CN115401622B - 一种砂轮用磨料环制备方法及砂轮 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种砂轮用磨料环的制备方法及砂轮，包括以下步骤：将制备得到的铜基陶瓷碳纳米管复合材料粉末压制成型并真空烧结得到具有多孔结构的铜基陶瓷碳纳米管复合材料磨料环毛坯；在磨料环毛坯环上依次加工凹坑织构和CBN磨粒簇织构，得到具有复合多孔结构的铜基磨料环；将复合多孔结构的铜基磨料环氧化处理后在其表面制备超亲油薄膜，采用本发明制备方法得到的磨料环及砂轮，实现了砂轮的高强度，高气孔率和高出刃高度，同时具备了内部储油、表面锁油的快速散热及自润滑功能。
Description
技术领域
本发明涉及砂轮技术领域，具体涉及一种砂轮用磨料环制备方法及砂轮。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
砂轮是机械加工的常用工具，被誉为“工业牙齿”。其与现代材料发展有着相互促进的作用，一方面，它的应用已经扩展到现代材料加工的各个领域，如机床、化工、地质、煤炭、电子、能源、仪器仪表、工程陶瓷以及航空航天等行业；另一方面，现代新型材料的快速发展和需求又反过来促进了磨料磨具制备技术的不断创新。然而在这些新型材料以及难加工材料(如陶瓷、单晶硅、高温合金、钛合金等)的磨削加工过程中，常因砂轮自身性能不足而被迫降低加工参数以维持加工质量，故基于此亟需对其开展创新发明与研究。砂轮的气孔率、容屑空间和硬质磨粒的出刃高度是衡量其加工性能的重要指标。传统砂轮通常是将结合剂和硬质磨粒整体固结而成，硬质磨粒通常选用金刚石或立方氮化硼(CBN)以保证切割锋利性和耐磨性，而为固结硬质磨粒所选用的结合剂类型分为陶瓷型、金属型和树脂型，但发明人发现，其中陶瓷型结合剂虽具有高气孔率却脆性大，易发生崩边；树脂型结合剂包裹性好但耐热性差，易软化导致硬质磨粒脱落；金属型结合剂强度高包裹性好，但气孔少、散热差，容易粘附磨屑。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种砂轮用磨料环，用于砂轮后克服了现有砂轮所存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供了一种砂轮用磨料环的制备方法，包括以下步骤：
将制备得到的铜基陶瓷碳纳米管复合材料粉末压制成型并真空烧结得到具有多孔结构的铜基陶瓷碳纳米管复合材料磨料环毛坯；
在磨料环毛坯环上依次加工凹坑织构和CBN磨粒簇织构，得到具有复合多孔结构的铜基磨料环；
将复合多孔结构的铜基磨料环氧化处理后在其表面制备超亲油薄膜。
可选的，铜基陶瓷碳纳米管复合材料的制备方法包括以下步骤：
将羟基碳纳米管材料进行氨基化处理，然后置入含有羧基官能团的离子液体中研磨得到改性化碳纳米管材料粉末；
将改性化碳纳米管材料粉末、铜合金粉末及Al2O3陶瓷空心球按照设定的质量配比混合后，置入去离子水中搅拌，然后干燥，得到铜基陶瓷碳纳米管复合材料粉末。
可选的，羟基碳纳米管长度为10-30μm，Al2O3陶瓷空心球的直径100-300μm，铜合金粉末中，铜元素的质量分数为50-100％。
可选的，含有羧基官能团的离子液体采用1-羧乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑硝酸盐中的任意一种或几种组合。
可选的，制备超亲油薄膜前，将得到的具有复合多孔结构的铜基磨料环依次置入稀盐酸和去离子水中清洗，然后置入K2S2O8和KOH浓度分别为0.07-0.09mol/L和1.2-1.5mol/L的去离子水混合溶液中，在40-50℃下反应10-15min，然后用去离子水洗净、干燥，加热至200-250℃，保持60-90min，得到氧化铜基磨料环。
