本发明涉及精密加工制造领域，具体而言，涉及一种含钇元素的珩磨油石、制备方法及其应用。
背景技术：
珩磨是在低的切削速度下对工件表面进行光整加工的方法，是磨削加工的一种特殊形式。珩磨加工作为一种提高内孔表面加工精度及降低表面粗糙度的精加工方法，不仅能去除较大的加工余量，而且能提高尺寸精度、几何形状精度和降低表面粗糙度，被广泛地应用于汽车、航空、石油机械、工程机械及军事工业等行业中的孔类零件的精加工工序。
珩磨油石作为一种最常用珩磨工艺，被广泛应用于磨削加工中。珩磨油石作为影响珩磨内孔表面质量及珩磨效率的主要因素之一，其磨料的特性及组成对油石的磨削性能都会产生最直接的影响。而传统单一磨料的珩磨油石，由于其单一的磨削特性，对一些难加工材料(如不锈钢、钇合金等)，其磨削效果并不很理想，使用上有一定的局限性。虽然国外进口的珩磨油石一般都具有整体磨损均匀，寿命长，发热少，磨削加工性能强等优势，但是昂贵的造价限制了企业的应用。
有鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：
本发明的第一目的在于提供一种含钇元素的珩磨油石，该含钇元素的珩磨油石具有磨削锋利、磨削质量高、磨削速度快、使用寿命长和自锐性优的优点。
本发明的第二目的在于提供一种含钇元素的珩磨油石的制备方法，该制备方法具有工艺简单和加工成本低的优点。
本发明的第三目的在于提供一种含钇元素的珩磨油石的应用，将上述含钇元素的珩磨油石用于汽车齿轮、船舶齿轮或航空齿轮的内孔加工当中，具有加工效率高和加工质量高的优点。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种含钇元素的珩磨油石，包括以下重量份的原料：钇0.1-0.5份、铜20-60份、银1-6份、铝1-10份、锌1-6份、锡5-20份、铁5-20份、镍1-10份、钴1-20份、铅1-9份、粘结剂1-5份和超硬材料5-20份。
在进一步优选的技术方案中，所述含钇元素的珩磨油石包括以下重量份的原料：钇0.2-0.5份、铜30-50份、银2-5份、铝2-9份、锌2-5份、锡10-15份、铁10-15份、镍2-9份、钴2-19份、铅2-8份、粘结剂2-3份和超硬材料10-15份。
在进一步优选的技术方案中，所述含钇元素的珩磨油石包括以下重量份的原料：钇0.3-0.4份、铜35-45份、银3-4份、铝3-8份、锌3-4份、锡8-10份、铁8-10份、镍3-8份、钴3-18份、铅3-7份、粘结剂1.5-2.5份和超硬材料11-14份。
在进一步优选的技术方案中，所述钇、铜、银、铝、锌、锡、铁、镍、钴及铅的纯度均在99％及其以上。
在进一步优选的技术方案中，所述粘结剂为蜡基粘结剂、油基粘结剂、油加蜡基粘结剂和聚醛基粘结剂中的任意一种或至少两种的混合物。
在进一步优选的技术方案中，所述超硬材料为人造金刚石和/或立方氮化硼。
在进一步优选的技术方案中，所述超硬材料的粒度为80-1000目。
第二方面，本发明提供了一种含钇元素的珩磨油石的制备方法，包括以下步骤：按上述的含钇元素的珩磨油石的重量份数称取各原料，各原料混合均匀后压制，然后对压制后的混合物烧结即得到所述含钇元素的珩磨油石。
第三方面，本发明提供了一种含钇元素的珩磨油石的应用，将上述的含钇元素的珩磨油石用于汽车齿轮、船舶齿轮或航空齿轮的内孔加工中。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的含钇元素的珩磨油石，在原料中加入了金属钇，通过各原料的合理配比充分发挥了各原料的协同效应，使得该含钇元素的珩磨油石具有磨削锋利、磨削质量高、磨削速度快、使用寿命长和自锐性优的优点。
本发明提供的含钇元素的珩磨油石的制备方法工艺简单，只需将各原料混合均匀然后经压制和烧结即可，加工成本低。
