CN112430796B - 一种金刚石砂轮微纳织构化涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石砂轮微纳织构化涂层的制备方法，所述方法为：在织构化之后的金刚石砂轮表面上，采用大气等离子喷涂的方法，沉积一层氮化钛涂层。氮化钛涂层的厚度要小于砂轮织构化后表面纹路的深度，以保留砂轮织构化后的性能。本发明中砂轮表面的氮化钛涂层可以有效的降低织构化后的砂轮磨损速率，同时提高了其表面的摩擦性能，进而减少了切削热的产生，使得工件表面的完整性得到明显的改善、砂轮的使用寿命进一步提高；该种金刚石砂轮可以广泛用于磨削碳化硅、光学玻璃、高强度钢和钛合金等脆硬材料/硬质合金,对于提高我国战略性行业基础零件的表面加工意义重大。

Description

一种金刚石砂轮微纳织构化涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石砂轮，尤其涉及一种金刚石砂轮微纳织构化涂层的制备方法，属于砂轮金加工技术领域。

背景技术

金刚石砂轮是将金刚石磨料通过结合剂与中央带有通孔的圆形基体连接而成的磨具。因为硬度高且具有较高的抗磨性和抗压强度，被广泛用于磨削碳化硅、光学玻璃等脆硬材料和高强度钢、钛合金等硬质合金。

在工件磨削加工的过程中，金刚石砂轮表面的金刚石颗粒与工件不断接触，发生剧烈的摩擦，会产生大量的切削热，从而使结块中的金刚石磨粒加速磨损钝化失效最后脱落。当砂轮表面的金刚石颗粒脱落较快时，会导致耐用度下降。脱落的金刚石颗粒还会影响工件表面的加工质量。为了改善砂轮的磨削性能，许多学者对砂轮的表面进行了织构化的处理。通过激光加工，在砂轮的表面加工出一些排列规则的结构。这样可以使得磨削加工过程中的磨削力和单位磨削能减小，表面完整性提高。同时，砂轮表面的织构化使得磨削烧伤的现象有所降低。但是金刚石砂轮表面织构化后，砂轮的磨损速度明显增加，表面的微织构阵列被磨损较快，必须频繁的修整进行锐化处理，使得砂轮的使用寿命降低，并且磨削工件表面的粗糙度会有所上升。

为了降低金刚石砂轮在织构化之后的磨损加剧的问题，提出了在织构化之后的砂轮表面添加氮化钛涂层的解决方案。涂层技术是刀具上常用的技术，在硬质合金刀具或高速钢刀具表面添加氮化钛超硬膜，可以显著的提高刀具的性能。但是涂层技术在金刚石砂轮上面还没有相关的应用。

目前，表面涂层的添加方法主要是沉积技术，例如化学气相沉积技术（CVD）、物理气相沉积技术（PVD）、等离子体化学气相沉积技术（PVCD）等。CVD技术在沉积过程中的温度在1000℃左右，会使得金刚石颗粒发生石墨化转变；PVD技术沉积温度在200~500℃范围之内；PVCD技术利用气相放电等离子技术降低了化学气相沉积的温度，沉积氮化钛涂层的温度可以控制在500~600℃，使得化学气相沉积的应用场合有所增加。

这些传统的物理化学气相沉积法的生成的薄膜厚度比较薄大约为几微米，不能完全发挥氮化钛涂层如耐磨性能等的机械性能。等离子喷涂技术在添加涂层时的表面温度较低，一般小于250℃，所以对基材的热处理性质没有影响，适用于在非金属材料表面沉积涂层。