可选的，超亲油薄膜的制备方法为：将复合多孔结构的铜基磨料环氧化处理后，置入含有正十二硫醇，十四酸，十六酸，月桂酸中的任意一种或几种组合的无水乙醇溶液中，40-60℃环境下反应70-90min，取出后用去离子水冲洗、干燥，在其表面形成超亲油薄膜。
进一步的，正十二硫醇的浓度为2-7mmol/L，十四酸的浓度为1-4mmol/L，十六酸的浓度为1-3mmol/L，月桂酸的浓度为2-7mmol/L。
可选的，所述凹坑织构中凹坑的直径为500-800μm，深度为250-400μm；所述凹坑织构覆盖面积为磨料环毛坯面积的10-50％；所述CBN磨粒簇织构覆盖面积为磨料环毛坯面积的10-50％；所述CBN磨粒簇织构中CBN磨粒直径为160-200μm。
可选的，采用激光刻蚀的方法加工凹坑结构。
可选的，采用钎焊技术或电镀技术加工CBN磨粒簇织构。
进一步的，使用电镀技术加工CBN磨粒簇织构时，电镀前对加工有凹坑结构的磨料环毛坯进行光刻加工使其覆盖掩膜。
第二方面，本发明的实施例提供了一种砂轮，包括砂轮基体，砂轮基体固定有磨料环，磨料环采用第一方面所述的砂轮用磨料环的制备方法制备而成。
本发明的有益效果：
1.本发明制备方法制备的磨料环，磨料环毛坯为多孔结构且由铜基陶瓷碳纳米管复合材料制成，耐热性强，不易软化，在磨料环毛坯加工有CBN磨粒簇织构和凹坑织构，形成复合多孔结构，气孔多，提高散热以及工件表面加工完整性，凹坑织构有利于储油和减小摩擦，以及提高容屑空间和磨粒出刃高度，当表面凹坑织构与材料本身的多孔结构协同作用时，由于增加了凹坑的表面积，因此储油、减摩抗磨等性能进一步加强。
2.本发明制备方法制备的磨料环，将改性后的碳纳米管作为骨架材料与Al2O3空心陶瓷球，铜合金粉末压制成型并进行真空烧结，得到磨料环毛坯，使得磨料环毛坯具有多孔结构的同时，降低了材料的脆性，不易发生崩边，提高了材料的韧性和散热能力。
3.本发明的制备方法制备的磨料环，在氧化铜基磨料环表面制备超亲油薄膜，磨削中油膜厚度增加，进而减小磨削发热，不易粘附磨屑，特别是在在乳化液中，磨屑可被水冲走，而油则不断填充在砂轮表面形成了油膜。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1制备得到的具有复合多孔结构的铜基磨料环示意图；
图2为本发明实施例1制备得到的砂轮用磨料环示意图；
图3为本发明实施例3砂轮结构示意图；
其中，1.多孔结构，2.CBN磨粒簇织构，3.凹坑织构，4.Al2O3陶瓷空心球，5.改性化碳纳米管，6.复合多孔结构，7.超亲油薄膜，8.砂轮基体，9.螺栓，10.砂轮用磨料环。
具体实施方式
本申请的一种典型实施方式中，一种砂轮用磨料环的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将羟基碳纳米管材料进行氨基化处理，然后置入含有羧基官能团的离子液体中研磨得到改性化碳纳米管材料粉末。
具体的，将羟基碳纳米管材料置于N-3-三甲氧基硅烷基丙基-乙二胺溶液中进行氨基化处理，随后置于含有羧基官能团的离子液体中研磨，得到改性化碳纳米管粉末；
含有羧基官能团的离子液体采用1-羧乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑硝酸盐中的任意一种或几种组合。
