專利名稱：立方氮化硼纖維磨粒及其制備方法
技術領域：
本發明涉及用于超硬磨料砂輪的立方氮化硼纖維磨粒，屬于超硬磨粒技術領域。
背景技術：
1957年美國通用電氣公司超硬材料研究部的R. H. Wentorf聯想石墨轉化成金剛石的道理，采用相似的方法首次成功地合成立方氮化硼(Cubic Boron Nitride,以下簡稱CBN)微粉顆粒。從20世紀六十年代初到七十年代初期，前蘇聯、英國、前西德、日本和中國都相繼掌握了 CBN的合成技術。由于CBN材料的高硬度和具有優于金剛石的熱穩定性與化學惰性，引起了加工技術界的極大關注。采用CBN顆粒制作的各種超硬磨料砂輪在鈦合金、鎳基高溫合金、高強度鋼、超高強度鋼等金屬材料的高效精密磨削加工中已得到越來越廣泛的應用。
需指出的是，現階段在制作CBN超硬磨料砂輪時，選用的均為顆粒狀CBN磨粒。該類磨粒的長徑比通常在I左右，如圖I所示。單純采用這種顆粒狀磨粒制作砂輪存在的問題主要在于無法實現磨粒在樹脂、陶瓷、金屬結合劑CBN砂輪磨料層內部的規則分布，磨粒總是處于雜亂無序隨機狀態(注=CBN砂輪通常包括金屬基體與磨料層兩部分，磨料層是砂輪的工作部分，金屬基體起支撐作用，磨料層與金屬基體之間通過膠水粘接)。理論研究和磨削實踐已經證實，將CBN磨粒規則排布在砂輪磨料層可以顯著提高砂輪的鋒利度和壽命，從而達到提高磨削過程的效率和質量的目的。其原因與顆粒狀CBN磨粒的無序隨機分布狀態沒有辦法實現對陶瓷、金屬、樹脂結合劑砂輪整個工作過程均具有一致的工作面狀態的有效控制密切相關，進而導致CBN超硬磨粒的優異磨削性能無法得到充分發揮與展示。現階段，磨粒規則排布技術只能在電鍍和釬焊砂輪中實現，詳見文獻(J. C. Aurich, P. Herzenstiel, H. Sudermann, T. Magg. High-performance dry grindingusing a grinding wheel with a defined grain pattern. CIRP Annals-ManufacturingTechnology, 2008，57:357-362)與文獻(ff. F. Ding, J. H. Xu, M. Shen, Y. C. Fu, B. Xiao, H.H. Su, H. J. Xu. Development and performance of monolayer brazed CBN grinding tools.International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007，34:491-495)等。但是，由于電鍍和釬焊砂輪只存在單層磨粒，使得砂輪的工作壽命顯著低于含有多層磨粒的陶瓷、樹脂、金屬結合劑CBN砂輪。這導致電鍍和釬焊CBN砂輪的應用受到很大程度限制。此外，電鍍和釬焊CBN砂輪的磨粒規則排布只要求在二維平面內實現，而對于陶瓷、樹脂、金屬結合劑砂輪的磨料層而言，其磨粒規則排布則要求在三維長方體中實現，難度非常大。這也是陶瓷、樹脂、金屬結合劑砂輪磨料層至今無法實現磨粒三維規則排布的主要原因。為了實現陶瓷、樹脂、金屬結合劑CBN砂輪磨料層內部CBN磨粒的規則分布，人們嘗試了很多方法，但均無法取得預期效果，其原因與CBN磨粒為圖I所示的顆粒狀態直接相關
發明內容
本發明提出立方氮化硼纖維磨粒，一方面，通過纖維狀態對CBN磨粒位置的約束和固定作用，實現陶瓷、樹脂、金屬結合劑砂輪磨料層內部CBN磨粒的規則排布。另一方面，該種磨粒具有強度高、耐磨性與自銳性好的特點，滿足超硬磨料砂輪對磨粒強度、耐磨性與自銳性的要求，從而提高磨削效率與質量。本發明通過如下技術方案予以實現一種立方氮化硼纖維磨粒，包括立方氮化硼磨粒與粘結劑兩部分，其中立方氮化硼磨粒表面設有鍍鈦層或鍍鉻層，鍍層的厚度為51 ym;粘結劑的組分及重量百分比含量為=Al2O3粉末16 20%、B203粉末28 32%、Na20粉末3 10%、其余為SiO2粉末。