一种金属陶瓷结合剂及其制备方法，cbn砂轮及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超硬材料制品技术领域，具体涉及一种金属陶瓷结合剂及其制备方 法，CBN砂轮及其制备方法。
【背景技术】
[0002] CBN砂轮与普通砂轮相比，具有磨削效率高，表面光洁度好，磨削质量高等特点。 CBN砂轮是使用结合剂将CBN磨粒粘结起来并制成具有一定强度和形状的磨具，可以对各 种金属和合金进行高精度、高效率的磨削加工。随着工业快速发展的需要以及材料科学的 不断突破和创新，各种高强度、高硬度、抗腐蚀和耐高温的新型材料应运而生，这些材料比 较难加工，特别是在精密磨削加工过程中，数控磨床对CBN砂轮的性能要求更高，要求砂轮 的切削力好，锋利；又要求砂轮的形状保持性好，能持续加工；同时要求砂轮能够耐强力挤 压等。
[0003] 在CBN砂轮中用于固结CBN磨粒的结合剂有树脂、金属和陶瓷三种材料。传统的 树脂结合剂CBN砂轮虽然锋利性好，自锐性好，砂轮磨削效率高，并且可以改善工件表面的 粗糙度，但是耐热性低，对CBN磨料把持力低，CBN磨粒易于脱落；同时其耐磨性不足，而且 由于树脂结合剂是有机材料，受树脂本身性能限制，砂轮耐热性、耐磨性较差，不能进行精 密成型磨削。陶瓷结合剂CBN砂轮虽然磨削能力强、磨削温度低、自锐性强、锋利性好，但是 耐磨性差，难修整；金属结合剂金刚石砂轮虽然强度高、工作面几何形状保持性好、寿命长、 耐冲击，但是自锐性不好、效率低，无法满足持续加工的需要。CBN砂轮优良的锋利、自锐性 以及超强的耐磨性是能否充分提高数控磨床加工效率的关键；而砂轮结合剂又是影响CBN 砂轮性能的关键因素，传统的单一结合剂已不能满足要求高加工效率的数控磨床用CBN砂 轮性能的需要。
[0004] CN101362316A公开了一种低温高强度微晶玻璃陶瓷结合剂CBN砂轮，其原料组 分及重量百分比含量为45-80 %CBN，0-20 %刚玉，20-35 %陶瓷结合剂，所述陶瓷结合剂 为一种微晶玻璃陶瓷结合剂，其原料组成及重量百分比含量为：40-70%Si02,B2035-25%， A1z032-5%,Na202-15%,Ca02-4%,K202-5%,Mg02-4%,Li02 1-10%,Zr02 2-5%, Sb2032-5%;线速度可达160m/s，该CBN砂轮主要用于汽车曲轴磨削加工及各类高速数控磨 削加工，具有切削锋利，磨削效率高，热膨胀系数小，加工精度容易控制的特点。
[0005] CN100478307C公开了一种用于立方氮化硼砂轮的陶瓷金属复合结合剂，该结合剂 由以下重量百分比原料组成：Si02 45-50%、Al203 20-25%、K20 6-8.5%、Na20 2·5-6·5%、 Ba04-9%、Cu 2-6%、Sn 0·5-1·5%、Ζη 0.3-1%，使用该结合剂的CBN砂轮的加工精度、形 状保持性和砂轮的使用寿命，都得到了进一步提升。
[0006] 现有技术中，用于CBN砂轮的陶瓷金属复合结合剂，在磨削锋利、耐磨性和形状保 持性上都得到了一定的提高，但是在磨削过程中砂轮易形成振纹，崩口等缺陷，更不适合磨 削加工一些硬而脆的材料。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种金属陶瓷结合剂，从而可以用于制备CBN砂轮，解决现 有技术中，陶瓷金属复合结合剂制备的CBN砂轮在磨削加工中，易形成振纹、抗冲击性能差 的问题。
[0008] 本发明的第二个目的是提供上述金属陶瓷结合剂的制备方法。