等离子喷涂技术的优点是沉积速度快且实施简单，可以用于氮化钛涂层的沉积。为了最大化提升氮化钛涂层的沉积效率，采用氮化钛粉末进行等离子喷涂。等离子喷涂有大气、气氛保护和真空等离子喷涂三种，虽然气氛保护与真空等离子喷涂可以降低氮化钛涂层的含氧量，但是涂层的气孔率较高导致涂层的结合强度和显微硬度明显降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种金刚石砂轮微纳织构化涂层的制备方法，通过在金刚石砂轮表面织构化之后，采用大气等离子喷涂的方法，沉积一层氮化钛涂层，氮化钛涂层的摩擦性能好，而且摩擦系数较小，能减少加工过程中与工件的摩擦，可以在砂轮织构化后的基础上进一步降低切削力，进而减少产生的切削热，增加砂轮的使用寿命，有效的解决了上述存在金刚石砂轮织构化后所导致的砂轮磨损增加问题。

本发明的技术方案为：一种金刚石砂轮微纳织构化涂层的制备方法，所述方法为：在织构化之后的金刚石砂轮表面上，采用大气等离子喷涂的方法，沉积一层氮化钛涂层。

所述织构化沟槽为W型结构，沟槽深为4-8μm、宽为3-12μm。

所述氮化钛涂层的厚度要小于砂轮织构化后表面纹路的深度，以保留砂轮织构化后的性能。

所述氮化钛涂层的厚度为3μm。

所述方法的具体步骤如下：

一、选择金刚石砂轮：砂轮外圆的圆跳动不大于5μm，端面垂直度小于1μm，将需要织构化的金刚石砂轮批量固定在加工平台上，加工平台为数控三轴位移平台，可以在XYZ三个方向上独立运动，其重复定位精度为2μm；

二、采用飞秒激光加工系统进行金刚石磨粒的磨粒结构化，加工前，在绘图软件中设计激光烧蚀路径，同时，加工前调整位移加工平台Z轴高度，使砂轮上表面处于飞秒激光焦平面上，同时调节位移平台XY轴，将砂轮表面最高点置于加工区域；

三、在绘图软件上设计加工路径，使平台上的砂轮能被加工出一条织构化的沟槽，将激光加工路径导入飞秒激光加工系统的振镜控制软件，并设置扫描速度、光斑重叠率以及扫描循环次数，激光束通过2D扫描振镜照射到金刚石砂轮表面，每加工完一条沟槽后，在PC端编程使砂轮转动一个角度，进入下一个沟槽的烧灼加工；

四、重复步骤三直至整个金刚石砂轮表面被加工出完整的织构化纹路；

五、将步骤四加工完的金刚石砂轮取出，并固定在另外一个相同的带有大气等离子喷涂设备的数控三轴工作台上；

六、通过连接工作台的PC端，调整好加工位置使喷嘴与砂轮表面的距离为50mm，并控制砂轮以固定的速度开始匀速旋转；

七、将喷枪的喷嘴和电极分别连接到电源的正、负极，在喷嘴和电极之间通入工作气体，借助高频火花引燃电弧，电弧将气体加热并使之电离，产生等离子弧，气体热膨胀由喷嘴喷出高速等离子射流，送粉气将氮化钛粉末从喷嘴内送入等离子射流中，被加热到熔融状态，并被等离子射流加速，喷射到金刚石砂轮的表面；

八、当步骤七中的砂轮表面均匀的沉积了一层氮化钛涂层，即可得到新型微纳织构化涂层金刚石砂轮。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，采用本发明的技术方案，在织构化后的砂轮表面添加了氮化钛涂层。虽然金刚石砂轮在织构化后可以增加砂轮的磨削性能，但是不可避免地会加速砂轮表面金刚石颗粒的磨损与脱落。在织构化后的砂轮表面添加氮化钛涂层可以明显的延缓砂轮表面金刚石颗粒的磨损与脱落。且氮化钛涂层的减摩性能优异，可以减少金刚石砂轮加工过程中产生的热量，进一步提升砂轮的使用寿命，当氮化钛涂层厚度为3μm时，大约可以提升三倍的使用寿命，取得了很好的使用效果。

