CN115138859A

CN115138859A - 一种一体化成形的金刚石砂轮及其制备方法

Info

Publication number: CN115138859A
Application number: CN202210987925.4A
Authority: CN
Inventors: 彭英博; 贾才俊; 张伟
Original assignee: Nanjing Agricultural University
Current assignee: Nanjing Agricultural University
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2042-08-17
Also published as: CN115138859B

Abstract

本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种一体化成形的金刚石砂轮及其制备方法。所述金刚石砂轮的工作层为金属基金刚石复合材料，基体为钢材料。所设计的制备方法为：采用3D打印，通过基体和工作层双模型阵列，采用激光选区熔化设备分别扫描同层中的两个模型，并在异质材料界面处进行重熔，实现一体化成形异质金刚石砂轮。本发明实现了异质材料的同步成形，同时金刚石复合材料工作层与钢基体具有高强度冶金结合，改善了传统烧结金刚石砂轮制造工序复杂、界面结合强度弱的缺点。本发明工艺简单、可控，所得产品性能稳定且优越，便于产业化应用。

Description

一种一体化成形的金刚石砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于超硬材料技术领域，具体是采用多材料增材制造技术，一体化近净成形一种异质金刚石砂轮。

背景技术

磨削是精密/超精密加工的主要方法，使零件具有更高的精度、表面完整性和严格的制造一致性，如陶瓷、微晶玻璃等难加工材料在工业中目前只能采用磨削加工。近年来,随着金刚石、cBN等超硬材料的应用,磨削和磨料加工在机械制造领域占有越来越重要的地位。砂轮是磨削加工中最主要的一类磨具产品，超硬砂轮的结构分为两部分，外层为磨料环，一般为金刚石或cBN等超硬磨粒通过结合剂粘结成形，磨削过程中有效出刃、削减工件。内层芯部为基体，材料一般为碳钢，起到连接磨料环与机床主轴、将力矩传递到砂轮工作区的作用。

因为砂轮磨料环工作层与钢芯基体涉及两种不同体系的材料，传统制造方法必须分步制造，常用的有两种制造方法。第一种，通过锻造或铸造的方法制备出砂轮钢芯基体，再通过热压烧结等方法成形磨料环，使用胶粘剂将磨料环粘结在基体上；第二种，先制备出砂轮基体，然后直接在钢芯基体上烧结出磨料环。以上两种制造工艺都存在明显的缺点。一是工序繁多，基体和磨料环一般要使用两种不同的生产工艺，需要经过配合、胶粘，更增加了工艺的复杂性；二是磨料环与钢芯基体的结合强度低，无论是通过胶粘剂结合还是直接在基体上烧结磨料环，钢芯基体与磨料环间的界面结合均难以达到熔化-凝固而产生的强冶金结合，导致工作过程中磨料工作层脱落使砂轮失效。

发明内容

为了解决传统工艺制备的金刚石砂轮需要分步成形带来的工艺复杂性，并克服传统工艺中胶粘、机械结合、固相烧结带来的工作层和基体结合强度低的问题，本发明首次设计了一种一体化成形金属基金刚石砂轮，并开发出了与之相匹配的增材制造方法。

本发明一种一体化成形的金刚石砂轮，所述金刚石砂轮包括基体和工作层，所述工作层为金刚石复合材料，金刚石复合材料中含有结合剂和金刚石；所述基体为钢材料；所述金刚石砂轮通过3D打印一体化成形制备。

作为优选，结合剂为CuSn合金。

作为进一步的优选，3D打印前，结合剂材料为CuSn预合金粉末，金刚石微粉平均粒径为40μm-90μm，复合材料工作层中金刚石添加体积百分比为12.5％-25％；CuSn预合金粉末中，Sn的含量为8-12wt％、优选为10wt％，Cu含量大于等于87％、优选为90wt.％。

作为更进一步的优选，3D打印前，结合剂材料为CuSn预合金粉末，金刚石微粉平均粒径为40μm-90μm，复合材料工作层中金刚石添加体积百分比为15％-25％、当然20-25％也可以作为更进一步的优选方案。

