CN109333383A - 一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮及其制备方法，其特征是砂轮轮毂外表面电镀有一层金属镍，CBN磨粒被埋覆在镍层中，CBN磨粒被镍层埋覆的深度为自身高度的25%~35%，在由砂轮CBN磨粒和镍层构成的磨料层上沉积有一层CrN膜；其制备方法为：使用电镀工艺制作CBN磨粒被镍层埋覆深度仅为磨粒自身高度25%~35%的半成品砂轮，然后使用闭合场非平衡磁控溅射技术在半成品砂轮的磨料层上沉积一层4～6μm厚的CrN膜，CrN膜与CBN磨粒之间、CrN膜与镍层之间均存在化学冶金键。本发明使得电镀砂轮对磨粒的把持由单独的机械锚固转变成锚固力、化学冶金结合力复合作用，有效减少了磨粒脱落，也显著增加了CBN磨粒的裸露高度和容屑空间，提高了砂轮寿命和磨削质量。

Description

一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种砂轮及其制备方法，特别是一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮及其制备方法。

背景技术

电镀CBN砂轮是用电化学法制作的CBN砂轮.砂轮工作层含有CBN磨粒，CBN磨料被金属结合剂粘结在基体上，即首先沉积一层金属结合剂，然后进行上砂操作，再继续加厚沉积金属结合剂把CBN磨粒包埋，通常CBN磨粒被金属结合剂包埋深度为磨粒自身粒径的70%以上。电镀砂轮工艺简单，制作方便；无需修整，使用方便；单层结构决定了它可以达到很高工作速度，目前国外已高达250~300 m/s；对于精度要求较高的滚轮砂轮，电镀是唯一的制造方法。然而电镀砂轮的磨粒只是被机械包埋镶嵌在镀层金属中，镀层金属与基体及磨料结合面上并不存在牢固的化学冶金结合，因而把持力小，CBN颗粒在负荷较重的高效磨削中容易脱落或镀层成片剥落而导致砂轮整体失效；增大镀层厚度是增大把持力最有效的方法，但是其结果是磨粒裸露高度和砂轮容屑空间大大减小，从而砂轮使用寿命大大下降，且砂轮容易发生堵塞，散热效果差，工件表面容易发生烧伤。

为了提高电镀砂轮的工作效率，延长砂轮寿命，公开号为CN103388169B的专利“一种电镀砂轮的上砂方法”提出了一种上砂的方法。该方法是将处理后的磨料与含有镀液的磁流体混合均匀形成悬浮液，然后通过磁场的变化控制磁流体携带磨料在电镀砂轮基体表面运动而完成磨料在电镀砂轮基体表面的分布，这提高了磨料分布的精确度，使得磨料层厚度均匀度好。但是该专利仅仅解决了磨粒分布的精确性，并没有有效解决磨粒埋覆深度过大的问题。

为了避免电镀砂轮的磨粒在工作过程中因把持力不足而出现大量脱落的问题，常规电镀砂轮只能增加金属结合剂的厚度，因而带来了磨粒埋覆深度大，裸露高度小，容屑空间小的缺陷，这成为制约目前电镀砂轮高效磨削技术广泛应用的主要因素。

发明内容

为解决上述砂轮和现有技术存在的问题，本发明提出了一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮及其制备方法。该电镀CBN砂轮的特征是采用电镀工艺在砂轮轮毂的外圆周面上沉积有一层镍，CBN磨粒被埋在镍层中，且CBN磨粒的被埋深度仅为其自身粒径的25%~35%，在由CBN磨粒和镍层构成的磨料层上沉积有一层4~6 μm厚的CrN膜；CrN膜与CBN磨粒之间、CrN膜与镍层之间均存在化学冶金键，大大增加了砂轮对磨粒的把持力，有效减少了磨粒的脱落，同时也显著增加了CBN磨粒的裸露高度和容屑空间，从而提高了磨削质量和砂轮使用寿命。