步骤2：将铜合金粉末研磨、过筛，得到均匀化的铜合金粉末，将改性化碳纳米管5、均匀化的含Cu的合金粉末、Al2O3陶瓷空心球4按照设定质量配比置入去离子水中搅拌，待澄清后倒掉上层清液，在烘干箱中干燥，得到铜基陶瓷碳纳米管复合材料粉末。
其中改性化碳纳米管5、均匀化的铜合金粉末、Al2O3陶瓷空心球4质量比为：0.15-0.55％：79.45-95.85％：4-20％。
碳纳米管长度为10-30μm；所述Al2O3陶瓷空心球直径为100-300μm；所述含Cu的合金粉末，Cu元素质量分数为50-100％。
碳纳米管由于其电学、光学特性独特，以及力学、传热性能极佳，离子液体改性后的碳纳米管有着稳定、绿色环保的特点，离子液体为完全由离子组成的液体，它由阳离子和阴离子所组成，离子液体作为绿色溶剂在有机高分子、润滑领域受到重视。离子液体分散碳纳米管的原理是与碳纳米管表面的π电子可通过阳离子-π或π-π形式发生交联，本实施方式中，将改性后的碳纳米管作为骨架材料与Al2O3空心陶瓷球、铜合金粉末烧结，在实现多孔粗糙结构的同时，提高材料的韧性和散热能力。
步骤3：将得到的铜基陶瓷碳纳米管复合材料粉末球磨后，置入模具中压制成型，脱模后进行真空烧结，得到具有多孔结构1的铜基陶瓷碳纳米管复合材料磨料环毛坯。
步骤4：对具有多孔结构的铜基陶瓷碳纳米管复合材料磨料环毛坯使用激光刻蚀的方法加工凹坑织构3。
其中，凹坑织构3中凹坑的直径为500-800μm，深度为250-400μm；所述凹坑织构3覆盖面积为磨料环毛坯凹坑织构所在表面面积的10-50％。
步骤5：在加工有凹坑织构3的磨料环毛坯表面采用钎焊或电镀技术加工CBN磨粒簇织构2，得到具有复合多孔结构6的铜基磨料环，如图1所示。
其中，所述CBN磨粒簇织构2覆盖面积为磨料环毛坯设置CBN磨粒簇织构2表面面积的10-50％；所述CBN磨粒簇织构中CBN磨粒直径为160-200μm。
当采用电镀技术加工CBN磨粒簇织构2时，电镀前，需要对复合多孔结构的铜基磨料环进行光刻加工以形成掩膜。
本实施例中，通过设置凹坑结构及CBN磨粒簇织构，在磨料环表面形成表面织构，表面织构顾名思义就是通过微细加工技术在材料表面加工制备得到具有指定尺寸参数和图案排列的表面阵列。表面织构可以改变材料表面形貌，进而影响到表面接触状态、润滑状态以及润湿特性，通过制备表面织构，能够有效的改善表面摩擦性能，本实施方式中，制备的有序排布的磨粒簇利于减小摩擦，提高散热以及工件表面加工完整性，有序排布的凹坑织构有利于储油和减小摩擦，以及提高容屑空间和磨粒出刃高度。当表面凹坑织构与材料本身的多孔粗糙结构协同作用时，由于增加了凹坑的表面积，因此储油、减摩抗磨等性能进一步加强。
步骤6：将具有复合多孔结构的铜基磨料环依次置于稀盐酸、去离子水中清洗，干燥，置入K2S2O8和KOH浓度分别为0.07-0.09mol/L和1.2-1.5mol/L的去离子水混合溶液中，在40-50℃下反应10-15min，然后用去离子水洗净、干燥，置入加热炉中加热至200-250℃，60-90min后取出，实现了氧化处理，得到氧化铜基磨料环。
其中稀盐酸是指质量分数低于20％的盐酸溶液。
通过步骤6，清除了磨料环表面的杂质，巩固了表面氧化铜的纯度。
步骤7：如图2所示，在步骤6处理后的具有复合多孔结构6的氧化铜基磨料环表面制备超亲油薄膜7。
具体的，将步骤6处理后的具有复合多孔结构的氧化铜基磨料环置入含有正十二硫醇，十四酸，十六酸，月桂酸中的任意一种或几种组合的无水乙醇溶液中，无水乙醇作为正十二硫醇，十四酸，十六酸，月桂酸的溶剂，40-60℃环境下反应70-90min，取出后用去离子水冲洗、干燥，得到最终的砂轮用磨料环。
