[发明专利]一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔立方氮化硼砂轮工作层及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，简称CBN)砂轮工作层制造方法，为一种复合结合剂砂轮，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)具有高硬度、高耐磨性、化学性质稳定等优点。因此，采用CBN磨粒制作的超硬磨料砂轮在加工高强韧性难加工材料(比如钛合金、镍基高温合金等)方面得到了应用。现阶段，针对高强韧性难加工材料高效磨削过程表现出的材料去除率高、负荷重、磨削热多的加工特性，使得高强韧性难加工材料高效磨削面临实现高速、加工质量差、砂轮修整频繁等难题。因此，为了匹配高强韧性难加工材料高效磨削过程表现出的加工特性，CBN砂轮工作层除需具备高耐磨性和高型面稳定性外，还必须同时满足高锋利度、高导热性以及高气孔率的要求。

目前，虽然传统CBN砂轮等(如：树脂结合剂CBN砂轮、金属结合剂CBN砂轮和陶瓷结合剂CBN砂轮)在普通磨削加工中广泛应用，但仍无法满足高强韧性难加工材料高效磨削对砂轮的特殊要求。相比于树脂结合剂CBN砂轮，金属结合剂CBN砂轮显著提升磨粒把持强度和耐磨性，然而致密的金属工作层导致加工时工件粘附和堵塞严重。考虑到高强韧性难加工材料高效磨削时的加工特性，显然具备气孔率高、自锐性好、易修整修锐等优点的陶瓷结合剂CBN更为合适，但陶瓷材料本身脆性大、抗冲击性差、型面稳定性差等缺点也在一定程度上限制了其在高速/超高速磨削领域的应用。

鉴于传统CBN砂轮在加工高强韧性难加工材料高效磨削过程中存在的加工表面易烧伤、砂轮修整频繁、磨削质量稳定性差等问题，开发一种兼具高气孔率、传热性好、自锐性好及高强度等优良特性的新型CBN超硬磨料砂轮已迫在眉睫。

发明内容

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磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层及其制造方法，其既能实现高强韧难加工材料高效磨削加工，又能解决传统CBN砂轮在加工过程中存在的加工表面易烧伤、砂轮修整频繁、磨削质量稳定性差等问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层，是由CBN磨粒团簇、石墨烯颗粒、尿素颗粒和Cu-Sn-Ti活性胎体合金组成；

Cu-Sn-Ti活性胎体合金作为砂轮工作层胎体；复合结合剂包括Cu-Sn-Ti活性胎体合金和石墨烯颗粒，尿素颗粒是造孔剂。

具体而言，多孔CBN砂轮工作层的原料组分以及质量百分比含量为：15％-25％的CBN磨粒团簇、5％的石墨烯颗粒、15％-20％的尿素颗粒、50％-65％的Cu-Sn-Ti活性胎体合金；

进一步，所述Cu-Sn-Ti活性胎体合金粉末颗粒的粒径为20-30微米，原料各组分的质量百分比含量为：10％Ti，72％Cu，18％Sn。

进一步，所述磨粒团簇由5-6个CBN磨粒(粒径为90-110微米)的通过一定的排布组成；

石墨烯颗粒采用多层石墨烯(层数<10)，粒径大小为3-6微米；

球状尿素颗粒直径为200-400微米。

一种基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层的制造方法，是按照均匀混合、加压、水溶和烘干等操作步骤成型，所有工作层毛坯采用真空液相烧结形成CBN砂轮工作层。

进一步，所述基于磨粒团簇和石墨烯的多孔CBN砂轮工作层的制造方法，包括以下的步骤：

(1)将石墨烯和Cu-Sn-Ti活性胎体合金按比例均匀并滴入配好的1ml缩丁醛胶体溶液，充分搅拌后置入60℃恒温箱进行干燥，15分钟后将混合物进行充分球磨、过筛，制得石墨烯复合结合剂；

(2)将5-6个CBN磨粒包裹一层缩丁醛胶体溶液，将石墨烯复合结合剂涂覆磨粒四周并加压，构成一组磨粒团簇(如图1所示)。将制得的磨粒团簇和尿素颗粒加入到石墨烯复合结合剂中混合均匀，通过冷压模具轴向加压方式制成工作层节块毛坯(如图2所示)；

(3)将冷压成型的工作层节块毛坯置入25℃去离子水中，静置150分钟，去除造孔剂尿素颗粒，取出工作层节块置入60℃恒温箱进行干燥，2小时后获得多孔工作层节块毛坯；