在工业上应用时，结合剂粉末与一定体积百分比的金刚石在三维慢速混料机中混合均匀。一般来说，4-6小时即可实现均匀混合。

作为优选，所述金刚石磨粒为表面金属化改性金刚石粉。表面改性的金属选自Ti、W、Mo、Ti-Ni、Ti-Cu中的至少一种。在工业上应用时表面金属化改性金刚石粉通过磁控溅射、电镀等工艺制备。作为进一步的优选，表面金属化改性金刚石粉中，金属层的厚度为10-20微米。

本发明一种一体化成形的金刚石砂轮的制备方法，包括下述步骤：

步骤一，材料准备：

基体用钢材料粉末置入激光选区熔化(SLM)设备成形腔中的送粉缸中，结合剂+金刚石混合粉末置入成形腔中的送粉器中，将成形腔抽真空至氧含量小于0.1％后通入流动氩气；

步骤二，模型导入：

分别将基体圆盘模型、工作层圆环模型以及界面重熔模型文件导入SLM设备，其中工作层圆环模型中内环覆盖进入基体圆盘A mm，为界面重熔模型位置；所述A的取值为0.30-1.00、优选为0.45-0.55、更进一步优选为0.5；

步骤三，砂轮成形：

(1)将钢粉末通过铺粉辊在基板上铺展，提取基体圆盘模型，激光扫描成形单层基体；

(2)采用内置的微型吸粉器将基板上多余的钢粉末吸净；

(3)采用送粉器将结合剂+金刚石混合粉末送至工作层模型处，采用铺粉辊将混合粉末铺平后提取工作层模型，激光扫描成形单层工作层；铺粉过程中，层厚大于等于金刚石粉料的平均粒径；

(4)提取界面重熔模型，激光按照模型在已成形的单层基体与工作层界面Amm搭接处进行扫描，对界面重熔；界面重熔时，单位面积激光输入的能量为B，钢芯基体打印时，单位面积激光输入的能量为C；B＝0.9C～1.05C；

(5)通过以上过程，完成同层中异质材料的单层成形。循环以上过程完成多层叠加并成形金刚石砂轮；

本发明一种一体化成形的金刚石砂轮的制备方法，钢芯基体成形工艺为激光功率200-400W，扫描速度600-1200mm/s。

钢芯基体包括316L不锈钢基体、17-5PH不锈钢基体、M2模具钢基体、45#刚基体等中的一种。

本发明一种一体化成形的金刚石砂轮的制备方法当结合剂为CuSn10时，工作层成形工艺为激光功率120-180W、优选为140-180W、进一步优选为160-180W，扫描速度700-1100mm/s、优选为900-1100mm/s，层厚0.05mm-0.09mm，且层厚大于等于金刚石粉料的平均粒径。本发明中CuSn10是指，Sn的质量百分含量为10％、Cu的质量百分含量为90％。

作为优选，本发明一种一体化成形的金刚石砂轮的制备方法，界面重熔模型成形工艺与钢芯基体相同。界面重熔为核心技术之一。

本发明所设计和制备的金刚石砂轮，适合所有尺寸的金刚石砂轮的制备。但然也包括下述尺寸砂轮的制备：

砂轮中钢芯基体直径70mm，工作层磨料环外径90mm，内径70mm，工作层厚度20mm，砂轮成形高度为10mm。

本发明所设计和制备的金刚石砂轮；工作层的致密度为81.5％-92.5％。优化后，工作层的致密度为85％-92.5％。进一步优化后可达88％-92.5％。

本发明所设计和制备的金刚石砂轮；工作层的摩擦质量损失率为0.10％-0.75％。优化后，工作层的摩擦质量损失率为0.10％-0.5％。进一步优化后，工作层的摩擦质量损失率为0.10％-0.25％。

