一种基于石墨烯复合结合剂的多孔立方氮化硼砂轮工作层及其制备方法与流程

本发明属于超硬磨料工具技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯复合结合剂制备开孔立方氮化硼(cubicboronnitride，简称cbn)砂轮工作层的方法。

背景技术：

随着诸如镍基高温合金与钛合金等难加工材料在航空航天制造业中的广泛应用，立方氮化硼(cubicboronnitride，简称cbn)砂轮作为一种超硬磨料磨具被广泛应用于难加工材料的磨削加工。为适应以镍基高温合金为代表的难加工材料磨削过程中出现的砂轮磨损快、磨削载荷大、磨削温度高的工作状况，理论上cbn砂轮磨料层除需具备磨粒把持力高、切削刃锋利、型面稳定性好外，还须同时满足高强度与高气孔率的要求。

现阶段，国内外针对难加工材料磨削加工使用的cbn砂轮，按其使用的结合剂种类来分，主要有树脂结合剂cbn砂轮、陶瓷结合剂cbn砂轮和金属结合剂cbn砂轮(包括烧结型金属结合剂cbn砂轮、电镀金属结合剂cbn砂轮和目前发展的单层钎焊金属结合剂cbn砂轮)。从结合剂与cbn磨粒的结合强度角度考虑，树脂结合剂cbn砂轮主要采用弹性大、耐热性差的酚醛树脂材料作为结合剂，因此磨粒把持力弱，易脱落，不适合重负荷高效磨削加工。陶瓷结合剂cbn砂轮带有孔洞，使得切削液能有效地进入磨削弧区，并有较大的容屑空间，磨削过程中不易发热和堵塞，砂轮的自锐性很好。但是，陶瓷结合剂cbn砂轮的烧结温度高，其强度和抗冲击性较低。而且陶瓷结合剂cbn砂轮是靠磨削过程中结合剂的不断磨损来自锐，砂轮使用寿命受限。烧结型金属结合剂cbn砂轮通常采用青铜、铁和镍合金等为主的结合剂，磨料把持强度相对较高，耐温导热性能好，使用寿命长，形状保持性好，能承受较大的负荷。但传统的金属结合剂cbn烧结砂轮都为密实型，在其制造中为了追求对磨料的高把持力，普遍将其致密度作为衡量砂轮制造质量的重要指标，造成砂轮自锐性差、容易堵塞、使用之初和磨损后的整形和修锐困难。

有鉴于此，为了进一步提升金属结合剂cbn砂轮加工高强韧难加工材料时的磨削性能，保证砂轮磨料层兼备高气孔率和高强度的要求仍是多孔金属结合剂cbn砂轮研制过程中急需解决的关键问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于石墨烯复合结合剂的多孔立方氮化硼砂轮工作层及其制备方法，能提升金属结合剂cbn砂轮的强度和气孔率，所得砂轮能实现高效精密磨削以镍基高温合金为代表的难加工材料。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于石墨烯复合结合剂的多孔立方氮化硼砂轮工作层，由cu-sn-ti复合钎料、石墨烯颗粒、碳酸氢钠颗粒和cbn磨粒按照均匀混合，加压成型，加热造孔、真空液相烧结等操作步骤最终制得多孔cbn砂轮工作层。

进一步，所述的开孔立方氮化硼砂轮工作层的原料组分以及质量百分比含量为：15％-20％的cbn(立方氮化硼)磨粒、5％的石墨烯颗粒、15％-20％的碳酸氢铵颗粒、55％-65％的cu-sn-ti复合钎料；

进一步，所述的cu-sn-ti复合钎料的原料各组分的质量百分比含量为：10％ti，72％cu，18％sn。

进一步，所述的cbn磨粒粒径为150-180微米；

石墨烯颗粒采用多层石墨烯(层数＜10)，粒径大小为3-6微米；

碳酸氢铵颗粒形状不规则，等效直径为200-400微米；

cu-sn-ti复合钎料颗粒的粒径为20-30微米。

基于石墨烯复合结合剂的多孔立方氮化硼砂轮工作层的制备方法，首先，向cu-sn-ti复合钎料中均匀混合石墨烯颗粒制得石墨烯复合结合剂，将造孔剂碳酸氢铵和cbn磨粒加入石墨烯复合结合剂中，充分混合均匀后经过加压成型、烘干去除造孔剂和真空液相烧结等步骤最终制得兼具高气孔率及高强度的开孔cbn砂轮工作层，而且一定程度上增强了砂轮工作层的透水性和导热性。