本发明提供的含钇元素的珩磨油石的应用，将上述含钇元素的珩磨油石用于汽车齿轮、船舶齿轮或航空齿轮的内孔加工当中，由于该含钇元素的珩磨油石磨削锋利、磨削速度快，因此在上述各齿轮的内孔加工中具有加工效率高和加工质量高的优点。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
第一方面，本发明提供了一种含钇元素的珩磨油石，包括以下重量份的原料：钇0.1-0.5份、铜20-60份、银1-6份、铝1-10份、锌1-6份、锡5-20份、铁5-20份、镍1-10份、钴1-20份、铅1-9份、粘结剂1-5份和超硬材料5-20份。
钇是一种稀土金属元素，是一种灰色金属，与其他金属混合可提高混合物的耐力和韧性，减少金属疲劳造成的金属断裂。本发明中，按重量份数计，钇的典型但非限定性的含量为：0.1份、0.15份、0.2份、0.25份、0.3份、0.35份、0.4份、0.45份、0.5份、0.55份、0.6份、0.65份、0.7份、0.75份、0.8份、0.85份、0.9份、0.95份、1.0份。
铜是一种过渡元素，延展性好、耐用性强，可以多次回收而无损其机械性能。本发明中，按重量份数计，铜的典型但非限定性的含量为：20份、22份、24份、26份、28份、30份、32份、34份、36份、38份、40份、42份、44份、46份、48份、50份、52份、54份、56份、58份或60份。
银是一种重要的贵金属，物理性质稳定，延展性好。本发明中，按重量份数计，银的典型但非限定性的含量为：1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份、5.2份、5.4份、5.6份、5.8份或6份。
铝是一种银白色轻金属，有延展性。本发明中，按重量份数计，铝的典型但非限定性的含量为：1份、1.5份、2份、2.5份、3份、3.5份、4份、4.5份、5份、5.5份、6份、6.5份、7份、7.5份、8份、8.5份、9份、9.5份或10份。
锌是一种浅灰色的过渡金属，室温下较脆。本发明中，按重量份数计，锌的典型但非限定性的含量为：1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份、5.2份、5.4份、5.6份、5.8份或6份。
锡是一种略带蓝色的白色光泽的低熔点的金属元素，柔软，易弯曲，在常温下富有展性。本发明中，按重量份数计，锡的典型但非限定性的含量为：5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份或20份。
铁是一种生活中应用较为广泛的金属，具有良好的延展性。本发明中，按重量份数计，铁的典型但非限定性的含量为：5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份或20份。
镍是一种近似银白色、硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素，它能够高度磨光和抗腐蚀。本发明中，按重量份数计，镍的典型但非限定性的含量为：1份、2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份或10份。
钴是银白色的铁磁性金属，表面呈银白略带淡粉色，比较硬而脆。本发明中，按重量份数计，钴的典型但非限定性的含量为：1份、2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份或20份。
铅是柔软和延展性强的一种弱金属。本发明中，按重量份数计，铅的典型但非限定性的含量为：1份、2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份或9份。