优化后，本发明所设计和制备的金刚石砂轮；在同等金刚石用量的情况下，产品的性能优于现有技术或者其他条件参数所得产品的性能。

本发明中工作层的摩擦质量损失率依据GB/T12444-2006测算。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明提出的基于多材料增材制造的一体化成形金刚石砂轮，与现有粉末冶金方法相比，能够一次性实现钢芯基体与金刚石复合材料工作层的近净成形，简化了制造工艺。

(2)与现有技术中采用粘结、固相烧结等方法实现基体与工作层的连接，本发明采用激光选区熔化技术，基体与工作层界面连接处经历熔凝过程，同时在界面处采用重熔工艺，大幅提高了异质材料间的界面结合强度。

(3)传统方法需要根据砂轮尺寸定制烧结用模具，本发明采用增材制造技术一体化成形异质金刚石砂轮，其砂轮尺寸可根据实际需要，通过改变输入模型的尺寸即可进行调整，制造柔性化程度较高。

附图说明

图1钢芯基体、金刚石复合材料工作层、界面重熔模型示意图；

图2金刚石砂轮一体化成形增材制造过程示意图；

图3一体化成形增材制造所得金刚石砂轮的结构示意图。

具体实施方式

本发明一种一体化成形的金刚石砂轮及其制备方法，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步介绍和说明，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例和对比例中，砂轮的设计尺寸为：

实施例1

1.准备CuSn10预合金粉末，金刚石粉末，316L不锈钢基体粉末，金刚石平均粒径为40μm；CuSn10结合剂粉末与体积百分比12.5％的金刚石粉末在三维慢速混料机中混合4小时。

2.金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：

(1)基体用钢材料粉末置入成形腔中的送粉缸中，金刚石复合材料粉末置入成形腔中的送粉器中，将成形腔抽真空至氧含量小于0.1％后通入流动氩气。

步骤二：

(2)分别将基体圆盘模型、工作层圆环模型以及界面重熔模型文件导入SLM设备，其中工作层圆环模型中内环覆盖进入基体圆盘0.5mm，为界面重熔模型位置。

步骤三：

(1)将316L不锈钢粉末通过铺粉辊在基板上铺展，提取基体圆盘模型，激光扫描成形单层基体，工艺参数为激光功率200W，扫描速度600mm/s；

(2)采用内置的微型吸粉器将基板上多余的钢粉末吸净；

(3)采用送粉器将CuSn10-金刚石混合粉末送至工作层模型处，采用铺粉辊将混合粉末铺平后提取工作层模型，激光扫描成形单层工作层，工艺参数为激光功率120W，扫描速度700mm/s，层厚0.05mm。

(4)提取界面重熔模型，激光按照模型在已成形的单层基体与工作层界面0.5mm搭接处进行扫描，对界面重熔，工艺参数为激光功率200W，扫描速度600mm/s。

(5)通过以上过程，完成同层中异质材料的单层成形。循环以上过程完成多层叠加并成形金刚石砂轮。

3.制备的金刚石砂轮工作层致密度81.5％，摩擦质量损失率0.75％，基体与工作层界面处无裂纹、气孔等缺陷。

实施例2

1.准备CuSn10预合金粉末，金刚石粉末，17-5PH不锈钢基体粉末，金刚石平均粒径为70μm；CuSn10结合剂粉末与体积百分比18％的金刚石粉末在三维慢速混料机中混合4小时。

2.金刚石砂轮的制备方法，采用与实施例1中相同的步骤一和步骤二，

(1)将17-5PH不锈钢粉末通过铺粉辊在基板上铺展，提取基体圆盘模型，激光扫描成形单层基体，工艺参数为激光功率300W，扫描速度800mm/s；

(2)采用内置的微型吸粉器将基板上多余的钢粉末吸净；

(3)采用送粉器将CuSn10-金刚石混合粉末送至工作层模型处，采用铺粉辊将混合粉末铺平后提取工作层模型，激光扫描成形单层工作层，工艺参数为激光功率140W，扫描速度900mm/s，层厚0.07mm。