附图说明

图1为本发明的原始金刚石砂轮图；

图2为本发明的飞秒激光烧蚀系统示意图；

图3为本发明的织构化砂轮示意图；

图4为本发明的砂轮表面织构化沟槽条纹示例图；

图5为本发明的大气等离子喷涂的原理图；

图6为本发明的砂轮表面添加涂层后截面的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照本说明书附图对本发明作进一步的详细描述。

实施例1：一种金刚石砂轮微纳织构化涂层的制备方法，所述方法为：在织构化之后的金刚石砂轮表面上，采用大气等离子喷涂的方法，沉积一层氮化钛涂层。

本发明的本体是金刚石砂轮，首先在金刚石砂轮表面用激光加工的方法加工出一些规则的纹路，随后采用大气等离子喷涂的方法将氮化钛粉末沉积到金刚石砂轮的表面。需要注意的是氮化钛涂层的厚度需要小于砂轮织构化后表面纹路的深度，以保留砂轮织构化后的性能。添加的氮化钛涂层需要尽可能的均匀分布在金刚石砂轮的表面。

等离子喷涂的工作是由等离子枪来实现的，喷嘴与电极分别连接电源的两极，气体通过喷嘴与电极之间时被电离，产生的热量使气体发生膨胀在喷嘴处喷出高速等离子电流。氮化钛粉在接触到等离子电流时被加热进入熔融的状态并被加速喷射到金刚石砂轮表面形成涂层。喷嘴需要与金刚石砂轮的中心保持在同一高度，且与金刚石砂轮表面的距离需要控制在20至70mm之间。在等离子枪工作的同时，砂轮需要保持匀速单向转动。砂轮转动速度需要适中，使得砂轮的表面的氮化钛既能均匀沉积分布，又能达到最佳的涂层厚度。

如附图1-6所示，一种新型微纳织构化涂层金刚石砂轮，包括主体金刚石砂轮，在砂轮表面有排列规则的‘W’型沟槽，且表面沉积了一层均匀分布的氮化钛涂层。

优选的，上述金刚石砂轮织构化纹路采用的是激光烧灼法加工，氮化钛涂层是采用大气等离子喷涂的方法沉积于织构化后的金刚石砂轮表面。

一种金刚石砂轮微纳织构化涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）选择内径为Φ13mm，外径为Φ50mm,宽度为3mm的金刚石砂轮，其外圆的圆跳动不大于5μm，端面的垂直度小于1μm，如图1所示。将需要织构化的金刚石砂轮批量固定在加工平台上，加工平台为数控三轴位移平台，可以在XYZ三个方向上独立运动，其重复定位精度为2μm；

（2）为减小结构化后磨粒表面的石墨化，采用飞秒激光加工系统进行金刚石磨粒的磨粒结构化，飞秒激光烧蚀系统如图2所示，加工前，在绘图软件中设计激光烧蚀路径，同时，加工前调整位移加工平台Z轴高度，使砂轮上表面处于飞秒激光焦平面上，同时调节位移平台XY轴，将砂轮表面最高点置于加工区域；

（3）在绘图软件上设计加工路径，使平台上的砂轮能被加工出一条织构化的沟槽，如图4所示。将激光加工路径导入飞秒激光加工系统的振镜控制软件，并设置扫描速度、光斑重叠率以及扫描循环次数，激光束通过2D扫描振镜照射到金刚石砂轮表面。沟槽深为6μm、宽为12μm。每加工完一条沟槽后，在PC端编程使砂轮转动一个角度，进入下一个沟槽的烧灼加工；

（4）重复步骤（3）直至整个金刚石砂轮表面被加工处出完整的织构化纹路，如图3所示；

（5）将步骤（4）加工完的金刚石砂轮取出，并固定在另外一个相同的带有大气等离子喷涂设备的数控三轴工作台上；

（6）通过连接工作台的PC端，调整好加工位置使喷嘴与砂轮表面的距离为50mm，并控制砂轮以一定的速度开始匀速旋转；

（7）将喷枪的喷嘴和电极分别连接到电源的正、负极，在喷嘴和电极之间通入工作气体，借助高频火花引燃电弧。电弧将气体加热并使之电离，产生等离子弧，气体热膨胀由喷嘴喷出高速等离子射流。送粉气将氮化钛粉末从喷嘴内送入等离子射流中，被加热到熔融状态，并被等离子射流加速，以一定速度喷射到金刚石砂轮的表面，如图5所示；

