专利名称：磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮及其制备方法，为一种陶瓷结合剂砂轮，属于超硬磨料工具技术领域。
背景技术：
立方氮化硼(Cubic Boron Nitride,简称CBN)磨粒虽然硬度仅次于金刚石,但它具有比金刚石更加稳定的化学性质。例如，它不与铁族金属及合金发生亲和作用，热稳定性也比金刚石高得多。因此，采用CBN磨粒制作的砂轮制品在加工镍基高温合金、钛合金等难加工材料方面得到了应用。但是，对于在汽车发动机曲轴与齿轮、航空发动机叶片榫头与涡轮轴花键等零部件磨削领域使用最广泛的陶瓷结合剂CBN砂轮而言，存在着不可克服的如下问题CBN磨粒通常为颗粒状，尺寸介于15(T400iim。磨粒在砂轮磨料层(也称工作层)内部处于无序分布状态(图1)，使得并非每颗磨粒均能发挥有效的切削作用，并造成容屑 空间不均匀，制约了 CBN砂轮磨削潜能的展现。据报道，虽然中国(W. F. Ding, J. H. Xu, M.Shen, Y. C. Fu, B. Xiao, H. H. Su, H. J. Xu. Development and performance of monolayerbrazed CBN grinding tools.International Journal of Advanced ManufacturingTechnology, 2007，34:491-495)、德国(Peter Herzenstiel, J. C. Aurich. CBN-grindingwheel with a defined grain pattern-extensive numerical and experimentalstudies. Machining Science and Technology, 2010, 14:301-322)的研究人员已在单层钎焊和单层电镀CBN砂轮工作面实现了 CBN磨粒的二维有序分布，并发挥出比磨粒无序分布更优异的磨削性能，但至今国内外均未见在多层陶瓷结合剂CBN砂轮的磨料层实现CBN磨粒三维有序分布的文献和专利报导。分析原因，主要与CBN磨粒处于颗粒状、导致无法实现多层砂轮内部具有完全一致的磨粒三维分布有关，因而也无法充分展现陶瓷CBN砂轮的磨削潜能(包括工具寿命和锋利度)。
发明内容
本发明的目的是，克服现有普通陶瓷结合剂CBN砂轮磨粒无序分布的缺点，提供一种磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮，据此提高陶瓷结合剂CBN砂轮的寿命和锋利度，最终目的是通过此种砂轮实现高效精密磨削汽车发动机曲轴与齿轮、航空发动机叶片榫头与涡轮轴花键等零部件。本发明的另一个目的在于提供一种磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮的制备方法。本发明通过如下技术方案予以实现磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮，包括金属基体和磨料层两部分，磨料层粘接于金属基体上，所述磨料层与基体粘接是通过高强度胶黏剂粘接，结合强度满足砂轮线速度200m/s使用要求。磨料层的原料组分及重量百分比含量为立方氮化硼纤维磨料40 60%、其余为陶瓷结合剂。磨料层截面尺寸为(0.3 0.5)mmX (0.3 0.5)mm、长度为3 5mm。陶瓷结合剂包括以重量百分比计的以下原料5(T55%Si02、15 20%A1203、1(T15%B203、5 10%K20、其余为Na2O ;陶瓷结合剂是将各组份混合后添加临时粘结剂获得，临时粘结剂为液态石蜡，添加量以将各组份混匀为准。因为临时粘结剂在砂轮的烘干过程中将挥发去除，所以其添加量无需定量控制。所述临时粘结剂为液态石蜡。磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮的制备方法，包括以下步骤陶瓷结合剂与临时粘接剂配混料、立方氮化硼纤维磨粒有序排布并与磨料层毛坯压制成型并烘干、磨料层毛坯烧结、磨料层与基体粘接、砂轮回转试验、磨料层外圆及端面修整、砂轮磨料层检查、动平衡、外观处理得到砂轮，基体直径为20(T400mm、厚度为l(T20mm，材料为调质态45#钢。所述的有序排布是通过将纤维磨粒放入模板固定间距的孔穴中实现；详言之，是先将配混均匀的陶瓷结合剂原料放入图3所示模具内腔，然后将图2所示孔模板放置在陶瓷结合剂原料顶部，再在每个孔模板的孔内插入CBN纤维磨粒，插满孔后取走孔模板，然后采用压力机，以IOOMPa的压力将陶瓷结合剂原料、CBN纤维磨粒压实，保压3分钟后脱模，即可获得CBN磨粒三维规则排布的磨料层毛坯；磨料层截面尺寸为(0. 3 0. 5)mmX (0. 3 0. 5)mm、长度为 3 5mm。