CN110497324A - 一种多孔自锐性金属基砂轮及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多孔自锐性金属基砂轮及其制备方法，属于磨料磨具技术领域。本发明的多孔自锐性金属基砂轮，包括多孔泡沫金属基体、通过金属结合剂固结在多孔泡沫金属基体上的磨料。本发明的多孔自锐性金属基砂轮，具有高气孔率并且孔隙尺寸大且均匀可控，能够有效地提升砂轮的容屑空间、提高砂轮散热性能、降低磨削温度，同时增强砂轮的出刃能力及自锐性，此外，本发明的多孔自锐性金属基砂轮也会由于致密度降低也更容易修整。

Description

一种多孔自锐性金属基砂轮及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种多孔自锐性金属基砂轮及其制备方法，属于磨料磨具技术领域。
背景技术
砂轮根据磨料的不同分为超硬磨料砂轮和普通磨料砂轮。其中超硬磨料砂轮是由超硬材料(金刚石或立方氮化硼，为世界上硬度最高的两种物质)作为磨料的磨削工具，具有加工效率高、加工精度好、使用寿命长等显著优点，因此广泛应用于航空航天、国防军工、电子信息、汽车制造、机床工具、高速铁路、石油与天然气钻井等国防建设、国民经济和尖端科学技术领域，占据着非常重要的战略地位。
从卫星、导弹、火箭、飞机发动机、航母及大型军舰及民用船舶，到大规模集成电路、核电站原子能反应堆、汽车、日用建筑材料的加工，超硬磨料砂轮可加工的对象囊括了世界上所有的已知材料，大大提高了钛合金、高温合金等各类新型难加工材料的加工效率和加工质量，尤其是作为高速/超高速、精密/超精密、数控、微细加工等先进制造技术的重要组成部分，超硬磨料砂轮已成为现代工业高端发展不可替代的高档工具之一。
金属结合剂超硬磨料砂轮是超硬磨料砂轮中非常重要的系列之一，与树脂结合剂超硬磨料砂轮、陶瓷结合剂超硬磨料砂轮相比，具有结合强度高、耐磨性好、使用寿命长、耐高温、形状保持性好等优点。但金属结合剂超硬磨料砂轮也存在以下不足：采用传统模压--烧结工艺制备的金属结合剂超硬磨料砂轮组织致密，几乎不含孔隙，无法制备高孔隙率金属结合剂砂轮，砂轮易堵塞、出刃能力及自锐性较差、砂轮修整修锐困难，限制了砂轮加工效率的提高。除金属结合剂超硬材料砂轮外，现有技术中以刚玉、碳化硅等普通磨料作为磨料的金属结合剂砂轮，同样存在孔隙率较低的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高气孔率的多孔自锐性金属基砂轮。
本发明还提供了一种上述多孔自锐性金属基砂轮的制备方法。
为了实现以上目的，本发明的多孔自锐性金属基砂轮所采用的技术方案是：
一种多孔自锐性金属基砂轮，包括多孔泡沫金属基体、通过金属结合剂固结在多孔泡沫金属基体上的磨料。
本发明的多孔自锐性金属基砂轮，具有气孔率高、孔隙尺寸大且孔隙均匀可控的优点，能够有效地提升砂轮的容屑空间、提高砂轮散热性能、降低磨削温度和磨削力，同时增强砂轮的出刃能力及自锐性，此外，本发明的多孔自锐性金属基砂轮也会由于致密度降低也更容易修整。本发明的多孔自锐性金属基砂轮与传统的砂轮相比，在加工物料时，磨削力和磨削温度均下降25％以上，最大磨削深度提高15％以上，最大进给速度提高20％以上。
所述多孔泡沫金属基体具有金属骨架结构和通孔结构。磨料固结在多孔泡沫金属基体上就是固结在多孔泡沫金属基体的金属骨架上。
