CN111070114A - 磨轮、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磨轮、制备方法及其应用，属于磨料磨具制造的技术领域。本发明的制备方法，包括配料、布料、钎焊烧结、铰孔、喷漆和开刃等步骤；采用的合金粉末钎料的组成为31～35wt％的Ni、23～25wt％的Mn、1.25～2.5wt％的Si、0.30～1.0wt％的B、1.0～1.5wt％的Fe、1.0～5.0wt％的Cr，余量为Cu。本发明还涉及由上述制备方法得到的磨轮以及磨轮的制备方法。本发明的磨轮采用的合金粉末钎料不含有稀缺金属W、Co以及贵重金属成分，成本较低，而且钎焊烧结温度较低对金刚石颗粒的热损伤小，且浸润性好、能够对磨料形成良好的把持力，有利于充分发挥磨料的磨削作用，显著提高了使用寿命。

Description

磨轮、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及磨料磨具制造的技术领域，更具体地说，本发明涉及磨轮、制备方法及其应用。

背景技术

传统的普速和快速铁路轨道由两条平行的钢轨组成，钢轨固定放在枕木上，之下为小碎石铺成的路砟，称之为有砟轨道系统。在有砟轨道系统中，路砟和枕木可以起加大受力面、分散火车压力、帮助钢轨承重的作用，防止铁轨因压强太大而下陷到泥土里。无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石，钢轨、轨枕直接铺在混凝土路上。无砟轨道系统相对于有砟轨道系统，可以减少维护、降低粉尘、美化环境，比较舒适。高速铁路(简称高铁)的轨道系统通常为无砟轨道系统。我国自2008年8月1日，开通运营了时速高达350公里的京津城际高速铁路，为了保证高铁轨道线路的平顺性、稳定性和安全性，其中采用了德国联邦铁路公司开发的无砟轨道系统。截至2017年末，中国投入运营的高速铁路已达2.52万公里，占世界高速铁路总里程的60％以上，成为世界上唯一的高铁成网运行的国家。中国已成为世界上高速铁路系统技术最全、运营里程最长、运行速度最高的国家。

目前，我国的高铁轨道系统采用的无砟轨道主要有长枕埋入式无砟轨道、板式无砟轨道、弹性支承块式等形式。具体来说，包括CRTS I型板式无砟轨道、CRTS II型板式无砟轨道(即博格板)、CRTS I型双块式无砟轨道、CRTS II型双块式无砟轨道以及CRTS III型板式无砟轨道等五种类型。在无砟轨道系统中钢轨均是铺设在经过机床(大型角磨机)精确打磨的板式或块式混凝土基台上。在施工中，需要使用数控磨床对混凝土基台进行机械加工，以达到规定的精度，以应用最广的在博格板为例，磨削加工的面包括两个倾斜的侧面、两侧面之间的底面，以及底面与两侧面结合处的两个沟槽，磨削精度要求达到0.1mm。加工博格板的数控磨床最初采用的是电镀磨轮，但电镀磨轮的使用寿命、加工效率和成品率均较差。为了提高磨轮效率、使用寿命以及加工精度，丹阳华昌工具有限公司开发了钎焊金刚石磨轮，通过在磨轮钢基体表面上涂覆金刚石磨料，然后采用真空钎焊或真空钎焊工艺加工而成，该工艺具有结合强度高、磨料合理出露、耐磨性好等的特点，获得了市场的广泛好评，而且基于该技术的发明专利申请CN201010256554.X于2012年5月30日获得授权。

目前我国也是高铁在建里程最多的，为了降低成本，对加工用的钎焊金刚石磨轮的性能也提出了更高的要求，在保证磨削精度、使用效率的前提下需要进一步提高磨轮的使用寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供轨道磨轮、制备方法及其应用。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种磨轮的制备方法。

