CN111571464B

CN111571464B - 一种高速磨削砂轮用基体及其制备方法、超硬磨料砂轮

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Publication number: CN111571464B
Application number: CN202010457306.5A
Authority: CN
Inventors: 李德启; 李东; 苏永壁; 刘永军
Original assignee: Xinxiang Rongfeng Material Technology Co ltd
Current assignee: Xinxiang Rongfeng Material Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2040-05-26
Also published as: CN111571464A

Abstract

本发明属于磨削磨具技术领域，具体涉及一种高速磨削砂轮用基体及其制备方法，还涉及一种超硬磨料砂轮。本发明的高速磨削砂轮用基体由以下质量百分比的原料制成：二元合金20～55％，单质金属5～15％，无机晶须5～40％，散热材料5～15％，玻璃纤维5～15％，石墨10～20％，粘接剂5～10％，润湿剂1～5％；所述二元合金为铁铜合金和/或镍钛合金；所述单质金属为锡、铜、银中的一种或多种；所述散热材料为氧化锌、二硫化钼、冰晶石中的至少一种。本发明的砂轮基体具有硬度高，刚性好，热膨胀系数小等优点，采用本发明的砂轮基体的砂轮在磨削速度大于120m/s时仍能保证基体不变形、不发生断裂，满足高速磨削的使用要求。

Description

一种高速磨削砂轮用基体及其制备方法、超硬磨料砂轮

技术领域

本发明属于磨削磨具技术领域，具体涉及一种高速磨削砂轮用基体及其制备方法，还涉及一种超硬磨料砂轮。

背景技术

高速磨削(磨削速度大于80m/s)是一种高效高性能的加工方法，相比于普通磨削，高速磨削在磨削效率、加工精度以及砂轮磨损方面都有着相当的优势。目前，常用的高速磨削工具是超硬磨料砂轮，在高速磨削过程中超硬磨料砂轮充分发挥了超硬磨料(金刚石、立方氮化硼)的高硬度、高锋利度的优势，对待加工工件实现精密、高效加工。

超硬磨料砂轮一般由磨料层和支撑磨料层的基体两大部分组成。其中磨料层一般是由超硬磨料、结合剂(粘接剂和功能填料)、气孔组成。在高速磨削过程中，若要充分发挥磨料层的高速锋利磨削，必须有与磨料层相匹配的基体。

现有的常用的超硬磨料砂轮基体一般是钢基体、铝基体、胶木基体以及碳纤维基体等。在高速磨削过程中，钢基体、铝基体以及胶木基体都会发生不同程度的变形，容易与磨料层脱离；碳纤维基体虽然不易变形，但是由于高速磨削会产生大量的热量，反复使用会造成疲劳，最终容易造成损伤、断裂，使得砂轮的动平衡精度超差，造成砂轮磨削工件时易产生震纹，且造成机床主轴的劳损。

因此，现有的基体由于在高速磨削过程中易出现变形、与磨料层脱离、断裂等现象，已无法满足高速磨削的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速磨削砂轮用基体，该基体在高速磨削过程中不易变形并且较好的动平衡性，能够应用于磨削速度大于120m/s的砂轮。

本发明的目的还在于提供一种上述高速磨削砂轮用基体的制备方法。

本发明的目的还在于提供一种采用上述高速磨削砂轮用基体的超硬磨料砂轮。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：

一种高速磨削砂轮用基体，由以下质量百分比的原料制成：二元合金20～55％，单质金属5～15％，无机晶须5～40％，散热材料5～15％，玻璃纤维5～15％，石墨10～20％，粘接剂5～10％，润湿剂1～5％；所述二元合金为铁铜合金和/或镍钛合金；所述单质金属为锡、铜、银中的一种或多种；所述散热材料为氧化锌、二硫化钼、冰晶石中的至少一种；所述粘接剂为石蜡、酚醛树脂、水玻璃中的至少一种。

本发明的高速磨削砂轮用基体，所用二元合金为主要的金属相态结构材料，在基体的制备过程中二元合金中的两种金属元素会发生金属相变，把其他原料一起牢固的把持在一起，形成具有合适的强度、硬度的基体骨架结构。因此，二元合金属于支撑本发明的高速磨削砂轮用基体的主要结合剂和基础结构。所用单质金属进一步增加了二元合金相变后整体基体的韧性，降低整体基体的脆性，防止在高速旋转时，发生脆性断裂；单质金属还增加了整体基体的密度，从而增加整体基体的强度和硬度。