优选的，所述多孔泡沫金属基体为泡沫铜、泡沫镍、泡沫铝、泡沫铁、泡沫镁或泡沫合金中的一种。所述泡沫合金的材质为铜、镍、铝、铁、镁中的任意两种及以上组成的合金。
优选的，所述多孔泡沫金属基体的孔径为50～1000μm。多孔泡沫金属基体的孔隙率为85～95％。
所述磨料可以为现有技术的任意磨料，如超硬磨料、普通磨料。优选的，所述磨料为镀覆金属或未镀覆金属的超硬磨料。所述超硬磨料选自金刚石、立方氮化硼中的一种或两种。
优选的，所述多孔泡沫金属基体、金属结合剂和磨料的质量比为2.5～5.5:1.5～5:1。
优选的，所述多孔泡沫金属基体为泡沫铜；所述金属结合剂为青铜系金属结合剂或黄铜系金属结合剂。
进一步优选的，所述青铜系金属结合剂为锡青铜金属结合剂；所述锡青铜金属结合剂中，锡的质量百分不小于5％。更进一步优选的，所述青铜系金属结合剂为锡青铜金属结合剂；所述锡青铜金属结合剂由以下质量百分比的组分组成：钴10～20％、锡5～20％、锌0～5％，余量为铜。所述黄铜系金属结合剂中，锌的质量百分比不小于5％。
本发明的多孔自锐性金属基砂轮的制备方法所采用的技术方案为：
一种上述的多孔自锐性金属基砂轮制备方法，将金属结合剂和磨料均匀地分散在多孔泡沫金属基体中，无压烧结，即得。
本发明的多孔自锐性金属基砂轮的制备方法，摈弃了金属结合剂磨料砂轮传统的模压-烧结制备工艺，采用无压烧结，制备工艺简单，并且有助于保持原料中多孔泡沫金属的气孔，所得的多孔自锐性金属基砂轮具有高气孔率(63％以上)；此外，金属结合剂成分在在烧结高温环境下扩散到多孔泡沫金属基体中，使得多孔泡沫金属基体发生表层合金化，从而使多孔泡沫金属基体的强度和硬度等机械性能得以提高，增强了砂轮的机械性能。
优选的，上述多孔自锐性金属基砂轮的制备方法，还包括对多孔泡沫金属基体除油、除锈，然后进行还原处理。进行对多孔泡沫金属基体进行还原处理可以去除多孔泡沫金属基结合剂表面的氧化铜，利于后续烧结时多孔泡沫金属基体与金属结合剂形成化学冶金结合。
所述还原处理为在还原性气体中进行加热处理。优选的，所述还原性气体为氢气。进一步优选的，所述还原处理的温度为550～600℃，时间为2～4h。
将金属结合剂和磨料均匀地分散在多孔泡沫金属基体中可采用机械混合的方法进行。
优选的，所述多孔泡沫金属基体为泡沫铜、泡沫镍、泡沫铝、泡沫铁、泡沫镁或泡沫合金中的一种。所述泡沫合金的材质为铜、镍、铝、铁、镁中的任意两种及以上组成的合金。
优选的，所述多孔泡沫金属基体的孔径为50～1000μm。为了使金属结合剂、磨料在多孔泡沫金属基体的孔隙内能够有效流动分散，应采用较高孔隙率的多孔泡沫金属基体。优选的，所述多孔泡沫金属基体的孔隙率为85～95％。高孔隙率的多孔泡沫金属基体为制备多孔自锐性金属基砂轮提供了天然的孔隙结构基础。
金属结合剂起到粘接磨料的作用。烧结过程中结合剂致密化将磨料固结粘结在金属结合剂中及多孔泡沫金属基体内部和表面的骨架上。根据多孔泡沫金属基体材质的不同，优先选择与多孔泡沫金属基体具有良好的烧结相融相的金属结合剂。优选的，所述多孔泡沫金属基体为泡沫铜；所述金属结合剂为青铜系金属结合剂或黄铜系金属结合剂。青铜系金属结合剂和黄铜系金属结合剂都能够与多孔泡沫铜基体之间实现化学冶金结合，从而提高结合强度，并且烧结过程中金属结合剂中的锡、锌等低熔点金属会发生液化、流动，承载磨料填充部分细小孔隙，使得磨料分散更加均匀、充分。