粘结剂是为了提高压坯的强度或防止粉末偏析而添加到粉末中的可在烧结前或烧结过程中除掉的物质，是磨料和基体之间粘结强度的保证。本发明中，按重量份数计，粘结剂的典型但非限定性的含量为：1份、1.1份、1.2份、1.3份、1.4份、1.5份、1.6份、1.7份、1.8份、1.9份、2份、2.1份、2.2份、2.3份、2.4份、2.5份、2.6份、2.7份、2.8份、2.9份、3份、3.1份、3.2份、3.3份、3.4份、3.5份、3.6份、3.7份、3.8份、3.9份、4份、4.1份、4.2份、4.3份、4.4份、4.5份、4.6份、4.7份、4.8份、4.9份或5份。
超硬材料是指硬度可与金刚石相比拟的材料，适用于制造其他材料的工具，特别是在加工硬质材料方面，具有无可比拟的优越性。本发明中，按重量份数计，超硬材料的典型但非限定性的含量为：5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份或20份。
本发明提供的含钇元素的珩磨油石，在原料中加入了金属钇，通过上述各原料的合理配比充分发挥了各原料的协同效应，使得该含钇元素的珩磨油石具有磨削锋利、磨削质量高、磨削速度快、使用寿命长和自锐性优的优点。
在一种优选的实施方式中，所述含钇元素的珩磨油石包括以下重量份的原料：钇0.2-0.5份、铜30-50份、银2-5份、铝2-9份、锌2-5份、锡10-15份、铁10-15份、镍2-9份、钴2-19份、铅2-8份、粘结剂2-3份和超硬材料10-15份。
在一种优选的实施方式中，所述含钇元素的珩磨油石包括以下重量份的原料：钇0.3-0.4份、铜35-45份、银3-4份、铝3-8份、锌3-4份、锡8-10份、铁8-10份、镍3-8份、钴3-18份、铅3-7份、粘结剂1.5-2.5份和超硬材料11-14份。
在一种优选的实施方式中，所述钇、铜、银、铝、锌、锡、铁、镍、钴及铅的纯度均在99％及其以上。纯度在99％及其以上的钇、铜、银、铝、锌、锡、铁、镍、钴及铅的杂质含量少，所制备出的含钇元素的珩磨油石的磨削性能更优。
在一种优选的实施方式中，所述粘结剂为蜡基粘结剂、油基粘结剂、油加蜡基粘结剂和聚醛基粘结剂中的任意一种或至少两种的混合物。蜡基粘结剂是指以蜡为主要原料，并与PP、PE或EVA以及有机添加剂混合而成的一种粘结剂，具有增加上述含钇元素的珩磨油石表面光洁度、强度和耐磨度的优点；所述蜡基粘结剂的主要原料优选为石蜡。油基粘结剂是指以油为主要原料，并与PS、PP或PE以及有机添加剂混合而成的一种粘结剂，具有增加上述含钇元素的珩磨油石的表面光亮度、强度和耐磨度的优点；所述油基粘结剂的主要原料优选为硅油。油加蜡基粘结剂是指以蜡和油为主要原料，并与PP、PE、EVA或PS以及有机添加剂混合而成的一种粘结剂，具有增加上述含钇元素的珩磨油石的表面光亮度、光洁度、强度和耐磨度的优点；所述油加蜡基粘结剂的主要原料优选为石蜡和硅油。聚醛基粘结剂是指以聚甲醛为主要原料，并与有机添加剂混合而成的一种粘结剂，具有增加上述含钇元素的珩磨油石的表面光亮度、光洁度、强度和耐磨度的优点。
在一种优选的实施方式中，所述超硬材料为人造金刚石和/或立方氮化硼。金刚石是一种由纯碳组成的矿物，也是自然界中最坚硬的物质，人造金刚石是的杂质含量比天然金刚石的少，并且其硬度能够超过天然金刚石，非常适合作为耐磨材料。立方氮化硼是指立方结构的氮化硼，其硬度超过金刚石单晶，适合用作磨料。
在一种优选的实施方式中，所述超硬材料的粒度为80-1000目，与之相对应的超硬材料的粒径为180μm-13μm，小粒径的超硬材料的比表面积大，同样体积的情况下在上述含钇元素的珩磨油石中的分布更加广泛，因此能够充分发挥其本身的高硬度和高耐磨性，进而提高上述含钇元素的珩磨油石的磨削性能。