[0009] 本发明的第三个目的是提供一种使用上述金属陶瓷结合剂的CBN砂轮。
[0010] 本发明的第四个目的是提供上述CBN砂轮的制备方法。
[0011] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
[0012] -种金属陶瓷结合剂，由质量分数为75~92%的陶瓷成分和8~25%的金属成 分组成（陶瓷成分与金属成分质量分数之和为100% );所述陶瓷成分由以下质量分数的组 分组成：Si02 40-65%，B203 8-35%，Al203 6-20%，Na20 5-18%，Ca0 0·5-5%，Κ20 3-10%， MgO0.5-2%，Ti02 2-6% (陶瓷成分各组分质量分数之和为100%);所述金属成分由以下 质量分数的组分组成：Cu55-80%，Sn15-30%，Ni5-20% (金属成分各组分质量分数之 和为100% )。
[0013] 本发明所提供的金属陶瓷结合剂，陶瓷成分和金属成分合理配比，使该结合剂既 保持了陶瓷结合剂锋利性好、自锐性好、超强耐磨的特性，又具有金属结合剂强度高、形状 保持性好、耐冲击的优点；选用Cu-Sn-Ni活性合金加入陶瓷成分，可以实现金属陶瓷结合 剂对磨粒的优良润湿和牢固把持，同时保持CBN磨粒自身的超强耐磨性和锋利切削刃，在 实现CBN砂轮磨削锋利、耐磨性和形状保持性好的同时，可以有效减少刚性磨削形成的裂 纹，从而改善CBN砂轮在磨削加工中，易形成振纹、抗冲击性能差的问题。
[0014] 上述金属陶瓷结合剂的制备方法，包括：将Si02粉、B203粉、A1 203粉、Na20粉、CaO 粉、K20粉、MgO粉、Ti02粉研磨过筛后混合，升温至1300~160(TC进行熔炼，然后经淬冷， 研磨，干燥后过筛，得陶瓷结合剂粉；将陶瓷结合剂粉与Cu粉、Sn粉、Ni粉混匀，即得。
[0015] 所述淬冷为水淬。
[0016] 优选的，可将上述金属陶瓷结合剂过325目筛，使各原料的粒度更加均一。
[0017] 所述研磨过筛所用的筛网为40目，所述干燥后过筛所用的筛网为200目。
[0018] 所述升温的速率为10°C/min。
[0019] 所述熔炼的时间至少为2h。
[0020] 金属粉中，Cu粉、Sn粉、Ni粉的粒度均为325目以细。优选各金属粉的纯度为 99. 8%以上。
[0021] 本发明所提供的金属陶瓷结合剂的制备方法，陶瓷成分经混合、熔炼、淬冷、粉碎 得到是一种微晶玻璃陶瓷；在CBN砂轮的制备中，经过合适的烧结温度保温热处理即可析 晶，得到一种具有低热膨胀系数、高强度和优良耐蚀性的玻璃陶瓷结合剂。玻璃陶瓷结合剂 与金属粉起到的金属结合剂的合理搭配，起到调节金属结合剂强度、刚度和韧性的作用，从 而使CBN磨料切削锋利、耐磨性好、易修整等特性更好的发挥出来。
[0022] -种使用上述金属陶瓷结合剂的CBN砂轮，由以下质量百分含量的原料制成：金 属陶瓷结合剂15~30%，CBN磨料62~78%，氧化铝空心球0. 5~3%，润湿剂2~5%。
[0023] 氧化铝空心球的直径为50~100μm。优选的，氧化铝空心球的堆积密度为0. 15g/ cm3 〇
[0024] 本发明提供的CBN砂轮，通过使用金属陶瓷结合剂，使得砂轮在使用过程中形状 保持性好，寿命长，能承受较大载荷；各组分的合理配比，在保证CBN砂轮磨削锋利的基础 上，提高了砂轮的导热性能，使砂轮在磨削过程中散热加快，有利于降低磨削温度，减少工 件扭曲变形，使加工精度得到保证，同时磨具的修整频次减少，提高了机械化和自动化程 度，降低了加工工件的尺寸公差，提高了其尺寸精度和一致性；配方中一定比例的氧化铝空 心球，使得原来致密的砂轮层具有一定的孔隙率，不仅砂轮的气孔率和容肩空间得到保证， 而且凭借颗粒增强效应，还能提高砂轮磨削层的型面强度和磨削层对磨粒的支撑强度。