磨粒與粘結劑各占比例為磨粒30重量9T40重量％、粘結劑60重量9T70重量％。采用表面鍍鈦或鍍鉻的CBN磨粒，與普通無鍍層CBN磨粒相比，其主要作用在·于通過表面鍍層金屬提高燒結過程中玻璃相粘結材料對CBN磨粒的潤濕性和把持力，從而提高CBN纖維磨粒的強度、耐磨性與自銳能力。一種立方氮化硼纖維磨粒的制備方法，包括以下步驟(I)粘結材料與鍍層CBN磨粒配混料鍍鈦層或鍍鉻層CBN磨粒、粘結劑所占重量百分比分別為CBN磨粒30 40%、粘結劑60 70% ；CBN磨粒表面的鍍鈦層或鍍鉻層厚度為5 10 u m ；磨粒與粘結劑采用機械方法攪拌均勻，在攪拌過程中，添加適量臨時粘結劑，其添加量以將原材料攪勻為準。因為臨時粘結劑在步驟(2)的烘干過程中將揮發去除，所以其添加量無需定量控制。所述臨時粘結劑為糊精；粘結劑的原料組分及重量百分比含量為=Al2O3粉末16 20%、B203粉末28 32%、Na20粉末3 10%、其余為SiO2粉末。(2) CBN纖維磨粒毛坯制作將步驟(I)中配混均勻后的原料放入圖5所示模具內腔中，模具內腔的尺寸規格與所需制作的CBN纖維磨粒的尺寸一致。然后，在IOOMPa的壓力下壓制。隨后，將模具與纖維磨粒放入加熱爐中，在10(Tl2(rC溫度下烘烤12(Tl40分鐘后脫模。(3) CBN纖維磨粒高溫燒結成型所述CBN纖維磨粒的燒結過程在真空燒結爐中進行，真空度不差于10_2Pa ;反應體系的升降溫曲線為55 65分鐘自室溫升溫到38(T420°C，保溫8 12分鐘；然后在55 65分鐘升溫到58(T620°C，保溫8 12分鐘；然后在110 130分鐘升溫到795 805 °C，保溫18 22分鐘；然后在110 130分鐘降溫到58(T620°C，保溫8 12分鐘；然后在55 65分鐘內降溫到28(T320°C，保溫8 12分鐘后隨爐冷卻；低于150°C后開爐門；低于80°C出爐。獲得的CBN纖維磨粒可以實現砂輪磨料層內部CBN磨粒的規則排布，同時滿足樹月旨、陶瓷、金屬結合劑超硬砂輪對磨粒在強度、耐磨性、自銳性等方面的要求。該CBN纖維磨粒制作的樹脂、陶瓷、金屬結合劑超硬砂輪可用于航空航天、汽車等行業關鍵零部件的加工，例如航空發動機潤輪盤與齒輪、汽車凸輪軸與齒輪等。
圖I為普通CBN顆粒狀磨粒的電鏡圖。圖2為實施例I制備獲得的CBN纖維磨粒示意圖。圖3是采用本發明所述CBN纖維磨粒而實現的砂輪磨料層內部CBN磨粒規則排布示意圖。圖4為采用圖I所示CBN顆粒狀磨粒制作的樹脂、陶瓷、金屬結合劑砂輪磨料層內部CBN磨粒的無序分布示意圖。圖5為CBN纖維磨粒毛坯壓制用槽型模具照片(注模具內腔尺寸規格，如長、寬與擬制作的CBN纖維磨粒尺寸規格一致即可)。
其中1_CBN顆粒狀磨粒；2_纖維磨粒內部的粘結材料；3_砂輪磨料層內部的結合劑材料(對于樹脂、陶瓷、金屬結合劑砂輪，其結合劑材料依次為樹脂、陶瓷、合金)；4-模具內腔；5-模具外殼。
具體實施例方式在具體實施例與對比例中，采用的CBN磨粒的尺寸為15(Tl80iim ;為方便比較，所制得的CBN纖維磨粒的截面邊長為0. 5mm、長度為5mm。(注該種CBN纖維磨粒特別適合制作用于高效磨削的樹脂、陶瓷、金屬結合劑CBN砂輪，從確保砂輪安全性角度考慮，此種砂輪的磨料層厚度通常為5_)。需指出的是，本發明所述CBN纖維磨粒的尺寸規格也可制作成其他截面邊長和長度。實施例I一種立方氮化硼纖維磨粒，包括30重量％立方氮化硼磨粒與70重量％粘結劑兩部分，其中立方氮化硼磨粒表面層鍍鈦，鍍層的厚度8 ym;粘結劑的組分及重量百分比含量為=Al2O3 粉末 18%、B2O3 粉末 30%、Na2O 粉末 7%、SiO2 粉末 45%。