CBN多孔砂輪的制備及性能研究

李　敏胡　玲陳　芳

（1.湖南鐵路科技職業技術學院，株洲412006；2.湖南大學，長沙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.湖南鐵路科技職業技術學院，株洲412006；2.湖南大學，長沙410082）

摘要：CBN砂輪具有多孔結構，其具有200～500μm的大孔和約50～200?m的貫通氣孔，這種多孔結構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多孔砂輪燒結工藝；燒結體的孔隙率隨造孔顆粒含量的增加而增加，可達到48.1%左右；造孔顆粒具有增強效應，其含量增加，燒結體的壓縮強度提高，但繼續增加會降低其脆性，最佳含量為30vol%；CBN多孔砂輪磨削Al2O3陶瓷工件試驗顯示出其具有成為高性能磨具的潛力。

關鍵詞：多孔CBN砂輪制備性能

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

立方氮化硼（Cubic boron nitride，CBN）具有很高的硬度，以及良好的導熱性、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來作為造孔劑［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作為造孔顆粒，設計周向分布均勻的模板，通過高溫燒結獲得CBN多孔砂輪，分析其制備燒結工藝、孔隙結構及砂輪性能。

1 實驗過程

1.1 CBN多孔砂輪的制備

（1）將一定形狀的CBN磨料、結合劑和石墨等放入TM-2混料機中混合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種不同量的設計孔徑相符（孔洞形狀規則周向分布均勻）的空心造孔顆粒（20vol%、25vol%、30vol%、35vol%、40vol%，對應后續制備出的多孔砂輪樣品1～5號）為模板，通過反復擠壓、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爐中，通過一定的升溫曲線控制，在900～1000℃燒成。（4）經過后續處理，制備出復合結合劑CBN多孔砂輪。

1.2 CBN多孔砂輪的性能測試

在X射線衍射儀上鑒定物相，通過SEM進行表面形貌分析；在壓汞儀上進行孔隙率測試，并在電子萬能材料實驗機上進行力學性能（壓縮強度、彈性模量等）的測定，記錄材料的應力應變曲線。在KGS250AH型平面磨床上進行磨削試驗。

2 實驗結果與分析

2.1 CBN多孔砂輪制備中燒結工藝的選擇

對壓制成型的CBN待燒結毛坯采用1000℃高溫燒結，由室溫（25℃）緩慢升至1000℃（此時分別保溫1h、2h、3h進行對比研究），避免升溫過快而導致所制備的CBN砂輪燒結體出現裂紋（甚至斷裂），并保溫30min使造孔顆粒產生的氣體能夠充分地排出；在400℃和800℃分別保溫30 min，可使CBN砂輪燒結體更好地成型，從而利于孔隙結構分布及孔隙的生成質量。

CBN砂輪燒結體的相對密度先隨保溫時間的增大而增大，超過2h后燒結體相對密度降低。這主要是由于燒結保溫時間不夠，燒結頸沒有充分擴大［7］，顆粒間距離仍然處于縮小并形成連續的孔隙網絡，CBN砂輪燒結體不能充分燒結而達到致密化。

因此，1000℃保溫2h是較適宜的CBN多孔砂輪燒結工藝。

2.2 CBN多孔砂輪燒結體的相、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號樣品）燒結后的XRD圖譜?？梢?，CBN砂輪燒結體中主要為CBN相，但含有少量的燒結過程中結合劑等混合粉料物質分解（或合成）的SiO2，Ba2O3，Na2O等雜相。

圖1 CBN多孔砂輪燒結體的XRD圖譜

試驗測定CBN砂輪燒結體的孔隙率介于40%～51%，其孔徑情況如圖2所示，可見CBN多孔砂輪燒結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；由于大孔內部有小孔連通，各孔洞的貫通分布，能夠較完全地復合形成界面（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多孔砂輪燒結體的SEM形貌