进一步优选的，所述青铜系金属结合剂为锡青铜金属结合剂；所述锡青铜金属结合剂中，锡的质量百分不小于5％。更进一步优选的，所述锡青铜金属结合剂由以下质量百分比的组分组成：钴10～20％、锡5～20％、锌0～5％，余量为铜。所述黄铜系金属结合剂中，锌的质量百分比不小于5％。
优选的，所述烧结的温度为630～750℃，时间为1～2h。
烧结的升温程序为：采用50～70min从室温升温至230～280℃，然后采用50～70min继续升温至580～620℃，最后采用25～35min继续升温至烧结的温度。所述升温程序中，各阶段升温过程均为线性升温。
上述多孔自锐性金属基砂轮的制备方法，还包括将无压烧结制得的烧结毛坯进行机加工处理。将无压烧结的烧结毛坯进行机加工可制得尺寸、精度等符合要求的多孔自锐性金属基砂轮。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例的多孔自锐性金属基砂轮，由泡沫铜、金属结合剂和超硬磨料组成；超硬磨料通过金属结合剂固结在泡沫铜上。泡沫铜的孔径为50μm，孔隙率为95％；金属结合剂由以下质量百分比的组分组成：70％的铜粉、20％的锡粉、10％的钴粉；金属结合剂的粒度为7μm；超硬磨料为粒度为20μm的金刚石；泡沫铜、金属结合剂和超硬磨料的质量比为4:5:1。
本实施例的多孔自锐性金属基砂轮的制备方法，包括以下步骤：
1)泡沫铜预处理：对泡沫铜进行碱洗、酸洗并采用丙酮浸泡以去除油、锈及附着物，之后在氢气还原炉中采用氢气对泡沫铜进行还原处理以去除泡沫铜表面的氧化铜；还原处理的温度为550℃，时间为4h；
2)混料：取配方量的金属结合剂、超硬磨料和预处理后的泡沫铜；将金属结合剂和超硬磨料混匀，得到混合料；然后将混合料与泡沫铜通过三维混料机进行机械混合的方式使混合料均匀地分散在泡沫铜中，得到烧结体；
3)烧结：将所得的烧结体在氢气气氛中，用1h从室温升温至250℃，然后用1h升温至600℃，最后用0.5h升温至630℃进行无压烧结2h，然后随炉冷却至室温，得到烧结毛坯；
4)机加工：将所得烧结毛坯进行内外圆、端面机加工处理，得到尺寸、精度等符合要求的多孔泡沫铜基超硬磨料砂轮，即得。
本实施例制备得到的多孔自锐性金属基砂轮的气孔率为65％，专用于平面磨床上磨削硬质合金时，与传统模压-烧结工艺制备的致密金属结合剂超硬磨料砂轮相比，磨削力降低30％、磨削温度降低25％、砂轮最大磨削深度提高25％、最大磨削进给速度提高20％、砂轮使用过程中免修整，自锐性好，磨削过程中无工件烧伤现象，显现了本实施例的多孔自锐性金属基砂轮良好的使用性能。
实施例2
本实施例的多孔自锐性金属基砂轮，由泡沫铜、金属结合剂和超硬磨料组成；超硬磨料通过金属结合剂固结在泡沫铜上。泡沫铜的孔径为1000μm，孔隙率为90％；金属结合剂由以下质量百分比的组分组成：75％的铜粉、5％的锡粉、20％的钴粉；金属结合剂的粒度为20μm；超硬磨料为粒度为150μm的立方氮化硼；泡沫铜、金属结合剂和超硬磨料的质量比为5:3:2。
本实施例的多孔自锐性金属基砂轮的制备方法，包括以下步骤：
1)泡沫铜预处理：对泡沫铜进行碱洗、酸洗并采用丙酮浸泡以去除油、锈及附着物，之后在氢气还原炉中采用氢气对泡沫铜进行还原处理以去除泡沫铜表面的氧化铜；还原处理的温度为600℃，时间为2h；
2)混料：取配方量的金属结合剂、超硬磨料和预处理后的泡沫铜；将金属结合剂和超硬磨料混匀，得到混合料；然后将混合料与泡沫铜通过三维混料机进行机械混合的方式使混合料均匀地分散在泡沫铜中，得到烧结体；