(4)提取界面重熔模型，激光按照模型在已成形的单层基体与工作层界面0.5mm搭接处进行扫描，对界面重熔，工艺参数为激光功率300W，扫描速度800mm/s。

3.制备的金刚石砂轮工作层致密度85.6％，摩擦质量损失率0.52％，基体与工作层界面处无裂纹、气孔等缺陷。

实施例3

1.准备CuSn10预合金粉末，金刚石粉末，M2模具钢基体粉末，金刚石平均粒径为70μm；CuSn10结合剂粉末与体积百分比25％的金刚石粉末在三维慢速混料机中混合4小时。

(1)将M2模具钢粉末通过铺粉辊在基板上铺展，提取基体圆盘模型，激光扫描成形单层基体，工艺参数为激光功率300W，扫描速度1000mm/s；

(2)采用内置的微型吸粉器将基板上多余的钢粉末吸净；

(3)采用送粉器将CuSn10-金刚石混合粉末送至工作层模型处，采用铺粉辊将混合粉末铺平后提取工作层模型，激光扫描成形单层工作层，工艺参数为激光功率160W，扫描速度1100mm/s，层厚0.07mm。

(4)提取界面重熔模型，激光按照模型在已成形的单层基体与工作层界面0.5mm搭接处进行扫描，对界面重熔，工艺参数为激光功率300W，扫描速度1000mm/s。

3.制备的金刚石砂轮工作层致密度88.1％，摩擦质量损失率0.24％，基体与工作层界面处无裂纹、气孔等缺陷。

实施例4

1.准备CuSn10预合金粉末，金刚石粉末，316L不锈钢基体粉末，金刚石平均粒径为90μm；CuSn10结合剂粉末与体积百分比25％的金刚石粉末在三维慢速混料机中混合4小时。

(1)将316L不锈钢粉末通过铺粉辊在基板上铺展，提取基体圆盘模型，激光扫描成形单层基体，工艺参数为激光功率400W，扫描速度1000mm/s；

(2)采用内置的微型吸粉器将基板上多余的钢粉末吸净；

(3)采用送粉器将CuSn10-金刚石混合粉末送至工作层模型处，采用铺粉辊将混合粉末铺平后提取工作层模型，激光扫描成形单层工作层，工艺参数为激光功率180W，扫描速度1000mm/s，层厚0.09mm。

(4)提取界面重熔模型，激光按照模型在已成形的单层基体与工作层界面0.5mm搭接处进行扫描，对界面重熔，工艺参数为激光功率400W，扫描速度1000mm/s。

3.制备的金刚石砂轮工作层致密度92.4％，摩擦质量损失率0.10％，基体与工作层界面处无裂纹、气孔等缺陷。

对比例1

(2)采用内置的微型吸粉器将基板上多余的钢粉末吸净；

(3)采用送粉器将CuSn10-金刚石混合粉末送至工作层模型处，采用铺粉辊将混合粉末铺平后提取工作层模型，激光扫描成形单层工作层，工艺参数为激光功率250W，扫描速度800mm/s，层厚0.05mm。

3.制备的金刚石砂轮工作层致密度65.4％，摩擦质量损失率2.64％，由于复合材料工作层激光能量输入过高且SLM中0.05mm铺粉层厚远低于90μm的金刚石平均粒径，铺粉过程金刚石被铺粉辊刮掉，降低了工作层中金刚石磨粒数量，摩擦质量损失率大幅增加；同时成形过程中CuSn10粉末过度熔化产生大量球化现象，导致复合材料工作层致密度显著降低，并且成形后的砂轮工作层出现明显的翘曲变形现象而导致废品。

对比例2

(2)采用内置的微型吸粉器将基板上多余的钢粉末吸净；

(3)采用送粉器将CuSn10-金刚石混合粉末送至工作层模型处，采用铺粉辊将混合粉末铺平后提取工作层模型，激光扫描成形单层工作层，工艺参数为激光功率120W，扫描速度1000mm/s，层厚0.09mm。