为了实现上述目的，本发明使用的技术方案是：采用机械加工方法加工出砂轮轮毂，然后采用电镀工艺在砂轮轮毂外圆周面预镀一层镍后将CBN磨粒植在预镀镍层上，再进行加厚镀镍形成镍层，由镍层和CBN磨粒组成的磨料层；镍层包埋住CBN磨粒，且CBN磨粒被埋入镍层的深度仅为其自身粒径的25%~35%，制成砂轮半成品；将砂轮半成品和铬块分别放入丙酮溶液中，并采用超声波清洗10~20 min，再用去离子水清洗，用干燥氮气吹干；将砂轮半成品安装在磁控溅射炉镀膜室的转台上，将铬块安装在靶座上，转台和靶座分别连接外接电源的两极；封闭镀膜室，转台以2~3 r/min的速度旋转，砂轮半成品以4~6 r/min的速度反向旋转；开启真空泵抽离镀膜室内空气，使真空度达到1×10^-3~3×10^-3 Pa，然后往镀膜室内通入氩气，气流量为20 sccm，控制室内气压维持在0.5~1.5 Pa；开启溅射电源使得砂轮半成品的脉冲直流偏压为-300~-400 V，在电场作用下氩气被电离成氩离子且氩离子轰击砂轮半成品，从而清洗砂轮半成品表面，清洗时间为20~30 min；控制镀膜室内气压降为2×10^-1~3×10^-1 Pa，调节砂轮半成品的直流偏压为-40~-70 V，调节溅射功率为2.4 kW，在砂轮半成品的磨料层表面沉积Cr过渡层，时间为5~10 min；然后同时通入氩气和氮气，氩气流量为20 sccm，氮气流量为40 sccm，使镀膜室内压强为2.5×10^-1~4×10^-1 Pa，在砂轮半成品的磨料层表面沉积一层4~6 μm厚的CrN膜；由于CrN膜和CBN磨粒均存在N元素，因此CrN膜与CBN磨粒之间会形成化学冶金键，同时由于CrN膜中的Cr元素与镍层中的Ni元素具有良好的亲和性，因此CrN膜与镍层之间也存在化学冶金键，化学冶金键的存在极大地增强了镍层对CBN磨粒的包覆力；自然冷却形成一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮。

所述的铬块的纯度不低于99.9%，氩气纯度不低于99.99%，氮气纯度不低于99.99%。

所述的砂轮的轮毂材质为45钢，直径为Φ10~Φ200 mm，厚度为6~20 mm。

所述的CBN磨粒粒径为80 ~250 μm。

所述的沉积CrN膜的溅射过程中，要求砂轮半成品的温度控制在200~300 ℃。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果。

大大增大了砂轮的容屑空间、排屑能力。CBN磨粒被埋在镍层里的深度仅为其自身粒径的25%~35%，极大地增加了磨粒的裸露高度，从而显著增加了砂轮加工时的容屑空间和排屑能力，因此砂轮发生堵塞的概率大大下降。

有效提高了砂轮的散热能力。砂轮容屑空间的增大，促使更多的磨削液进入磨削区，有效地改善了磨削区的冷却效果，避免工件表面热损伤，进一步提高了磨削质量。

显著增强了镍层对CBN磨粒的包覆力。CrN与CBN磨粒之间、CrN与Ni层之间均存在化学冶金键，相比常规电镀砂轮的电镀层对CBN磨粒的机械锚固作用，前者具有更强大的结合力，从而提高了电镀层对磨粒的把持力，有效防止了磨削加工时CBN磨粒脱落。

大大提高了电镀砂轮的磨削效率。相比于被电镀镍层包埋深度高达磨粒自身高度70%以上的普通电镀CBN砂轮，表面包覆CrN的电镀CBN砂轮的包埋深度仅为磨粒自身高度的25%~35%，显著增加了磨粒的裸露高度，磨粒单次最大可切深度增加近50%，致使磨削效率显著提升。

显著延长了砂轮的服役寿命。砂轮基体对磨粒的把持力由单纯的锚固作用力变为锚固和化学冶金键结合的共同作用力，磨削加工时磨粒脱落的现象大大减少，同时磨粒的可工作高度显著增大，这使得砂轮的服役寿命显著延长。

附图说明

图1是表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮的示意图及局部放大图。

图2是采用闭合场非平衡磁控溅射技术在砂轮半成品上沉积CrN膜的原

理图。

以上图1和图2的标识为：1、轮毂，2、镍层，3、CBN磨粒，4、磨料层，5、CrN膜，6、靶座，7、铬块，8、砂轮半成品，9、转台。

具体实施方式

下面结合附图对发明具体实施方式做进一步说明。

参见图1和图2，一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮，其特征在于：砂轮是由轮毂1、镍层2、CBN磨粒3、CrN膜5组成；镍层2是经电镀工艺覆盖在轮毂1的外圆周，CBN磨粒3被埋在镍层2中，且CBN磨粒3的被埋深度仅为其自身粒径的25%~35%，极大地增加了磨粒的裸露高度，从而显著增加了砂轮加工时的容屑空间和排屑能力，有效提高了砂轮的散热能力；CBN磨粒3和镍层2构成磨料层4；在CBN砂轮磨料层4上沉积有一层4~6 μm厚的CrN膜5；CrN膜5与CBN磨粒3之间、CrN膜5与镍层2之间均存在化学冶金键，相比常规电镀砂轮的电镀层对CBN磨粒的机械锚固作用，前者具有更强大的结合力，从而提高了电镀层对磨粒的把持力，有效防止了磨削加工时CBN磨粒脱落。

一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮的制备方法，包括下列步骤。

步骤一：制作直径为Φ100 mm，厚度为10 mm的45钢砂轮轮毂1，在轮毂1外圆周面预镀一层镍后将粒径为200 μm的CBN磨粒3植在预镀镍层上，然后进行加厚镀镍形成镍层2，由镍层2和CBN磨粒3组成磨料层4；镍层2包埋CBN磨粒3，且CBN磨粒3被埋入镍层2的深度仅为其自身粒径的30%，制成砂轮半成品8。