其中，正十二硫醇的浓度为2-7mmol/L，十四酸的浓度为1-4mmol/L，十六酸的浓度为1-3mmol/L，月桂酸的浓度为2-7mmol/L。
考虑到目前的磨削加工中，常用的加工冷却润滑液基液为水和油，油基的主要成分为矿物油、合成油、极压油、植物油等，而水基冷却液也常因为水本身润滑不够而添加矿物油、化学添加剂等制成乳化液。随着现代分子材料技术的发展，表面薄膜已经成为一项改变表面性能的主要方式。从材料的界面性质来说，通常在强烈排斥水的同时，由于表面极性会趋向于超亲油。另一方面，超疏水/超亲油性质通常也会因表面粗糙度而进一步增强。基于上述，本实施方式在具有粗糙结构磨料环表面制备此类薄膜，使磨削中油膜厚度增加，进而减小磨削发热。特别是在在乳化液中，磨屑可被水冲走，而油则不断填充在磨料环表面形成了油膜。
实施例1：
本实施例提供了一种砂轮用磨料环的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将羟基碳纳米管材料置于N-3-三甲氧基硅烷基丙基-乙二胺溶液中进行氨基化处理，随后置于1-羧乙基-3-甲基咪唑溴盐离子液体中研磨，得到改性化碳纳米管粉末。
步骤2：将铜合金粉末研磨、过筛，得到均匀化的铜合金粉末，将改性化碳纳米管、均匀化的含Cu的合金粉末、Al2O3陶瓷空心球按照设定质量配比置入去离子水中搅拌，待澄清后倒掉上层清液，在烘干箱中干燥，得到铜基陶瓷碳纳米管复合材料粉末。
其中，改性化碳纳米管、均匀化的铜合金粉末、Al2O3陶瓷空心球质量比为：0.3％：85％：14.7％。
羟基碳纳米管长度为20μm，Al2O3陶瓷空心球的直径200μm，铜合金粉末中，铜元素的质量分数为70％。
步骤3：将得到的铜基陶瓷碳纳米管复合材料粉末球磨后，置入模具中压制成型，脱模后进行真空烧结，得到具有多孔结构的铜基陶瓷碳纳米管复合材料磨料环毛坯。
步骤4：对具有多孔结构的铜基陶瓷碳纳米管复合材料磨料环毛坯使用激光刻蚀的方法加工凹坑织构。
其中，凹坑织构中凹坑的直径为600μm，深度为300μm；所述凹坑织构覆盖面积为磨料环毛坯凹坑织构所在表面面积的30％。
步骤5：在加工有凹坑织构的磨料环毛坯表面采用钎焊加工CBN磨粒簇织构，得到具有复合多孔结构的铜基磨料环，如图1所示。
其中，所述CBN磨粒簇织构覆盖面积为磨料环毛坯设置CBN磨粒簇织构表面面积的30％；所述CBN磨粒簇织构中CBN磨粒直径为180μm。
步骤6：将具有复合多孔结构的铜基磨料环依次置于稀盐酸、去离子水中清洗，干燥，置入K2S2O8和KOH浓度分别为0.08mol/L和1.3mol/L的去离子水混合溶液中，在45℃下反应13min，然后用去离子水洗净、干燥，置入加热炉中加热至220℃，80min后取出，得到氧化铜基磨料环。
步骤7：如图2所示，将复合多孔结构的氧化铜基磨料环置入含有正十二硫醇的无水乙醇溶液中，无水乙醇作为正十二硫醇的溶剂，50℃环境下反应80min，取出后用去离子水冲洗、干燥，正十二硫醇的浓度为5mol/L。得到最终的砂轮用磨料环。
实施例2
本实施例提供了一种砂轮用磨料环的制备方法，与实施例1的区别仅在于：
步骤5采用电镀技术加工CBN磨粒簇织构，且电镀加工前对磨料环毛坯进行光刻加工以形成掩膜。
步骤7中，将复合多孔结构的氧化铜基磨料环置入含有月桂酸的无水乙醇溶液中，无水乙醇作为月桂酸的溶剂，50℃环境下反应80min，取出后用去离子水冲洗、干燥，月桂酸的浓度为5mol/L。
实施例3：
本实施例提供了一种砂轮，如图3所示，包括砂轮基体8，砂轮基体8通过螺栓9固定有通过实施例2或实施例3所述制备方法制备得到的砂轮用磨料环10，磨料环设置CBN磨粒簇织构和凹坑织构的表面为加工面。