本发明的磨轮的制备方法，包括以下步骤：

1)配料：将磨料和合金粉末钎料采用三维混料机混合均匀预混制成成型料，所述磨料由金刚石颗粒，或者由金刚石颗粒与辅助磨粒组成；

2)布料：调整好工装模具，首先放置好钢基体，然后投放成型料，组装到成型夹具中得到磨轮毛坯；

3)钎焊烧结：将磨轮毛坯组装在模框中，在抽真空气氛中进行钎焊烧结，钎焊温度为1000～1090℃；

4)铰孔：将钎焊后的磨轮固定在夹具上，以中心孔定对孔径进行矫正；

5)喷漆、开刃：将铰孔后的磨轮去氧化皮，然后进行喷漆开刃。

其中，还包括步骤6)矫正动平衡：把磨轮安装在动平衡机器上转动，找到不平衡的点，打眼去重力点。

其中，所述辅助磨粒为碳化硅颗粒、刚玉颗粒或六方氮化硼颗粒。

其中，所述金刚石颗粒为粒径为0.30～0.75μm的级配颗粒，所述辅助磨粒为粒径为0.15～0.50μm的级配颗粒。

其中，所述合金粉末钎料的组成为31～35wt％的Ni、23～25wt％的Mn、1.25～2.5wt％的Si、0.30～1.0wt％的B、1.0～1.5wt％的Fe、1.0～5.0wt％的Cr，余量为Cu。

其中，所述合金粉末钎料中，Cr的含量为1.8～4.0wt％。

本发明还提供了一种由上述制备方法得到的磨轮。

本发明还提供了一种磨轮的应用，所述磨轮用于无砟轨道中的混凝土基台的机械加工。

与现有技术相比，本发明的制备方法得到的具有以下有益效果：

本发明的磨轮采用的合金粉末钎料不含有稀缺金属W、Co以及贵重金属成分，成本较低，而且钎焊烧结温度较低对金刚石颗粒的热损伤小，且浸润性好、能够对磨料或复合磨料形成良好的把持力，有利于充分发挥磨料的磨削作用，显著提高了使用寿命。

附图说明

图1为实施例1与对比例1的磨轮损耗量与磨削量的关系图。

图2为实施例2与对比例2的磨轮损耗量与磨削量的关系图。

图3为实施例3与对比例3的磨轮损耗量与磨削量的关系图。

图4为实施例4与对比例4的磨轮损耗量与磨削量的关系图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明的磨轮及其制备方法做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明的磨轮主要用于无砟轨道系统中的混凝土基台的磨削加工，磨削精度要求达到0.1mm。本发明的磨轮采用的钢基体为低合金钢，例如45号钢、65Mn、25CrMo、28CrMo、30CrMo或50Mn2V，采用的钢基体可以通过低合金钢铸造然后加工而成。在钢基体的侧表面上设置有磨料工作层，磨料工作层由作为基质的合金钎料层，和嵌合在合金钎料层上的人造金刚石颗粒或者进一步包含辅助磨粒组成，采用的金刚石颗粒由50目至30目的金刚石颗粒级配而成，采用的辅助磨粒由100目至35目的辅助磨粒级配而成。所述金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的1.0～5.0wt％。在本发明中，金刚石颗粒和辅助磨粒的质量比为10∶0.1～2.0。