立方氮化硼纖維磨粒的制備方法鍍鈦層CBN磨粒與粘結劑混合，添加適量糊精，攪拌均勻；然后將混勻后的原材料放入、并充填滿不銹鋼模具型槽；然后將模具與纖維磨粒放入加熱爐在110°C溫度下烘烤130分鐘后脫模，制得CBN纖維磨粒毛坯；然后將毛坯放入真空燒結爐(真空度不差于10_2Pa)，將反應體系的溫度在60分鐘自室溫升溫到400°C，保溫10分鐘；然后在60分鐘升溫到600°C，保溫10分鐘；然后在120分鐘升溫到800°C，保溫20分鐘；然后在120分鐘降溫到600°C，保溫10分鐘；然后在60分鐘內降溫到300°C，保溫10分鐘后隨爐冷卻；低于150°C，開爐門；低于80°C出爐。實施例2不同于實施例I之處在于鍍鈦CBN磨粒35重量％，粘結劑65重量％。粘結劑的組分及重量百分比含量為A1203粉末16%、B2O3粉末32%、Na2O粉末10%、SiO2粉末42%。實施例3不同于實施例I之處在于鍍鈦CBN磨粒40重量％，粘結劑60重量％。粘結劑的組分及重量百分比含量為A1203粉末20%、B203粉末28%、Na20粉末3%、Si02粉末49%。實施例4飛所采用原料含量與階梯升降溫過程同實施例f 3，但CBN表面的鍍層金屬為鉻，厚度為8iim。實施例7不同于實施例I之處在于鍍鈦CBN磨粒35重量％，粘結劑65重量％，CBN磨粒表面鍍鈦層厚度為5 u m。實施例8不同于實施例I之處在于鍍鈦CBN磨粒35重量％，粘結劑65重量％，CBN磨粒表面鍍鈦層厚度為10 u m。實施例擴12不同于實施例I之處在于鍍鈦CBN磨粒35重量％，粘結劑65重量％，且但階梯升、降溫過程不同(注溫度單位為。C、耗時與保溫單位均為分鐘)。具體升降溫度見表I表I實施例擴12所采用的階梯升、降溫過程參數
權利要求
1.立方氮化硼纖維磨粒，其特征在于包括立方氮化硼磨粒與粘結材料兩部分，其中立方氮化硼磨粒表面設有鍍鈦層或鍍鉻層，鍍層的厚度為5 10 ;粘結材料的組分及重量百分比含量為A1203粉末16 20%、B2O3粉末28 32%、Na2O粉末3 10%、其余為SiO2粉末。
2.基于權利要求I所述的立方氮化硼纖維磨粒的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)首先將粘結劑與立方氮化硼磨粒通過添加臨時粘接劑配混料； (2)然后將配混均勻后的原料放入模具內腔中，壓制后，放入加熱爐中烘干后脫模，制 成毛坯； (3)然后將毛坯放入真空燒結爐； 反應體系的升降溫曲線是在55-65分鐘自室溫升溫到380-420 °C，保溫8_12分鐘； 然后在55-65分鐘升溫到580-620 °C，保溫8_12分鐘； 然后在110-130分鐘升溫到795-805 °C，保溫18-22分鐘； 然后在110-130分鐘降溫到580-620 °C，保溫8-12分鐘； 然后在55-65分鐘內降溫到280-320 V，保溫8_12分鐘后隨爐冷卻；低于150 °C后開爐門；低于80 °C出爐。
3.根據權利要求2所述的立方氮化硼纖維磨粒的制備方法，其特征在于所述的臨時粘接劑為糊精。
全文摘要
本發明涉及一種立方氮化硼纖維磨粒及其制備方法，立方氮化硼纖維磨粒包括立方氮化硼磨粒與粘結材料兩部分，其特征在于其中立方氮化硼磨粒表面設有鍍鈦層或鍍鉻層，鍍層的厚度為5~10μm；粘結材料的組分及重量百分比含量為Al2O3粉末16~20%、B2O3粉末28~32%、Na2O粉末3~10%、其余為SiO2粉末。燒結方法是采用分段式升溫至最高加熱溫度795-805℃，保溫18-22分鐘。本發明所述的CBN纖維磨粒能夠實現樹脂、陶瓷、金屬結合劑砂輪磨料層內部CBN磨粒的規則排布，并具有強度高、耐磨性與自銳性好的特點，從而提高磨削效率與質量。應用該型CBN纖維磨粒制作的砂輪可滿足航空航天、汽車等行業關鍵零部件的磨削加工要求。
文檔編號C09K3/14GK102732213SQ201210194428
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月13日 優先權日2012年6月13日
發明者丁文鋒, 傅玉燦, 徐九華, 楊長勇, 蘇宏華, 苗情 申請人:南京航空航天大學