2.3 CBN多孔砂輪燒結體的孔隙率分析

通過對燒結后所獲得的CBN多孔砂輪燒結體（1～5號）的孔隙率進行測定，得出了不同造孔顆粒的含量與孔隙率的關系如圖3所示。隨著造孔顆粒含量的增加，CBN多孔砂輪燒結體的孔隙率基本呈上升趨勢，主要是由于材料能夠充分流動，同基體材料能夠達到很好的復合界面，當造孔顆粒的含量為30vol%時（3號），燒結體的孔隙率為43.5%；當造孔顆粒的含量達到并超過35vol%時（4號），復合后形成的CBN多孔砂輪燒結體的孔隙率急劇上升達到48.1%左右，并呈現出穩定性。

圖3 CBN燒結體孔隙率與造孔顆粒含量的關系

2.4 CBN多孔砂輪材料的力學性能

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構，而且需要具有一定的力學性能，才能保證砂輪在磨削加工中的強度。

將CBN多孔砂輪樣品經1000℃燒結，對所獲得的多孔燒結體進行力學性能測試?？招脑炜最w粒含量對CBN多孔砂輪壓縮強度的影響如圖4所示。從圖可知，造孔顆粒具有一定的增強效應，增加造孔顆粒含量可提高材料的強度，其最佳含量為30vol%，多孔CBN多孔砂輪燒結體的壓縮強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砂輪力學強度值相似［6］；但繼續增加會導致CBN多孔砂輪材料的脆性增加（如圖5所示），從而使CBN多孔砂輪力學性能下降，嚴重影響其在磨削加工中的應用，達不到作為一種高性能磨具砂輪的要求。

圖4 CBN多孔砂輪燒結體的壓縮強度

圖5 CBN多孔砂輪燒結體的應力應變曲線

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用，對CBN多孔砂輪進行磨削試驗。利用CBN多孔砂輪磨削Al2O3陶瓷工件，在進給速度不變（Vw=20mm/s），增大磨削深度時的加工表面形貌如圖6所示。從圖6（a）中可看到，當磨削深度較小時（ap=5μm），加工后的工件表面完整性較好；當磨削深度增大至ap=10μm時，如圖6（b）所示，在CBN磨粒的作用下，工件表面出現了塑性溝槽和劃痕，但宏觀裂紋相對較少。

磨削試驗表明：所制備的CBN多孔砂輪具有較高質量地磨削Al2O3陶瓷工件的能力，加工過程較平穩，有望成為高性能磨具而得到應用。

圖6 CBN多孔砂輪磨削Al2O3陶瓷工件表面形貌圖

3 結論

（1）采用高溫燒結法，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，這種多孔結構也便于容納磨屑和散逸磨削熱。1000℃保溫2h是較適宜的CBN多孔砂輪燒結工藝。

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

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

參考文獻

［1］李伯民，趙波.現代磨削技術［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［2］鄧朝暉，伍俏平，張高峰.新型砂輪研究進展及其展望［J］.中國機械工程，2010，21（21）：2632-2638.

［3］PAL B，CHATTOPADHYAY A K，CHATTOPADHYAY A B. Development and performance evaluation of monolayer brazed CBN grinding wheel on bearing steel［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2010，48（9-12）：935-944.

［4］ONISHI H，KOBAYASHI M，TAKATA A，et al. Fabrication of new porous metal-bonded grinding wheelsby HIP method and machining electronic ceramics［J］.Journal of Porous Mater，1997，4 （3）：187-98.

［5］陳珍珍，徐九華，丁文鋒等.多孔復合結合劑立方氮化硼砂輪磨損特性［J］.機械工程學報，2014，50（17）：201-207.

［6］CHEN Z Z，XU J H，DING W F，et al.Grinding performance evaluation of porous composite-bonded CBN wheels for Inconel 718［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2014，27（4）：1022-1029.

［7］黃培云.粉末冶金原理（第2版）［M］.北京：冶金工業出版社，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

基金項目：湖南省教育廳資助科研項目（14C0760）。