3)烧结：将所得的烧结体在氢气气氛中，用1h从室温升温至250℃，然后用1h升温至600℃，最后用0.5h升温至700℃进行无压烧结1.5h，然后随炉冷却至室温，得到烧结毛坯；
4)机加工：将所得烧结毛坯进行内外圆、端面机加工处理，得到尺寸、精度等符合要求的多孔泡沫铜基超硬磨料砂轮，即得。
本实施例制备得到的多孔自锐性金属基砂轮的气孔率为63％，专用于外圆磨床上磨削加工钢锭氧化层时，与传统模压-烧结工艺制备的致密金属结合剂超硬磨料砂轮相比，磨削力降低25％、磨削温度降低25％、砂轮最大磨削深度提高15％、最大磨削进给速度提高25％、砂轮使用过程中免修整，自锐性好，磨削过程中无工件烧伤现象，显现了本实施例的多孔自锐性金属基砂轮良好的使用性能。
实施例3
本实施例的多孔自锐性金属基砂轮，由泡沫铜、金属结合剂和超硬磨料组成；超硬磨料通过金属结合剂固结在泡沫铜上。多孔泡沫铜基体的孔径为500μm，孔隙率为85％；金属结合剂由以下质量百分比的组分组成：65％的铜粉、15％的锡粉、5％的锌粉、15％的钴粉；金属结合剂的粒度为20μm；超硬磨料为粒度为45μm的立方氮化硼；泡沫铜、金属结合剂和超硬磨料的质量比为8:3:1.5。
本实施例的多孔自锐性金属基砂轮的制备方法，包括以下步骤：
1)泡沫铜预处理：对泡沫铜进行碱洗、酸洗并采用丙酮浸泡以去除油、锈及附着物，之后在氢气还原炉中采用氢气对泡沫铜进行还原处理以去除基体表面的氧化铜；还原处理的温度为550℃，时间为3h；
2)混料：取配方量的金属结合剂、超硬磨料和预处理后的泡沫铜；将金属结合剂和超硬磨料混匀，得到混合料；然后将混合料与泡沫铜通过三维混料机进行机械混合的方式使混合料均匀地分散在泡沫铜中，得到烧结体；
3)烧结：将所得的烧结体在氢气气氛中，用1h从室温升温至250℃，然后用1h升温至600℃，最后用0.5h升温至750℃进行无压烧结1h，然后随炉冷却至室温，得到烧结毛坯；
4)机加工：将所得烧结毛坯进行内外圆、端面机加工处理，得到尺寸、精度等符合要求的多孔泡沫铜基超硬磨料砂轮，即得。
本实施例制备得到的多孔自锐性金属基砂轮的气孔率为71％，专用平面磨床上磨削加工钛合金(Ti-6Al-4V)工件时，与传统模压-烧结工艺制备的致密金属结合剂超硬磨料砂轮相比，磨削力降低35％、磨削温度降低30％、砂轮最大磨削深度提高20％、最大磨削进给速度提高20％、砂轮使用过程中免修整，自锐性好，磨削过程中无工件烧伤现象，显现了本实施例的多孔自锐性金属基砂轮良好的使用性能。
实施例4
本实施例的多孔自锐性金属基砂轮与实施例1中的多孔自锐性金属基砂轮的区别仅在于将金刚石替换为立方氮化硼，该多孔自锐性金属基砂轮的制备方法与实施例1中的制备方法的区别仅在于：
将金刚石替换为立方氮化硼；
将步骤3)替换为：将所得的烧结体在氢气气氛中，用50min从室温升温至230℃，然后用70min升温至580℃，最后用35min升温至750℃进行无压烧结60min，然后随炉冷却至室温，得到烧结毛坯。
实施例5
本实施例的多孔自锐性金属基砂轮与实施例2中的多孔自锐性金属基砂轮的区别仅在于：将金刚石替换为碳化硅，该多孔自锐性金属基砂轮的制备方法与实施例2中的制备方法的区别仅在于：
将金刚石替换为碳化硅；
将步骤3)替换为：将所得的烧结体在氢气气氛中，用70min从室温升温至280℃，然后用50min升温至620℃，最后用25min升温至750℃进行无压烧结60min，然后随炉冷却至室温，得到烧结毛坯。