[0025] 上述CBN砂轮的制备方法，包括：用润湿剂将CBN磨料和氧化铝空心球润湿后，加 入金属陶瓷结合剂混勾，冷压成型，干燥，在氩气气氛下升温至650~760°C进行烧结，即 得。
[0026] 所述润湿剂为聚乙烯醇溶液。优选的，聚乙烯醇溶液的质量浓度为25%。
[0027] 所述冷压成型方式为定模成型，均匀压制成型。
[0028] 所述升温包括：第一阶段升温，以3°C/min的速率从室温升温至450°C，保温 90min;第二阶段升温，以2°C/min的速率升温至650~760°C。升温至650~760°C后，保 温1. 5h~2. 5h，停炉，随炉冷却，低于40°C出炉。
[0029] 本发明提供的CBN砂轮的制备方法，烧结的温度低，CBN磨料的超硬特性得到保 持；金属陶瓷结合剂与升温烧结过程的控制，使金属陶瓷结合剂和磨料、空心球组分充分结 合，使CBN砂轮在磨削硬度较高的材料时，不易堵塞，自锐性好，磨削锋利。该方法制备工艺 简单，所得砂轮质量稳定性好，适合大规模推广应用。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明CBN砂轮的制备流程图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0032] 实施例1
[0033] 本实施例的金属陶瓷结合剂，由质量分数90%的陶瓷成分和质量分数10%的金 属成分组成；陶瓷成分由以下重量百分含量的组分组成：Si02 52%，B203 26%，A1203 10%， Na205%，CaO0· 5%，K20 4%，MgO0· 5%，Ti02 2% ;金属成分由以下重量百分含量的组分 组成：Cu70%，Sn18%，Ni12%。
[0034] 本实施例的金属陶瓷结合剂的制备方法，包括以下步骤：
[0035] 1)将Si02粉、B203粉、A1 203粉、Na20 粉、CaO粉、K20 粉、MgO粉、1102粉研磨过 40 目筛网，放入刚玉坩埚中，并通过高温电炉以l〇°C/min的速率升温至1400°C，保温2小时 使充分澄清、均化，得到熔体；
[0036] 2)将步骤1)所得熔体倒出，水淬成玻璃颗粒，研磨120min，干燥后过200目筛即 得陶瓷结合剂粉；
[0037] 将陶瓷结合剂粉与Cu粉、Sn粉、Ni粉混匀，过325目标准筛，即得；所述Cu粉、Sn 粉、Ni粉的粒度均为325目以细，纯度为99. 8wt%以上。
[0038] 本实施例的CBN砂轮，由以下重量百分比的原料制成：金属陶瓷结合剂21%，CBN 磨料74%，氧化铝空心球2%，润湿剂3%。所述润湿剂为25wt%的聚乙烯醇溶液。
[0039] 本实施例的CBN砂轮的制备方法，工艺流程如图1所示，包括以下步骤：
[0040] 1)用润湿剂将CBN磨料和氧化铝空心球充分润湿后，加入金属陶瓷结合剂混匀， 得到成型料；所述氧化铝空心球的直径为50μm，堆积密度为0. 15g/cm3;
[0041] 2)将步骤1)所得成型料均匀倒入事先准备好的模具，刮平，在压机下均匀压制成 型，干燥，得到成型品；
[0042] 3)将步骤2)所得成型品放入烧结炉中，在氩气气氛下从室温升温至450°C，升温 速率3°C/