在以下实例(包括实施例和比较例)如未特别说明，采用的金刚石颗粒中，粒度为30目的占35wt％，粒度为40目的占45wt％，粒度为50目的占20％。在以下实例(如果采用)采用的辅助磨粒中，粒度为100目的占30wt％，粒度为60目的占40wt％，粒度为35目的占30wt％。实验发现，相比于金刚石颗粒的粒度，采用较小粒度级配的辅助磨粒反而能够更好的发挥辅助磨削作用并提高了磨耗比，提高了使用寿命。由于Ag-Cu-Ti、Cu-Sn-Ti合金钎料的耐磨性较差，而且成本较高，现有技术中通常采用Ni-Cr-Si-B合金钎料。但Ni-Cr-Si-B合金钎料虽然对磨粒的把持力较好，但作为合金钎料难以充分发挥复合磨粒的磨削作用，且热传导性较差。在本发明中，采用的合金粉末钎料的组成为31～35wt％的Ni、23～25wt％的Mn、1.25～2.5wt％的Si、0.30～1.0wt％的B、1.0～1.5wt％的Fe、1.0～5.0wt％的Cr，余量为Cu。本发明的合金粉末钎料能够形成低熔点的Cu-Mn-Ni合金，添加的Si和B不仅有利于进一步降低熔化温度，同时也可以起到固溶强化作用，添加的少量Fe能够促进合金钎料在钢上的铺展性，添加的Cr为强碳化物形成元素，有利于提高钎料对金刚石颗粒的浸润作用。在本发明中，通过将Ni、Mn等元素的含量限定在上述范围，在1000～1090℃的范围内，优选在1000～1050℃的范围，例如可以在约1020℃进行钎焊烧结。在本发明中，当Fe的含量超过1.5wt％时，将形成Fe的独立相将对胎体的耐磨性不利，另外，如果Si的含量超过2.5wt％或者B的含量超过1.0wt％将会导致形成脆性相的风险增大，不利于对金刚石颗粒的把持。另外，如果不含Cr或Cr的含量小于1.0wt％，将有对金刚石颗粒把持力不足的风险，而如果Cr的含量超过5wt％，不仅会导致钎焊温度升高，而且会导致偏析倾向加大，反而使得胎体的整体强度降低。因而在本发明中，Cr的含量为1.8～4.0wt％，进一步优选为2.5～4.0wt％。

实施例1

本实施例的制备方法包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为31wt％的Ni、25wt％的Mn、1.8wt％的Si、0.80wt％的B、1.0wt％的Fe、2.5wt％的Cr，余量为Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的3.0wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

实施例2

本实施例的制备方法包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒和碳化硅颗粒，与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为31wt％的Ni、25wt％的Mn、1.8wt％的Si、0.80wt％的B、1.0wt％的Fe、2.5wt％的Cr，余量为Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的2.5wt％，添加的碳化硅颗粒的重量为合金粉末钎料的重量的0.50wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

实施例3

本实施例的制备方法包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒和刚玉颗粒，与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为33wt％的Ni、24wt％的Mn、1.25wt％的Si、1.0wt％的B、1.5wt％的Fe、1.2wt％的Cr，余量为Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的2.5wt％，添加的刚玉颗粒的重量为合金粉末钎料的重量的0.5wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)矫正动平衡：将开刃后的磨轮装在动平衡机器上，进行转动，找到不平衡的点，进行打眼，去重力点。

7)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

实施例4

本实施例的制备方法包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒和六方氮化硼颗粒，与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为33wt％的Ni、24wt％的Mn、1.25wt％的Si、1.0wt％的B、1.5wt％的Fe、1.2wt％的Cr，余量为Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的2.5wt％，添加的六方氮化硼颗粒的重量为合金粉末钎料的重量的0.5wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)矫正动平衡：将开刃后的磨轮装在动平衡机器上，进行转动，找到不平衡的点，进行打眼，去重力点。

7)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

对比例1

本对比例的制备方法包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为31wt％的Ni、25wt％的Mn、1.8wt％的Si、0.80wt％的B、1.0wt％的Fe、2.5wt％的Cr，余量为Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的3.0wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

对比例2

本对比例的制备方法包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒和碳化硅颗粒，与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为72wt％的Ni、10wt％的Cr、2.0wt％的Mn、3.5wt％的Si、2.0wt％的B、2.0wt％的Fe、8.5wt％的Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的2.5wt％，添加的碳化硅颗粒的重量为合金粉末钎料的重量的0.50wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

对比例3

本对比例的制备方法包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒和刚玉颗粒，与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为72wt％的Ni、10wt％的Cr、2.0wt％的Mn、3.5wt％的Si、2.0wt％的B、2.0wt％的Fe、8.5wt％的Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的2.5wt％，添加的刚玉颗粒的重量为合金粉末钎料的重量的0.5wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)矫正动平衡：将开刃后的磨轮装在动平衡机器上，进行转动，找到不平衡的点，进行打眼，去重力点。