实施例6
本实施例的多孔自锐性金属基砂轮与实施例3中的多孔自锐性金属基砂轮的区别仅在于：将泡沫铜替换为泡沫镍，并将超硬磨料立方氮化硼替换为镀镍金刚石，该多孔自锐性金属基砂轮的制备方法与实施例3中的制备方法的区别仅在于将泡沫铜替换为泡沫镍并将立方氮化硼替换为镀镍金刚石。
实施例7
本实施例的多孔自锐性金属基砂轮与实施例3中的多孔自锐性金属基砂轮的区别在于：将泡沫铜替换为泡沫镍铜合金，该多孔自锐性金属基砂轮的制备方法与实施例3中的制备方法的区别仅在于将泡沫铜替换为泡沫镍铜合金。
实施例4～7的多孔自锐性金属基砂轮的气孔率均在63％以上，加工物料时，且与传统的模压-烧结工艺制备的致密金属结合剂砂轮相比，磨削力、磨削温度降低25％以上，砂轮最大磨削深度提高15％以上、最大磨削进给速度提高20％以上，砂轮使用过程中免修整，自锐性好，磨削过程中无工件烧伤现象，显现了本多孔自锐性金属基砂轮良好的使用性能。

Claims (10)

1.一种多孔自锐性金属基砂轮，其特征在于：包括多孔泡沫金属基体、通过金属结合剂固结在多孔泡沫金属基体上的磨料。
2.根据权利要求1所述的多孔自锐性金属基砂轮，其特征在于：所述多孔泡沫金属基体为泡沫铜、泡沫镍、泡沫铝、泡沫铁、泡沫镁或泡沫合金中的一种；所述泡沫合金的材质为铜、镍、铝、铁、镁中的任意两种及以上组成的合金。
3.根据权利要求1或2所述的多孔自锐性金属基砂轮，其特征在于：所述多孔泡沫金属基体的孔径为50～1000μm，多孔泡沫金属基体的孔隙率为85～95％。
4.根据权利要求1所述的多孔自锐性金属基砂轮，其特征在于：所述磨料为镀覆金属或未镀覆金属的超硬磨料；所述超硬磨料选自金刚石、立方氮化硼中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的多孔自锐性金属基砂轮，其特征在于：所述多孔泡沫金属基体、金属结合剂和磨料的质量比为2.5～5.5:1.5～5:1。
6.根据权利要求1所述的多孔自锐性金属基砂轮，其特征在于：所述多孔泡沫金属基体为泡沫铜；所述金属结合剂为青铜系金属结合剂或黄铜系金属结合剂。
7.根据权利要求6所述的多孔自锐性金属基砂轮，其特征在于：所述青铜系金属结合剂为锡青铜金属结合剂；所述锡青铜金属结合剂由以下质量百分比的组分组成：钴10～20％、锡5～20％、锌0～5％，余量为铜。
8.一种如权利要求1所述的多孔自锐性金属基砂轮的制备方法，其特征在于：将金属结合剂和磨料均匀地分散在多孔泡沫金属基体中，无压烧结，即得。
9.根据权利要求8所述的多孔自锐性金属基砂轮的制备方法，其特征在于：所述烧结的温度为630～750℃，时间为1～2h。
10.根据权利要求9所述的多孔自锐性金属基砂轮的制备方法，其特征在于：烧结的升温程序为：采用50～70min从室温升温至230～280℃，然后采用50～70min继续升温至580～620℃，最后采用25～35min继续升温至烧结的温度。
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CN115179204A (zh) * 2022-08-03 2022-10-14 深圳市永霖科技有限公司 一种树脂砂轮及其制备方法

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