所述的烘干是在普通烘干机中，将磨料层毛坯在10(Tl2(rC温度下烘烤10(T120分钟，去掉临时粘接剂。磨料层毛坯的烧结过程在氩气保护中进行，升降温曲线为6(T80分钟自室温升温到28(T320°C，保温10 15分钟；然后60 80分钟升温到58(T620°C，保温15 25分钟；然后80 100分钟升温到72(T740°C，保温100 120分钟；然后100 120分钟降温到28(T320°C，保温10 15分钟；然后随炉冷却，低于150。。(开炉门)，低于80°C出炉。实践证明与磨粒无序分布的陶瓷结合剂CBN砂轮相比，使用本发明制作的多个系列磨粒三维有序分布的CBN砂轮磨削汽车发动机曲轴、航空发动机钛合金压气机叶片与高温合金涡轮盘/轴等零部件可使表面粗糙度普遍提高1-2个精度等级、材料去除效率提高2 3倍、砂轮寿命提高2 3倍，具有显著的综合经济效益。
图I为CBN纤维磨粒示意图。图2为用于CBN纤维磨粒有序排布的孔模板(局部)不意图。图3为用于陶瓷结合剂CBN砂轮磨料层毛坯压制成型的模具示意图。图4为陶瓷结合剂CBN砂轮磨料层内部的CBN磨粒三维有序分布示意图。图5为普通陶瓷结合剂CBN砂轮磨料层内部的CBN磨粒无序分布示意图。其中I-CBN颗粒状磨粒；2_纤维磨粒内部的粘结材料；3_模板孔穴；4_模具内腔；5_模具外壳；6_砂轮磨料层内部的陶瓷结合剂；7_砂轮磨料层陶瓷结合剂烧结过程自然形成的气孔；8_CBN纤维磨粒。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步描述，实施例1-7所采用的原料及相关含量、参数见表I。(注表中含量为重量百分比)表I实施例f 7中陶瓷结合剂CBN纤维砂轮磨料层各组元含量
权利要求
1.磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮，包括金属基体和磨料层两部分，磨料层粘接于金属基体上，磨料层的原料组分及重量百分比含量为立方氮化硼纤维磨料40飞0%、其余为陶瓷结合剂。
2.根据权利要求I所述的磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮，其特征在于所述的陶瓷结合剂包括以重量百分比计的以下原料5(T55%Si02、15 20%Α1203、1(Γ15%Β203、5 10%Κ20、其余为Na2O ;陶瓷结合剂是将各组份混合后添加临时粘结剂获得，临时粘结剂为液态石蜡，添加量以将各组份混匀为准。
3.根据权利要求I所述的磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮，其特征在于所述的所述磨料层截面尺寸为(O. 3^0. 5)mmX (O. 3^0. 5)mm、长度为3 5mm。
4.磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮的制备方法，其特征在于包括以下步骤陶瓷结合剂与临时粘接剂配混料、立方氮化硼纤维磨粒有序排布并与磨料层毛坯压制成型并烘干、磨料层毛坯烧结、磨料层与基体粘接、砂轮回转试验、磨料层外圆及端面修整、砂轮磨料层检查、动平衡、外观处理； 所述的有序排布是通过将纤维磨粒放入模板固定间距的孔穴中实现；磨料层毛坯的烧结过程在氩气保护中进行，升降温曲线为6(Γ80分钟自室温升温到28(T320 °C，保温1(Γ15分钟；然后6(Γ80分钟升温到58(Γ620 V，保温15 25分钟；然后8(Tl00分钟升温到720 740 °C，保温100 120分钟；然后100 120分钟降温到280 320 °C，保温10 15分钟；然后随炉冷却，低于150 1开炉门，低于80 °C出炉。
全文摘要
一种磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮及其制备方法，该砂轮由基体和粘接于基体的磨料层组成，其特征在于磨料层包含立方氮化硼纤维磨料40~60重量%及余量的陶瓷结合剂。陶瓷结合剂包括以重量百分比计的以下原料50~55%SiO2、15~20%Al2O3、10~15%B2O3、5~10%K2O、其余为Na2O。制备方法包括混料、模具内压制成型并烘干、毛坯烧结、磨料层与基体粘接，经试验、修整、检查、外观处理后获得的砂轮寿命长、自锐性好、磨削效率高、加工精度好，适于汽车发动机、航空发动机行业关键零部件的高效精密磨削。其中烧结方法是采用分段式升温至最高温度720~740℃，保温100~120分钟。
文档编号B24D18/00GK102729157SQ20121020344
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者丁文锋, 傅玉灿, 徐九华, 杨长勇, 苏宏华, 苗情, 陈珍珍 申请人:南京航空航天大学