所用无机晶须和玻璃纤维具有两点作用：一、在组织结构中与二元合金一起形成网络骨架结构，使整体材料具有很好的强度和韧性，增加抗冲击韧性和断裂强度；二、晶须本身有一定的导热散热作用，在高负荷磨削时，基体传热分散效果好，不至于热力集中造成局部机械强度降低。

所用散热材料具有较好的导热性能，并且还作为无机非金属颗粒均匀分散在金属相中，能够降低金属基体的脆性，增加抗冲击韧性。

所用石墨的作用是在各原料反应时，增加二元合金的导热性，作为中间介质，使热量分散均匀，促使反应均匀进行。

所用粘接剂为临时粘接剂，在制备过程中使各原料分散均匀，混合均匀。优选的，所用粘接剂为石蜡、酚醛树脂、水玻璃中的至少一种。所用润湿剂使得各原料表面充分润湿，保证了原料之间均匀结合。优选的，所用润湿剂在较低温度下具有粘性(即低温活性润湿剂)，在40℃温度时就会失去粘度，是临时润湿剂，其可以对二元合金和单质金属颗粒表面进行充分润湿，更有利于粘接剂的粘接，使得各原料的混合均匀性，从而保证了砂轮基体的组织均匀性。选择低温活性润湿剂是为了起到临时润湿作用，降低各种原料的表面活性，有利于混料均匀性，且随着反应温度的升高，润湿剂失去活性，使其余各原料充分反应。进一步优选的，本发明所用润湿剂为混合甲酚、硫化油、甘油中的一种或多种。

本发明高速磨削砂轮用基体中，各主要原料之间相互协调，形成了很好的金相组织结构。本发明的砂轮基体具有硬度高，刚性好，热膨胀系数小，组织均匀，动平衡性能好的优点，其各方面机械性能远优于普通的金属基体(铝、铜、钢等)和碳纤维基体。本发明的砂轮基体适用于采用不同结合剂(陶瓷、树脂、金属结合剂)的超硬磨料砂轮，并且采用本发明的砂轮基体的砂轮在磨削速度大于120m/s时仍能保证基体不变形、不发生断裂，满足高速磨削的使用要求。

优选的，本发明的高速磨削砂轮用基体由以下质量百分比的原料制成：二元合金20～25％，单质金属10～15％，无机晶须30～35％，散热材料5～10％，玻璃纤维5％，石墨10％，粘接剂6～7％，润湿剂3～4％。

所述铁铜合金中铁与铜的质量比为85：15或70：30，镍钛合金中镍和钛的质量比为65:35。

进一步优选的，所述二元合金为铁铜合金，所述单质金属为铜或锡；或者所用二元合金为镍钛合金，所述单质金属为铜。采用上述种类的二元合金以及单质金属组合，有利于提高金属相的结构均匀性，增加整体基体的强度、韧性和硬度。

本发明的高速磨削砂轮用基体中，为保证各原料的混合均匀性，所用二元合金、单质金属以及散热材料均为粉料。

二元合金颗粒越小，有利于提高高速磨削砂轮用基体的硬度以及强度，优选的二元合金的颗粒粒度为200～1000目。进一步优选的，所用二元合金的颗粒粒度为200～500目。为提高粉料原料的混料均匀性，优选的所用单质金属的颗粒粒度为200～1000目，进一步优选的所用单质金属的颗粒粒度为200～500目。优选的，所述散热材料的颗粒粒度为2000～10000目，进一步优选的所用散热材料的颗粒粒度为2000～5000目。优选的，所用石墨的颗粒粒度为100～1500目。进一步优选的，所用石墨的的颗粒粒度为100目、500目、1200目或1500目。进一步优选的，所用石墨为鳞片状石墨。

本发明的高速磨削砂轮用基体中，所用无机晶须优选为陶瓷质晶须和/或无机盐晶须。优选的，所述无机盐晶须为硫酸钡晶须、硫酸钙晶须的一种或多种。优选的，所述陶瓷质晶须为碳化硅晶须。

通过对无机晶须和玻璃纤维的尺寸的调整来提高其与其他原料的匹配程度，优选的无机晶须的直径为10～50μm，长径比为5～25；进一步优选的无机晶须的直径为10～35μm。优选的，所述玻璃纤维的直径为50～150μm，长径比为10～20；进一步优选的所用玻璃纤维的直径为100～150μm。