采用本实施例的砂轮，具有高强度、高气孔率和高出刃高度的特定，同时具备了内部储油、表面锁油的快速散热及自润滑功能，解决了现有陶瓷型结合剂、金属型结合剂和树脂型结合剂砂轮所存在的缺陷。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种砂轮用磨料环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将制备得到的铜基陶瓷碳纳米管复合材料粉末压制成型并真空烧结得到具有多孔结构的铜基陶瓷碳纳米管复合材料磨料环毛坯；
在磨料环毛坯环上依次加工凹坑织构和CBN磨粒簇织构，得到具有复合多孔结构的铜基磨料环；
将复合多孔结构的铜基磨料环氧化处理后在其表面制备超亲油薄膜；
所述铜基陶瓷碳纳米管复合材料的制备方法包括以下步骤：
将羟基碳纳米管材料进行氨基化处理，然后置入含有羧基官能团的离子液体中研磨得到改性化碳纳米管材料粉末；
将改性化碳纳米管材料粉末、均匀化的铜合金粉末及Al2O3陶瓷空心球按照设定的质量配比混合后，置入去离子水中搅拌，然后干燥，得到铜基陶瓷碳纳米管复合材料粉末；
进一步的，改性化碳纳米管材料粉末、均匀化的铜合金粉末、Al2O3陶瓷空心球的质量配比为：0.15-0.55％：79.45-95.85％：4-20％；
所述羟基碳纳米管长度为10-30μm，Al2O3陶瓷空心球的直径100-300μm，铜合金粉末中，铜元素的质量分数为50-100％；
所述含有羧基官能团的离子液体采用1-羧乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑硝酸盐中的任意一种或几种组合；
所述复合多孔结构的铜基磨料环氧化处理方法为：
在制备超亲油薄膜前，将得到的具有复合多孔结构的铜基磨料环依次置入稀盐酸和去离子水中清洗，然后置入K2S2O8和KOH浓度分别为0.07-0.09mol/L和1.2-1.5mol/L的去离子水混合溶液中，在40-50℃下反应10-15min，然后用去离子水洗净、干燥，加热至200-250℃，保持60-90min，实现氧化处理；
所述超亲油薄膜的制备方法为：将复合多孔结构的铜基磨料环氧化处理后置入含有正十二硫醇，十四酸，十六酸，月桂酸中的任意一种或几种组合的无水乙醇溶液中，40-60℃环境下反应70-90min，取出后用去离子水冲洗、干燥，在其表面形成超亲油薄膜；
进一步的，正十二硫醇的浓度为2-7mmol/L，十四酸的浓度为1-4mmol/L，十六酸的浓度为1-3mmol/L，月桂酸的浓度为2-7mmol/L。
2.如权利要求1所述的一种砂轮用磨料环的制备方法，其特征在于所述凹坑织构中凹坑的直径为500-800μm，深度为250-400μm；所述凹坑织构覆盖面积为磨料环毛坯面积的10-50％；所述CBN磨粒簇织构覆盖面积为磨料环毛坯面积的10-50％；所述CBN磨粒簇织构中CBN磨粒直径为160-200μm。
3.如权利要求1所述的一种砂轮用磨料环的制备方法，其特征在于采用激光刻蚀的方法加工凹坑结构。
4.如权利要求1所述的一种砂轮用磨料环的制备方法，其特征在于采用钎焊技术或电镀技术加工CBN磨粒簇织构；
进一步的，使用电镀技术加工CBN磨粒簇织构时，电镀前对加工有凹坑结构的磨料环毛坯进行光刻加工使其覆盖掩膜。
5.一种砂轮，其特征在于，包括砂轮基体，砂轮基体固定有磨料环，磨料环采用权利要求1-4任一项所述的砂轮用磨料环的制备方法制备而成。
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