(4)提取界面重熔模型，激光按照模型在已成形的单层基体与工作层界面0.5mm搭接处进行扫描，对界面重熔，工艺参数为激光功率120W，扫描速度1000mm/s。

3.制备的金刚石砂轮工作层致密度83.2％，摩擦质量损失率0.36％。虽然工作层性能较好，但由于界面重熔模型所用SLM参数的激光能量输入过低，不足以熔化界面连接处的钢基体，因此钢芯基体与工作层界面处呈现机械结合，摩擦过程中裂纹在界面处机械结合的缝隙处萌生，并沿界面迅速扩展，导致金刚石复合材料工作层剥落。

对比例3

1.准备CuSn10预合金粉末，金刚石粉末，316L不锈钢基体粉末，金刚石平均粒径为70μm；CuSn10结合剂粉末与体积百分比25％的金刚石粉末在三维慢速混料机中混合4小时。

(2)采用内置的微型吸粉器将基板上多余的钢粉末吸净；

(4)提取界面重熔模型，激光按照模型在已成形的单层基体与工作层界面0.5mm搭接处进行扫描，对界面重熔，工艺参数为激光功率450W，扫描速度400mm/s。

3.制备的金刚石砂轮工作层致密度88.1％，摩擦质量损失率0.24％。虽然工作层性能较好，且界面连接处的钢基体与CuSn10-金刚石复合材料工作层均达到了重熔及强冶金结合的效果，但由于界面重熔模型所用SLM参数的激光能量输入过高，产生了较大的热应力，热裂纹在界面中心处萌生，分别向基体和工作层两侧扩展。摩擦过程中，在复合材料工作层中的裂纹加剧扩展至工作层表面，砂轮磨料环出现宏观裂纹并失效。

Claims

1.一种一体化成形的金刚石砂轮，其特征在于：所述金刚石砂轮包括基体和工作层，所述工作层为金刚石复合材料，金刚石复合材料中含有结合剂和金刚石；所述基体为钢材料；所述金刚石砂轮通过3D打印一体化成形制备。

2.根据权利要求1所述的金刚石砂轮，其特征在于：结合剂为CuSn合金。

3.根据权利要求1所述的金刚石砂轮，其特征在于：3D打印前，结合剂材料为CuSn预合金粉末，金刚石微粉平均粒径为40μm-90μm，复合材料工作层中金刚石添加体积百分比为12.5％-25％；CuSn预合金粉末中，Sn的含量为8-12wt％、优选为10wt％，Cu含量大于等于87％、优选为90wt.％。

4.根据权利要求1所述的金刚石砂轮，其特征在于：所述金刚石磨粒为表面金属化改性金刚石粉。

5.一种如权利要求1-4任意一项所述的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：

步骤一，材料准备：

基体用钢材料粉末置入激光选区熔化设备成形腔中的送粉缸中，结合剂+金刚石混合粉末置入成形腔中的送粉器中，将成形腔抽真空至氧含量小于0.1％后通入流动氩气；

步骤二，模型导入：

分别将基体圆盘模型、工作层圆环模型以及界面重熔模型文件导入激光选区熔化设备，其中工作层圆环模型中内环覆盖进入基体圆盘A mm，为界面重熔模型位置；所述A的取值为0.30-1.00、优选为0.45-0.55、更进一步优选为0.5；

步骤三，砂轮成形：

(2)采用内置的微型吸粉器将基板上多余的钢粉末吸净；

(5)通过以上过程，完成同层中异质材料的单层成形；循环以上过程完成多层叠加并成形金刚石砂轮。

6.根据权利要求5所述的一种一体化成形的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：钢芯基体成形工艺为激光功率200-400W，扫描速度600-1200mm/s。

7.根据权利要求5所述的一种一体化成形的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：当结合剂为CuSn10时，工作层成形工艺为激光功率120-180W，扫描速度700-1100mm/s，层厚0.05mm-0.09mm；且层厚大于等于金刚石粉料的平均粒径。

8.根据权利要求5所述的一种一体化成形的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：界面重熔模型成形工艺与钢芯基体相同。

9.根据权利要求5所述的一种一体化成形的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：工作层的致密度为81.5％-92.4％。

10.根据权利要求5所述一种一体化成形的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：工作层的摩擦质量损失率为0.10％-0.75％。