（8）当步骤（7）中的砂轮表面均匀的沉积了一层厚度为3μm的氮化钛涂层，即可形成一种新型微纳织构化涂层金刚石砂轮。

大气等离子喷涂的氮化钛涂层的滑动摩擦系数更低，涂层的耐擦性能更好，所以采用大气等离子喷涂的效果更好。

本发明中砂轮表面的氮化钛涂层可以有效的降低织构化后的砂轮磨损速率，同时提高了其表面的摩擦性能，进而减少了切削热的产生，使得工件表面的完整性得到明显的改善、砂轮的使用寿命进一步提高；该种金刚石砂轮可以广泛用于磨削碳化硅、光学玻璃、高强度钢和钛合金等脆硬材料/硬质合金,对于提高我国战略性行业基础零件的表面加工意义重大。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种金刚石砂轮微纳织构化涂层的制备方法，其特征在于：所述方法为：在织构化之后的金刚石砂轮表面上，采用大气等离子喷涂的方法，沉积一层氮化钛涂层；织构化方法为：在砂轮表面布置有排列规则的‘W’型沟槽，沟槽深为4-8μm、宽为3-12μm；所述氮化钛涂层的厚度为3μm。

2.根据权利要求1所述的金刚石砂轮微纳织构化涂层的制备方法，其特征在于：所述氮化钛涂层的厚度要小于砂轮织构化后表面纹路的深度。

3.根据权利要求1所述的金刚石砂轮微纳织构化涂层的制备方法，其特征在于：所述方法步骤为：

一、选择金刚石砂轮：砂轮外圆的圆跳动不大于5μm，端面垂直度小于1μm，将需要织构化的金刚石砂轮批量固定在加工平台上，加工平台为数控三轴位移平台，可以在XYZ三个方向上独立运动，其重复定位精度为2μm；

二、采用飞秒激光加工系统进行金刚石磨粒的磨粒结构化，加工前，在绘图软件中设计激光烧蚀路径，同时，加工前调整位移加工平台Z轴高度，使砂轮上表面处于飞秒激光焦平面上，同时调节位移平台XY轴，将砂轮表面最高点置于加工区域；

三、在绘图软件上设计加工路径，使平台上的砂轮能被加工出一条织构化的沟槽，将激光加工路径导入飞秒激光加工系统的振镜控制软件，并设置扫描速度、光斑重叠率以及扫描循环次数，激光束通过2D扫描振镜照射到金刚石砂轮表面，每加工完一条沟槽后，在PC端编程使砂轮转动一个角度，进入下一个沟槽的烧灼加工；

四、重复步骤三直至整个金刚石砂轮表面被加工出完整的织构化纹路；

五、将步骤四加工完的金刚石砂轮取出，并固定在另外一个相同的带有大气等离子喷涂设备的数控三轴工作台上；

六、通过连接工作台的PC端，调整好加工位置使喷嘴与砂轮表面的距离为50mm，并控制砂轮以固定的速度开始匀速旋转；

七、将喷枪的喷嘴和电极分别连接到电源的正、负极，在喷嘴和电极之间通入工作气体，借助高频火花引燃电弧，电弧将气体加热并使之电离，产生等离子弧，气体热膨胀由喷嘴喷出高速等离子射流，送粉气将氮化钛粉末从喷嘴内送入等离子射流中，被加热到熔融状态，并被等离子射流加速，喷射到金刚石砂轮的表面；

八、当步骤七中的砂轮表面均匀的沉积了一层氮化钛涂层，即可得到新型微纳织构化涂层金刚石砂轮。

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