CBN多孔砂輪的制備及性能研究

李　敏胡　玲陳　芳

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲412006；2.湖南大學(xué)，長(zhǎng)沙410082）

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CBN多孔砂輪的制備及性能研究

李敏1,2胡玲1陳芳1

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲412006；2.湖南大學(xué)，長(zhǎng)沙410082）

摘要：CBN砂輪具有多孔結(jié)構(gòu)，其具有200～500μm的大孔和約50～200?m的貫通氣孔，這種多孔結(jié)構(gòu)可起到良好的便于容納磨屑和散逸磨削熱作用；1000℃保溫2h是較適宜的CBN多孔砂輪燒結(jié)工藝；燒結(jié)體的孔隙率隨造孔顆粒含量的增加而增加，可達(dá)到48.1%左右；造孔顆粒具有增強(qiáng)效應(yīng)，其含量增加，燒結(jié)體的壓縮強(qiáng)度提高，但繼續(xù)增加會(huì)降低其脆性，最佳含量為30vol%；CBN多孔砂輪磨削Al2O3陶瓷工件試驗(yàn)顯示出其具有成為高性能磨具的潛力。

關(guān)鍵詞：多孔CBN砂輪制備性能

砂輪是主要的磨削加工工具，由磨料、結(jié)合劑與氣孔等組成；具有較高的硬度和適當(dāng)脆性的磨料是構(gòu)成砂輪的主要材料，其在結(jié)合劑的固結(jié)下用來(lái)去除待加工工件材料，孔隙用于容屑和散熱，并可浸漬填充劑來(lái)改善精密加工性能［1］。因而具有一定的機(jī)械承載能力、利于容屑與散熱等作用的多孔結(jié)構(gòu)砂輪研制是當(dāng)前磨削技術(shù)研究的重點(diǎn)［1,2］。

立方氮化硼（Cubic boron nitride，CBN）具有很高的硬度，以及良好的導(dǎo)熱性、耐熱性，可成為一種高效能的磨料用于制備CBN砂輪［3］。在起容納磨屑與散逸磨削熱等作用的孔隙控制方面，利用空心造孔球物質(zhì)來(lái)作為造孔劑［4,5,6］，利于生成砂輪孔隙率及保證孔率的均勻性。本文利用造孔劑法，以CBN為磨料，將具有不同含量空心顆粒物質(zhì)作為造孔顆粒，設(shè)計(jì)周向分布均勻的模板，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)獲得CBN多孔砂輪，分析其制備燒結(jié)工藝、孔隙結(jié)構(gòu)及砂輪性能。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 CBN多孔砂輪的制備

（1）將一定形狀的CBN磨料、結(jié)合劑和石墨等放入TM-2混料機(jī)中混合24h；再加入膠粘劑；充分混合，置于干燥箱中干燥。（2）選擇上述混合料與5種不同量的設(shè)計(jì)孔徑相符（孔洞形狀規(guī)則周向分布均勻）的空心造孔顆粒（20vol%、25vol%、30vol%、35vol%、40vol%，對(duì)應(yīng)后續(xù)制備出的多孔砂輪樣品1～5號(hào)）為模板，通過(guò)反復(fù)擠壓、分散均勻，必須保證空心造孔顆粒能夠完全、均勻分散在混合料中。（3）將上述的混合料置于恒溫箱中25～60℃干燥2～12h后，放入模具中壓制成型；隨后將成型的毛坯置于普通熱壓燒結(jié)爐中，通過(guò)一定的升溫曲線控制，在900～1000℃燒成。（4）經(jīng)過(guò)后續(xù)處理，制備出復(fù)合結(jié)合劑CBN多孔砂輪。

1.2 CBN多孔砂輪的性能測(cè)試

在X射線衍射儀上鑒定物相，通過(guò)SEM進(jìn)行表面形貌分析；在壓汞儀上進(jìn)行孔隙率測(cè)試，并在電子萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能（壓縮強(qiáng)度、彈性模量等）的測(cè)定，記錄材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。在KGS250AH型平面磨床上進(jìn)行磨削試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 CBN多孔砂輪制備中燒結(jié)工藝的選擇