本发明的高速磨削砂轮用基体的制备方法采用的技术方案为：

一种上述高速磨削砂轮用基体的制备方法，包括以下步骤：将各原料按质量百分比混合、干燥得混合料；将混合料进行热压烧结，然后降温。

本发明的高速磨削砂轮用基体的制备方法简单，有利于大规模生产。

本发明的高速磨削砂轮用基体的制备方法中，各原料混合所用混合方法可以根据实际进行调整，只需使各原料混合均匀即可。优选的，混合时采用球磨的方法混合，混合时间为10～60min。

混合后在干燥过程中将粘接剂以及润湿剂除去，能够防止粘接剂以及润湿剂在后续烧结过程中在高温下产生小分子气体逸出，造成基体出现气孔或者内部空洞。并且使其余各原料保持干燥状态，有利于后续步骤的进行。优选的，所用干燥的温度为150～200℃，时间为10～90min。

在热压烧结过程中，基体最终成型。优选的，所述热压烧结的压力为2～20MPa，温度为550～600℃，时间为5～80min。

所述降温具体采用通风吹气方式进行降温，通风降温气动降温，风气温度为40～60℃，气流温度为5～10m/s，时间为10～25min。降温时通过控制通风条件对基体四周进行降温，从而使基体缓慢降温，避免了直接由热压烧结时的温度降至室温时发生应力集中，从而使得基体不会产生鼓泡，断裂，裂纹等内部暗伤。在降温过程中使得应力缓慢释放，从而进一步保证了基体的良品率。

本发明的超硬磨料砂轮采用的技术方案为：

一种采用本发明的高速磨削用基体的超硬磨料砂轮。

以本发明的高速磨削用基体的超硬磨料砂轮，在磨削速度大于120m/s时仍具有较好的磨削效果。

附图说明

图1为本发明的高速磨削用基体的截面示意图；

图2为采用本发明的高速磨削用基体制成的高速砂轮示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例以及附图对本发明作进一步说明。

一、高速磨削用砂轮基体的实施例

实施例1

本实施例的高速磨削用砂轮基体，其截面如图1所示，具体由以下质量百分比份原料组成：铁铜合金粉(其中铁和铜的质量比为85:15)25％，锡粉10％，硫酸钙晶须35％，纳米氧化锌粉5％，玻璃纤维5％，石墨10％、石蜡6％、润湿剂混合甲酚4％。其中铁铜合金粉的颗粒粒径为200目，锡粉的颗粒粒径为200目，碳酸钙晶须的直径为10μm(长径比为25)，纳米氧化锌粉的颗粒直径为2000目，玻璃纤维的直径为100μm(长径比为20)，鳞状石墨的颗粒直径为500目。

实施例2

本实施例的高速磨削用砂轮基体，由以下质量百分比份原料组成：镍钛合金粉(其中镍和钛的质量比为65:35)20％，铜粉15％，碳化硅晶须30％，纳米氧化锌粉10％，玻璃纤维5％，石墨10％、石蜡7％、润湿剂硫化油3％。其中镍钛合金粉的颗粒粒径为500目，铜粉的颗粒粒径为500目，碳化硅晶须的直径为35μm(长径比为5)，纳米氧化锌粉的颗粒直径为5000目，玻璃纤维的直径为150μm(长径比为10)，鳞状石墨的颗粒直径为1000目。

实施例3

本实施例的高速磨削用砂轮基体，由以下质量百分比份原料组成：铁铜合金粉(其中铁和铜的质量比为85:15)20％，锡粉15％，硫酸钙晶须30％，纳米氧化锌粉10％，玻璃纤维5％，石墨10％、石蜡7％、润湿剂甘油3％。其中铁铜合金粉的颗粒粒径为200目，锡粉的颗粒粒径为200目，碳酸钙晶须的直径为10μm(长径比为15)，纳米氧化锌粉的颗粒直径为2000目，玻璃纤维的直径为100μm(长径比为18)，鳞状石墨的颗粒直径为500目。

实施例4

本实施例的高速磨削用砂轮基体，由以下质量百分比份原料组成：铁铜合金粉(其中铁和铜的质量比为85:15)55％，锡粉5％，硫酸钙晶须5％，纳米氧化锌粉5％，玻璃纤维10％，石墨10％、石蜡6％、润湿剂甘油3％。其中铁铜合金粉的颗粒粒径为1000目，锡粉的颗粒粒径为1000目，碳酸钙晶须的直径为10μm(长径比为15)，纳米氧化锌粉的颗粒直径为10000目，玻璃纤维的直径为100μm(长径比为18)，鳞状石墨的颗粒直径为100目。