第二方面，本发明提供了一种含钇元素的珩磨油石的制备方法，包括以下步骤：按上述的含钇元素的珩磨油石的重量份数称取各原料，各原料混合均匀后压制，然后对压制后的混合物烧结即得到所述含钇元素的珩磨油石。上述含钇元素的珩磨油石的制备方法工艺简单，只需将各原料混合均匀然后经压制和烧结即可，加工成本低。
在一种优选的实施方式中，所述压制为真空压制，真空度为1×10-2-1×10-6Pa，压制温度为550-800℃，压制时间为4-8min，压制压力为45-120MPa；
所述烧结时的烧结温度为550-800℃，保温时间为5-12min。
真空压制是指在真空状态下压制的一种压制方法，由于压制是在较短的时间内完成的物料的定型，很容易造成气体的卷入而影响定型件的质量，而真空压制能够消除或减少定型件内部的气孔，使得定型件的力学性能和表面质量得到提高。上述真空度典型但非限定性的为1×10-2、1×10-3、1×10-4、1×10-5或1×10-6Pa；上述压制温度典型但非限定性的为550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740、750、760、770、780、790或800℃；上述压制时间典型但非限定性的为4、5、6、7或8min；上述压制压力典型但非限定性的为40、50、60、70、80、90、100、110或120MPa。上述烧结温度典型但非限定性的为550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740、750、760、770、780、790或800℃；上述保温时间典型但非限定性的为5、6、7、8、9、10、11或12min。
第三方面，本发明提供了一种含钇元素的珩磨油石的应用，将上述的含钇元素的珩磨油石用于汽车齿轮、船舶齿轮或航空齿轮的内孔加工中。将上述含钇元素的珩磨油石用于汽车齿轮、船舶齿轮或航空齿轮的内孔加工当中，由于该含钇元素的珩磨油石磨削锋利、磨削速度快，因此在上述各齿轮的内孔加工中具有加工效率高和加工质量高的优点。
下面结合实施例和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
一种含钇元素的珩磨油石，包括以下重量份的原料：钇0.2份、铜45份、银1份、铝3份、锌5份、锡12份、铁12份、镍5份、钴5份、铅2份、油基粘结剂1份和人造金刚石12份。
实施例2
一种含钇元素的珩磨油石，包括以下重量份的原料：钇0.1份、铜48份、银1份、铝2份、锌5份、锡13份、铁8份、镍5份、钴5份、铅2份、油基粘结剂1份和人造金刚石10份。
实施例3
一种含钇元素的珩磨油石，包括以下重量份的原料：钇0.3份、铜50份、银1份、铝2份、锌3份、锡13份、铁10份、镍2份、钴5份、铅21、油基粘结剂1份和人造金刚石10份。
实施例4
一种含钇元素的珩磨油石，包括以下重量份的原料：钇0.2份、铜46份、银1份、铝2份、锌5份、锡14份、铁10份、镍3份、钴5份、铅2份、蜡基粘结剂1份和立方氮化硼10份。
实施例5
一种含钇元素的珩磨油石，包括以下重量份的原料：钇0.3份、铜48份、银1份、铝8份、锌5份、锡10份、铁10份、镍3份、钴5份、铅2份、聚醛基粘结剂1份和立方氮化硼10份。
实施例6
一种含钇元素的珩磨油石，包括以下重量份的原料：钇0.2份、铜47份、银1份、铝2份、锌5份、锡14份、铁10份、镍3份、钴5份、铅2份、蜡基粘结剂和聚醛基粘结剂共1份以及人造金刚石和立方氮化硼共10份。
实施例7
一种含钇元素的珩磨油石的制备方法，按实施例1所述的重量份数称取各原料，然后将各原料加入混料机中混合均匀，然后将混合物装入磨具中进行真空压制，真空度为1×10-2Pa，压制温度为710℃，压制时间为5min，压制压力为60MPa；然后将压制后的混合物进行烧结，烧结温度为680℃，在保温8min后得到所述含钇元素的珩磨油石。