對(duì)壓制成型的CBN待燒結(jié)毛坯采用1000℃高溫?zé)Y(jié)，由室溫（25℃）緩慢升至1000℃（此時(shí)分別保溫1h、2h、3h進(jìn)行對(duì)比研究），避免升溫過(guò)快而導(dǎo)致所制備的CBN砂輪燒結(jié)體出現(xiàn)裂紋（甚至斷裂），并保溫30min使造孔顆粒產(chǎn)生的氣體能夠充分地排出；在400℃和800℃分別保溫30 min，可使CBN砂輪燒結(jié)體更好地成型，從而利于孔隙結(jié)構(gòu)分布及孔隙的生成質(zhì)量。

CBN砂輪燒結(jié)體的相對(duì)密度先隨保溫時(shí)間的增大而增大，超過(guò)2h后燒結(jié)體相對(duì)密度降低。這主要是由于燒結(jié)保溫時(shí)間不夠，燒結(jié)頸沒(méi)有充分?jǐn)U大［7］，顆粒間距離仍然處于縮小并形成連續(xù)的孔隙網(wǎng)絡(luò)，CBN砂輪燒結(jié)體不能充分燒結(jié)而達(dá)到致密化。

因此，1000℃保溫2h是較適宜的CBN多孔砂輪燒結(jié)工藝。

2.2 CBN多孔砂輪燒結(jié)體的相、孔分布與形貌觀察

圖1所示為CBN砂輪壓制毛坯（造孔顆粒含量30vol%的3號(hào)樣品）燒結(jié)后的XRD圖譜?？梢?jiàn)，CBN砂輪燒結(jié)體中主要為CBN相，但含有少量的燒結(jié)過(guò)程中結(jié)合劑等混合粉料物質(zhì)分解（或合成）的SiO2，Ba2O3，Na2O等雜相。

圖1 CBN多孔砂輪燒結(jié)體的XRD圖譜

試驗(yàn)測(cè)定CBN砂輪燒結(jié)體的孔隙率介于40%～51%，其孔徑情況如圖2所示，可見(jiàn)CBN多孔砂輪燒結(jié)體中存在由造孔模板形成200～500μm的大孔（圖2（a）所示）和其中的填料、結(jié)合劑、膠粘劑等燒失而形成約50～200?m的貫通氣孔；由于大孔內(nèi)部有小孔連通，各孔洞的貫通分布，能夠較完全地復(fù)合形成界面（圖2（b）所示），且其孔隙率和孔徑分布均能滿足磨削加工中的砂輪性能要求

圖2 CBN多孔砂輪燒結(jié)體的SEM形貌

2.3 CBN多孔砂輪燒結(jié)體的孔隙率分析

通過(guò)對(duì)燒結(jié)后所獲得的CBN多孔砂輪燒結(jié)體（1～5號(hào)）的孔隙率進(jìn)行測(cè)定，得出了不同造孔顆粒的含量與孔隙率的關(guān)系如圖3所示。隨著造孔顆粒含量的增加，CBN多孔砂輪燒結(jié)體的孔隙率基本呈上升趨勢(shì)，主要是由于材料能夠充分流動(dòng)，同基體材料能夠達(dá)到很好的復(fù)合界面，當(dāng)造孔顆粒的含量為30vol%時(shí)（3號(hào)），燒結(jié)體的孔隙率為43.5%；當(dāng)造孔顆粒的含量達(dá)到并超過(guò)35vol%時(shí)（4號(hào)），復(fù)合后形成的CBN多孔砂輪燒結(jié)體的孔隙率急劇上升達(dá)到48.1%左右，并呈現(xiàn)出穩(wěn)定性。

圖3 CBN燒結(jié)體孔隙率與造孔顆粒含量的關(guān)系

2.4 CBN多孔砂輪材料的力學(xué)性能

CBN砂輪不僅要有適于容納磨屑、散逸磨削熱等作用的多孔結(jié)構(gòu)，而且需要具有一定的力學(xué)性能，才能保證砂輪在磨削加工中的強(qiáng)度。