实施例5

本实施例的高速磨削用砂轮基体，由以下质量百分比份原料组成：铁铜合金粉(其中铁和铜的质量比为85:15)20％，锡粉15％，硫酸钙晶须5％，纳米氧化锌粉15％，玻璃纤维15％，石墨20％、石蜡5％、润湿剂甘油5％。其中铁铜合金粉的颗粒粒径为1000目，锡粉的颗粒粒径为1000目，碳酸钙晶须的直径为10μm(长径比为15)，纳米氧化锌粉的颗粒直径为10000目，玻璃纤维的直径为100μm(长径比为18)，鳞状石墨的颗粒直径为1500目。

二、高速磨削砂轮用基体的制备方法的实施例

实施例6

本实施例的高速磨削砂轮用基体的制备方法具体包括以下步骤：

(1)按照原料总重300g称取各原料(各原料的种类以及质量百分比同实施例1)，然后将各原料放入小型球磨机中混合10min混合均匀，然后将混合后的料放入烘箱中，在50℃温度下干燥10min，得混合料；

(2)将混合料放入石墨模具中，然后将石墨模具放入氮气保护气氛的真空烧结压机中，在560℃、3MPa条件下保温保压10min；

(3)将石墨模具从真空烧结压机中取出，放入具有恒温新风系统的干燥箱中进行降温，并用红外测试头测试模具的温度，当温度降至35℃时进行卸模，即得基体。

实施例7

(1)按照原料总重1000g称取各原料(各原料的种类以及质量百分比同实施例2)，然后将各原料放入小型球磨机中混合15min混合均匀，然后将混合后的料放入烘箱中，在60℃温度下干燥15min，得混合料；

(2)将混合料放入石墨模具中，然后将石墨模具放入氮气保护气氛的真空烧结压机中，在570℃、5MPa条件下保温保压15min；

实施例8

(1)按照原料总重8000g称取各原料(各原料的种类以及质量百分比同实施例3)，然后将各原料放入小型球磨机中混合40min混合均匀，然后将混合后的料放入烘箱中，在90℃温度下干燥70min，得混合料；

(2)将混合料放入石墨模具中，然后将石墨模具放入氮气保护气氛的真空烧结压机中，在590℃、15MPa条件下保温保压50min；

本发明的高速磨削砂轮用基体的制备方法的其他实施例中，在真空烧结压机中所用温度、压力以及保温保压时间根据混合料的总重进行调整，具体如表1所示。

表1混合料总重与真空烧结压机的参数关系

混合料总重/g	温度/℃	压力/MPa	保温保压时间/min
				50-100	550	2	5
101-500	560	3	10
				501-1000	570	5	15
1001-3000	580	8	20
				3001-8000	590	15	50
8001-20000	600	20	80

三、超硬磨料砂轮的实施例

实施例9

本实施例的超硬磨料砂轮由磨料层和支撑磨料层的基体组成，其结构如图2所示，其中磨料层为树脂结合剂金刚石砂轮层，砂轮粒度为100#，浓度为100，砂轮规格为1A1-150×20×32×10。基体规格为1A8-130*20*32，为由实施例4的方法制得的基体。其具体方法为把制得的基体放入模具中，将100#粒度的树脂结合剂金刚石粉料投入模具，在250℃，6MPa的压力下，保温120min，压制成型，得到此砂轮，此砂轮磨削层理论设计密度为4.396g/cm³，用于硬质合金刀具高速开槽，使用线速度能够达到70m/s，较其他铝基体、钢基体砂轮磨削效率能够提高2～3倍。

实施例10

本实施例的超硬磨料砂轮由磨料层和支撑磨料层的基体组成，其中磨料层为陶瓷结合剂金刚石砂轮层，砂轮粒度为200#，浓度为75，砂轮规格为6A2-200×45×20×10×5。基体为杯形基体，为由实施例5的方法制得的基体。其具体方法为把配好的200#陶瓷结合剂金刚石粉料放入模具，在2MPa的压力下常温压制，得到密度为1.996g/cm³的砂轮环，放入温度为1000℃的烧结炉烧结240分钟，与制得的基体用强力金属粘接胶粘在一起，得到所需砂轮，此砂轮应用于合金锯片的前后角磨削，使用速度可以达到80m/s，较其他较其他铝基体、钢基体砂轮磨削效率和使用寿命能够提高1.5～2倍。

