化时间为10～50min；
所述化学镀液的成分为：NiSO4·6H2O：10～50g/L，NaH2PO2·H2O：10～50g/L，Na3C6H5O7·2H2O：10～50g/L，NH4Cl：30～90g/L，化学镀时间为10～50min。
7.根据权利要求5所述的用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，其特征在于，所述超声清洗的时间为20～60min，所述真空干燥的温度为50℃～90℃，所述真空干燥的时间为5～15min；所述化学镀液的pH为4～6，化学镀液的温度为50～80℃。
8.根据权利要求3所述的用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，其特征在于，制备所述经表面改性处理的石墨烯的方法为；将石墨烯加入到芦丁水溶液中，并进行机械搅拌，然后依次进行超声分散处理、静置以及过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的石墨烯；其中，
所述芦丁水溶液由去离子水配制，且芦丁水溶液中芦丁的浓度为0.001～18μg/mL；采用芦丁水溶液处理石墨烯时，石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积之比为0.05～0.5g:20～60mL；所述超声分散的时间为20～60min；所述静置的时间为12～48h；所述真空干燥的温度为50℃～90℃，所述真空干燥的时间为12～36h。
9.根据权利要求3所述的用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮，其特征在于，制备所述经表面改性处理的碳纳米管的方法为；将碳纳米管加入到没食子酸水溶液中，并进行机械搅拌，然后依次进行超声分散处理、静置以及过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的碳纳米管；其中，
所述没食子酸水溶液由去离子水配制，且没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为3～18μg/ml；采用没食子酸水溶液处理碳纳米管时，碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.05～0.5g:20～60ml；所述超声分散的时间为20～60min；所述静置的时间为12～48h；所述真空干燥的温度为50℃～90℃，所述真空干燥的时间为12～36h。
10.根据权利要求3所述的铜基结合剂锆刚玉砂轮的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结的温度为：先以10～30℃/min升温至550～700℃，再以5～15℃/min升温至750～900℃，最后以1～10℃/min的速度升温至850～1000℃，保温时间1～3h；所述真空热压烧结的压力为：先预压0.5～2h，预压压力为0.5～1.5T，再以0.05～0.15T/min的速度升压至5～15MPa，保压时间15～30min。
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