7)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

对比例4

本对比例的制备方法包括以下工艺步骤：

1)配料：将级配的金刚石颗粒和六方氮化硼颗粒，与合金粉末钎料预混制成成型料，混料采用三维混料机，混料时间为50分钟。合金粉末钎料的组成为72wt％的Ni、10wt％的Cr、2.0wt％的Mn、3.5wt％的Si、2.0wt％的B、2.0wt％的Fe、8.5wt％的Cu；添加的金刚石颗粒的重量为合金粉末钎料重量的2.5wt％，添加的六方氮化硼颗粒的重量为合金粉末钎料的重量的0.5wt％。

2)布料：调整好工装模具，放置机械加工成型的65Mn钢基体(钢基体表面清洗后，预先涂敷有胶粘剂和阻流剂)，然后投放成型料，组装到成型夹具中，钢基体是65Mn材料。

3)钎焊真空烧结：将布料好的磨轮毛坯，组装在模框中，在真空加热炉中进行加热烧结，真空烧结温度约1020℃，保温时间为5min，真空度4.0×10^-4。在真空加热炉中平均升温速度为30℃/min，停止加热后，平均降温时间为10℃/min。

4)铰孔：将钎焊烧结后的磨轮固定在机器的夹具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)矫正动平衡：将开刃后的磨轮装在动平衡机器上，进行转动，找到不平衡的点，进行打眼，去重力点。

7)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。具上，按照标准尺寸对中心孔进行对孔径矫正。

5)喷漆、开刃：将热压烧结后的磨轮去氧化皮，并进行喷漆、开刃。

6)矫正动平衡：将开刃后的磨轮装在动平衡机器上，进行转动，找到不平衡的点，进行打眼，去重力点。

7)检验包装：将按要求对磨轮进行检验并进行数据核对，按要求包装入库。

利用实施例1～4、对比例1～4制备的磨轮安装在角磨机上对强度等级为C45的混凝土以干磨削方式进行磨削试验(切入式顺磨，转速5000r/min)，磨削量与磨损量的测量结果如图1～4中离散的点值所示。从中可以看出，采用本发明的合金粉末钎料制备的磨料工作层，提高了单位体积的磨削量，有利于充分发挥磨料的磨削作用，显著提高了使用寿命。

Claims (9)

1.磨轮的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)配料：将磨料和合金粉末钎料采用三维混料机混合均匀预混制成成型料，所述磨料由金刚石颗粒，或者由金刚石颗粒与辅助磨粒组成；

2)布料：调整好工装模具，首先放置好钢基体，然后投放成型料，组装到成型夹具中得到磨轮毛坯；

3)钎焊烧结：将磨轮毛坯组装在模框中，在抽真空气氛中进行钎焊烧结，钎焊温度为1000～1090℃；

4)铰孔：将钎焊后的磨轮固定在夹具上，以中心孔定对孔径进行矫正；

5)喷漆、开刃：将铰孔后的磨轮去氧化皮，然后进行喷漆开刃。

2.根据权利要求1所述的磨轮的制备方法，其特征在于还包括步骤6)矫正动平衡：把磨轮安装在动平衡机器上转动，找到不平衡的点，打眼去重力点。

3.根据权利要求1所述的磨轮的制备方法，其特征在于：所述辅助磨粒为碳化硅颗粒、刚玉颗粒或六方氮化硼颗粒。

4.根据权利要求1所述的磨轮的制备方法，其特征在于：所述金刚石颗粒为粒径为0.30～0.75μm的级配颗粒，所述辅助磨粒为粒径为0.15～0.50μm的级配颗粒。

5.根据权利要求1所述的磨轮的制备方法，其特征在于：所述金刚石颗粒和辅助磨粒的质量比为10∶0.1～2.0。

6.根据权利要求1所述的磨轮的制备方法，其特征在于：所述合金粉末钎料的组成为31～35wt％的Ni、23～25wt％的Mn、1.25～2.5wt％的Si、0.30～1.0wt％的B、1.0～1.5wt％的Fe、1.0～5.0wt％的Cr，余量为Cu。

7.根据权利要求6所述的磨轮的制备方法，其特征在于：所述合金粉末钎料中，Cr的含量为1.8～4.0wt％。

8.一种磨轮，由权利要求1～7任一项所述的制备方法制备得到。

9.一种磨轮的应用，其特征在于：所述磨轮用于无砟轨道中的混凝土基台的机械加工。

Images