实施例11

本实施例的超硬磨料砂轮由磨料层和支撑磨料层的基体组成，其中磨料层为金属结合剂金刚石砂轮层，规格为12A2-350×35×120×5×5，砂轮粒度为320#，浓度为75，基体为蝶形基体，为由实施例6的方法制得的基体。其具体方法为把配好的320#金属结合剂金刚石粉放入模具，在4MPa压力下，800℃的烧结炉中，烧结100分钟，得到密度为5.668g/cm³的砂轮环，将此砂轮环用强力金属粘接胶与制得的基体粘接在一起，得到所需砂轮，此砂轮应用于合金整体刀具的周边磨削，磨削应用速度能达到125m/s，效率是普通基体效率的3～5倍。

四、试验例部分

试验例1

本试验例对实施例9～11中的砂轮的磨削性能及分别采用钢基体和铝基体制得的砂轮的磨削性能进行了测试，具体测试方法为：(1)在在回转机器上进行加速回转，砂轮基体在速度不断增加的条件下会发生变形，当基体轴向跳动＞0.1mm的时候，此时的砂轮转速作为最高转速；(2)把砂轮装在自动外圆磨床上，以磨削模具钢为例，进行单次进给，不断增加单次进给量，当工件被磨削出现灼烧纹路时，此时的进给量，作为本次试验的单次最大进给量；(3)把砂轮放到300℃的加热板上，15分钟后按照标准测量其膨胀系数，得到的数据为本试验的热膨胀系数数据；(4)在标准洛氏硬度计上测试各个基体的洛氏硬度。

其中采用钢基体的砂轮分别参照实施例9～11的砂轮制备3个；采用铝基体的砂轮分别参照实施例9～11的砂轮制备3个。

测试结果如表2所示。

表2不同砂轮的性能测试结果

Claims

1.一种高速磨削砂轮用基体，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：二元合金20~55%，单质金属5~15%，无机晶须5~40%，散热材料5~15%，玻璃纤维5~15%，石墨10~20%，粘接剂5~10%，润湿剂1~5%；所述二元合金为铁铜合金和/或镍钛合金；所述单质金属为锡、铜、银中的一种或多种；所述散热材料为氧化锌、二硫化钼、冰晶石中的至少一种；所述无机晶须为硫酸钡晶须、硫酸钙晶须、碳化硅晶须中的一种或多种；所述粘接剂为石蜡、酚醛树脂、水玻璃中的至少一种；所述润湿剂为混合甲酚、硫化油、甘油中的一种或多种；

所述高速磨削砂轮用基体的制备方法，包括以下步骤：将各原料按质量百分比混合、干燥得混合料；将混合料进行热压烧结，然后降温。

2.根据权利要求1所述的高速磨削砂轮用基体，其特征在于，所述铁铜合金中铁与铜的质量比为85：15或70：30，镍钛合金中镍和钛的质量比为65：35。

3.根据权利要求1或2所述的高速磨削砂轮用基体，其特征在于，所述二元合金为铁铜合金，所述单质金属为铜或锡；或者所述二元合金为镍钛合金，所述单质金属为铜。

4.根据权利要求1或2所述的高速磨削砂轮用基体，其特征在于，所述二元合金的颗粒粒度为200~1000目，所述单质金属的颗粒粒度为200~1000目，所述氧化锌的颗粒粒度为2000~10000目，所述石墨的颗粒粒度为100~1500目。

5.根据权利要求1所述的高速磨削砂轮用基体，其特征在于，所述无机晶须的直径为10~50μm，长径比为5~25。

6.根据权利要求1或2所述的高速磨削砂轮用基体，其特征在于，所述玻璃纤维的直径为50~150μm，长径比为10~20。

7.一种如权利要求1~6任一项所述的高速磨削砂轮用基体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将各原料按质量百分比混合、干燥得混合料；将混合料进行热压烧结，然后降温。

8.根据权利要求7所述的高速磨削砂轮用基体的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为50~100℃，时间为10~90min。

9.根据权利要求7所述的高速磨削砂轮用基体的制备方法，其特征在于，所述热压烧结的压力为2~20MPa，温度为550~600℃，时间为5~80min。

10.根据权利要求7~9任一项所述的高速磨削砂轮用基体的制备方法，其特征在于，所述降温具体为：采用通风吹气方式进行降温，风气温度为40~60℃，气流速度为5~10m/s，时间为10~25min。

11.一种采用如权利要求1~6任一项所述的高速磨削砂轮用基体的超硬磨料砂轮。