实施例8
一种含钇元素的珩磨油石的制备方法，按实施例2所述的重量份数称取各原料，然后将各原料加入混料机中混合均匀，然后将混合物装入磨具中进行真空压制，真空度为1×10-4Pa，压制温度为450℃，压制时间为9min，压制压力为80MPa；然后将压制后的混合物进行烧结，烧结温度为650℃，在保温10min后得到所述含钇元素的珩磨油石。
实施例9
一种含钇元素的珩磨油石的制备方法，按实施例3所述的重量份数称取各原料，然后将各原料加入混料机中混合均匀，然后将混合物装入磨具中进行真空压制，真空度为1×10-6Pa，压制温度为600℃，压制时间为7min，压制压力为65MPa；然后将压制后的混合物进行烧结，烧结温度为700℃，在保温10min后得到所述含钇元素的珩磨油石。
对比例1
一种含钇元素的珩磨油石，包括以下重量份的原料：钇0.01份、铜42份、银1份、铝3份、锌5份、锡12份、铁12份、镍5份、钴5份、铅2份、油基粘结剂1份和人造金刚石12份。
对比例2
一种含钇元素的珩磨油石，包括以下重量份的原料：钇3份、铜49份、银1份、铝3份、锌5份、锡12份、铁12份、镍5份、钴5份、铅2份、油基粘结剂1份和人造金刚石12份。
对比例3
一种珩磨油石，包括以下重量份的原料：铜40份、银1份、铝3份、锌5份、锡12份、铁12份、镍5份、钴5份、铅2份、油基粘结剂1份和人造金刚石12份。
对比例4
一种珩磨油石，包括以下重量份的原料：铜20份、银6份、铝5份、锌4份、锡16份、铁13份、镍7份、钴8份、铅6份和粘结剂5份，还包括与上述原料的总体积相同的立方氮化硼。
对比例5
市售国产珩磨油石。
对比例6
市售进口珩磨油石。
对比例7
一种含钇元素的珩磨油石的制备方法，按实施例1所述的重量份数称取各原料，然后将各原料加入混料机中混合均匀，然后将混合物装入磨具中进行真空压制，真空度为1×10-2Pa，压制温度为300℃，压制时间为9min，压制压力为60MPa；然后将压制后的混合物进行烧结，烧结温度为680℃，在保温5min后得到所述含钇元素的珩磨油石。
效果评价
分别采用实施例1-9和对比例1-7中得到的珩磨油石对质量和外形均相同的锰钢进行磨削试验，并分别记录磨削速度、磨削后锰钢表面平整度和珩磨油石的使用寿命进行记录，然后以对比例5的数据为基准“100”进行换算，结果如表1所示。
实施例1-6为采用本发明的配方得到的含钇元素的珩磨油石，实施例7-9为采用本发明提供的制备方法得到的含钇元素的珩磨油石，对比例1-2中原料钇的配比不在本发明提供的配比范围内，对比例3-4中均无原料钇，对比例5为国产珩磨油石，对比例6为进口珩磨油石，对比例7为工艺参数采用与本发明提供的工艺参数不同得到的含钇元素的珩磨油石。
由表1的结果来看，实施例1-9提供的含钇元素的珩磨油石在磨削速度、磨削后锰钢表面平整度和使用寿命方面均明显优于对比例5中现有的国产珩磨油石，并基本达到了对比例6中进口珩磨油石的水平，但应当注意到的是，本发明提供的含钇元素的珩磨油石原料来源丰富、并且具有加工工艺简单和加工成本低的优点，相对于昂贵的进口珩磨油石具有明显的优势。另外，实施例1-9提供的含钇元素的珩磨油石在磨削速度、磨削后锰钢表面平整度和使用寿命方面也均优于对比例1-4和对比例7，由此说明，实施例1-9制定的原料配比充分发挥了各原料的综合优势，配方合理，同时制备工艺参数合理。综上可知，本发明提供的含钇元素的珩磨油石的配方合理，充分发挥了各原料的协同效应，具有磨削速度快、磨削质量高和使用寿命长的优点。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。