具体而言，包括以下步骤：

(1)将石墨烯和cu-sn-ti复合钎料混合均匀，滴入事先配制好的浓度为5wt.％的缩丁醛胶体溶液，混合均匀后干燥、球磨、过筛，制得石墨烯复合结合剂；

(2)将cbn磨粒和造孔剂碳酸氢铵颗粒加入到石墨烯复合结合剂中，混合均匀，装入冷压模具，最终制成工作层节块毛坯；

(3)将制得的工作层节块毛坯烘烤去除造孔剂碳酸氢铵，制得多孔砂轮工作层毛坯；

(4)将制得的多孔砂轮工作层毛坯置于真空炉内升温至880℃进行真空液相烧结，升降温曲线为：10分钟自室温升温到150℃，保温10分钟；然后45分钟升温至600℃，保温20分钟；然后56分钟升温至880℃，保温30分钟；然后随炉冷却至室温出炉，制得的cbn砂轮工作层节块。具备高开孔气孔率、高强度和导热性好等特点。

本发明的有益效果是：

本发明向cu-sn-ti复合钎料中均匀混合石墨烯颗粒制得石墨烯复合结合剂，石墨烯复合结合剂与cbn磨粒在真空液相烧结过程中发生化学反应，改善了金属结合剂对cbn的润湿性，在提升磨粒把持强度的同时，保持cbn磨粒超强耐磨性和锋利切削刃的特点。

附图说明

图1为cbn砂轮工作层组织结构示意图；

图2为cbn砂轮工作层组织大气孔形貌实物图；

图3为本发明制备的cbn砂轮工作层组织结构实物图。

图1中：1-cbn磨粒；2-cu-sn-ti活性胎体合金；3-大气孔；4-微气孔；5-砂轮基体

具体实施方式：

实施例1

多孔立方氮化硼砂轮工作层，由cu-sn-ti复合钎料、石墨烯颗粒、碳酸氢钠颗粒和cbn磨粒1按照均匀混合，加压成型，加热造孔、真空液相烧结等操作步骤最终制得。

不规则碳酸氢铵颗粒等效粒径为200-400微米，其所占整体工作层质量百分比为15％。

选用cu-sn-ti活性胎体合金2质量百分比为65％(其中，ti含量为10％，cu、sn合金含量为90％，比例为4∶1)，粒径为20-30微米。

石墨烯颗粒采用多层石墨烯(层数＜10)，粒径大小为3-6微米，质量百分比为5％。

cbn磨粒1粒径为150-180微米，质量百分比为15％。

制备方法是：

(1)、将石墨烯和cu-sn-ti复合钎料混合均匀，并滴入1ml缩丁醛胶体溶液，充分搅拌后置入恒温鼓风箱在60℃温度下烘烤30分钟，将混合物进行充分球磨、过筛，制得石墨烯复合结合剂；

(2)、将石墨烯复合结合剂与碳酸氢铵颗粒和cbn磨粒通过机械搅拌方式混合均匀，通过200mpa单侧轴向加压方式将上述均匀混合物制成工作层毛坯；

(3)、将工作层毛坯置于恒温鼓风箱在100℃温度下烘烤120分钟，去除造孔剂碳酸氢铵，制得多孔工作层毛坯；

(4)、将多孔工作层毛坯真空高温加热至880℃并保温30min，通过充分的液相烧结，使cu-sn-ti复合钎料和cbn磨粒及石墨烯颗粒发生化学反应，待冷却至室温后出炉。升降温曲线为：10分钟自室温升温到150℃，保温10分钟；然后45分钟升温至600℃，保温20分钟；然后56分钟升温至880℃，保温30分钟。

图1所示为发明实施例1制备的cbn砂轮工作层磨粒及气孔排布示意图，不难看出，由碳酸氢铵颗粒制备的孔隙率可达60％，并且气孔形状不规则，气孔孔径显著大于金属结合剂砂轮内部孔隙结构；通过三点弯曲试验测得其抗弯强度超过80mpa，满足了砂轮工作层高气孔率及高强度要求。此外，工作层节块弯曲试验断裂过程中，断面未发现磨粒脱落现象，证明结合剂层对磨粒提供了高把持力的同时，保持了磨粒的锋利切削刃和超强耐磨性。

实施例1-4所采用的不同于实施例1的工艺参数如表1所示，其余未列举内容同实施例1：

表1

在石墨烯添加量为5wt.％，cbn磨粒质量分数为15wt.％的情况下，添加碳酸氢铵颗粒制备浓度为100％的节块试样，试验研究碳酸氢铵颗粒对节块弯曲强度及开孔孔隙率的影响规律。结果显示，碳酸氢铵颗粒含量越高，节块强度越低、开孔孔隙率越大，碳酸氢铵颗粒含量从15wt.％升至20wt.％，节块强度从83.2mpa降至42.6mpa，开孔孔隙率从61.2增加至76.2vol.％。

当碳酸氢铵颗粒固定在15％-20％时，考察cbn磨粒质量分数对性能的影响，发现节块弯曲强度和开孔孔隙率随cbn磨粒质量分数的增加基本保持不变。

石墨烯颗粒在节块中充当骨架相作用，且当石墨烯添加量低于5wt.％时，节块无法保持钎焊前形状，出现坍塌，高于5％时，则节块试样弯曲强度大幅度降低，加剧砂轮磨损。