將CBN多孔砂輪樣品經(jīng)1000℃燒結(jié)，對(duì)所獲得的多孔燒結(jié)體進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。空心造孔顆粒含量對(duì)CBN多孔砂輪壓縮強(qiáng)度的影響如圖4所示。從圖可知，造孔顆粒具有一定的增強(qiáng)效應(yīng)，增加造孔顆粒含量可提高材料的強(qiáng)度，其最佳含量為30vol%，多孔CBN多孔砂輪燒結(jié)體的壓縮強(qiáng)度和彈性模量平均值分別在15.25～46.34 MPa 和845.16～1238.51MPa范圍，這與Chen等所制備的CBN砂輪力學(xué)強(qiáng)度值相似［6］；但繼續(xù)增加會(huì)導(dǎo)致CBN多孔砂輪材料的脆性增加（如圖5所示），從而使CBN多孔砂輪力學(xué)性能下降，嚴(yán)重影響其在磨削加工中的應(yīng)用，達(dá)不到作為一種高性能磨具砂輪的要求。

圖4 CBN多孔砂輪燒結(jié)體的壓縮強(qiáng)度

圖5 CBN多孔砂輪燒結(jié)體的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.5 CBN多孔砂輪的磨削性能

為了探索所制備的砂輪能夠應(yīng)用，對(duì)CBN多孔砂輪進(jìn)行磨削試驗(yàn)。利用CBN多孔砂輪磨削Al2O3陶瓷工件，在進(jìn)給速度不變（Vw=20mm/s），增大磨削深度時(shí)的加工表面形貌如圖6所示。從圖6（a）中可看到，當(dāng)磨削深度較小時(shí)（ap=5μm），加工后的工件表面完整性較好；當(dāng)磨削深度增大至ap=10μm時(shí)，如圖6（b）所示，在CBN磨粒的作用下，工件表面出現(xiàn)了塑性溝槽和劃痕，但宏觀裂紋相對(duì)較少。

磨削試驗(yàn)表明：所制備的CBN多孔砂輪具有較高質(zhì)量地磨削Al2O3陶瓷工件的能力，加工過(guò)程較平穩(wěn)，有望成為高性能磨具而得到應(yīng)用。

圖6 CBN多孔砂輪磨削Al2O3陶瓷工件表面形貌圖

3 結(jié)論

（1）采用高溫?zé)Y(jié)法，利用不同含量造孔顆粒，可制備出CBN多孔砂輪，其具有200～500μm的大孔和約50～200μm的貫通氣孔，這種多孔結(jié)構(gòu)也便于容納磨屑和散逸磨削熱。1000℃保溫2h是較適宜的CBN多孔砂輪燒結(jié)工藝。

（2）CBN多孔砂輪燒結(jié)體的孔隙率隨造孔顆粒含量的增加而增加，可達(dá)到48.1%左右；造孔顆粒具有增強(qiáng)效應(yīng)，其含量增加，燒結(jié)體的壓縮強(qiáng)度提高，但繼續(xù)增加會(huì)降低其脆性，最佳含量為30vol%。

（3）所制備的CBN多孔砂輪具有較高質(zhì)量地磨削Al2O3陶瓷工件的能力，加工過(guò)程較平穩(wěn)，有望成為高性能磨具而得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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［7］黃培云.粉末冶金原理（第2版）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

Study on preparation and properties of CBN porous grinding wheel

LI Min1,2, HU Ling1, Chen Fang1
（1.Hunan Vocational College of Railway Technology，Zhuzhou 412003,China；2. Hunan University，Changsha 410082,China）

Abstract:Results CBN grinding wheel has a porous structure, that its pore size is in the range from 200 to 500?m and small pore size is in the range from 50 to 200?m, which is favorable for accommodating abrasive dust and grinding heat dissipation. The appropriate sintering temperature of CBN porous grinding wheel is 1000℃for 2h. The porosity of sintered CBN grinding wheel increases with the increase of pore forming particle content, which can approximately reach 48.1%. Pore forming particle has the enhancement effect, and, and the compressive strength of the sintered CBN grinding wheel is improved as the forming particle content increases; but the excessive particle content will reduce CBN grinding wheel brittleness and the best content is 30 vol%. The grinding test of Al2O3ceramic workpiece shows that the CBN porous grinding wheel has the potential to become a high performance abrasive tool.

Key words:porous, CBN grinding wheel, preparation, properties

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳資助科研項(xiàng)目（14C0760）。