步骤二：将砂轮半成品8和纯度为99.9%的铬块7分别放入丙酮溶液中，并采用超声波清洗20 min，再用去离子水清洗，用干燥氮气吹干。

步骤三：将砂轮半成品8安装在磁控溅射炉镀膜室的转台9上，将铬块7安装在靶座6上，转台9和靶座6分别连接外接电源的两极；封闭镀膜室，转台9以2 r/min的速度旋转，砂轮半成品8以5 r/min的速度反向旋转；开启真空泵抽离镀膜室内空气，使真空度达到2×10^-3 Pa，然后往镀膜室内通入纯度为99.99%的氩气，气流量为20 sccm，控制室内气压维持在1 Pa；开启溅射电源使得砂轮半成品8的脉冲直流偏压为-400 V，在电场作用下氩气被电离成氩离子且氩离子轰击砂轮半成品8，从而清洗砂轮半成品8表面，清洗时间为30 min。

步骤四：控制镀膜室内气压降为2×10^-1 Pa，调节砂轮半成品8的偏压为-50 V，调节溅射功率为2.4 kW，在砂轮半成品8的磨料层4表面沉积Cr过渡层，时间为10 min；然后同时通入纯度均为99.99%的氩气和氮气，氩气流量为20 sccm，氮气流量为40 sccm，使镀膜室内压强为3×10^-1 Pa，在砂轮半成品8的磨料层4表面沉积一层6 μm厚的CrN膜5；沉积CrN膜5的溅射过程中，要求砂轮半成品8的温度控制在200 ℃；由于CrN膜5和CBN磨粒3均存在N元素，因此CrN膜5与CBN磨粒3之间会形成化学冶金键，同时由于CrN膜5中的Cr元素与镍层2中的Ni元素具有良好的亲和性，因此CrN膜5与镍层2之间也存在化学冶金键，化学冶金键的存在极大地增强了镍层2对CBN磨粒3的包覆力；自然冷却形成一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮，其特征在于：砂轮是由轮毂（1）、镍层（2）、CBN磨粒（3）、CrN膜（5）组成；镍层（2）是经电镀工艺覆盖在轮毂（1）的外圆周，CBN磨粒（3）被埋在镍层（2）中，且CBN磨粒（3）的被埋深度仅为其自身粒径的25%~35%，CBN磨粒（3）和镍层（2）构成磨料层（4）；在CBN砂轮磨料层（4）上沉积有一层4~6 μm厚的CrN膜（5）；CrN膜（5）与CBN磨粒（3）之间、CrN膜（5）与镍层（2）之间均存在化学冶金键。

2.一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮的制备方法，其特征在于：制备步骤如下：

步骤一：在砂轮轮毂（1）外圆周面预镀一层镍后将CBN磨粒（3）植在预镀镍层上，然后进行加厚镀镍形成镍层（2），由镍层（2）和CBN磨粒（3）组成磨料层（4）；镍层（2）包埋CBN磨粒（3），且CBN磨粒（3）被埋入镍层（2）的深度仅为其自身粒径的25%~35%，制成砂轮半成品（8）；

步骤二：将砂轮半成品（8）和铬块（7）分别放入丙酮溶液中，并采用超声波清洗10~20min，再用去离子水清洗，用干燥氮气吹干；

步骤三：将砂轮半成品（8）安装在磁控溅射炉镀膜室的转台（9）上，将铬块（7）安装在靶座（6）上，转台（9）和靶座（6）分别连接外接电源的两极；封闭镀膜室，转台（9）以2~3 r/min的速度旋转，砂轮半成品（8）以4~6 r/min的速度反向旋转；开启真空泵抽离镀膜室内空气，使真空度达到1×10^-3~3×10^-3 Pa，然后往镀膜室内通入氩气，气流量为20 sccm，控制室内气压维持在0.5~1.5 Pa；开启溅射电源使得砂轮半成品（8）的脉冲直流偏压为-300~-400V，在电场作用下氩气被电离成氩离子且氩离子轰击砂轮半成品（8），从而清洗砂轮半成品（8）表面，清洗时间为20~30 min；

步骤四：控制镀膜室内气压降为2×10^-1~3×10^-1 Pa，调节砂轮半成品（8）的偏压为-40~-70 V，调节溅射功率为2.4 kW，在砂轮半成品（8）的磨料层（4）表面沉积Cr过渡层，时间为5~10 min；然后同时通入氩气和氮气，氩气流量为20 sccm，氮气流量为40 sccm，镀膜室内压强为2.5×10^-1~4×10^-1 Pa，在砂轮半成品（8）的磨料层（4）表面沉积一层4~6 μm厚的CrN膜（5）；由于CrN膜（5）和CBN磨粒（3）均存在N元素，因此CrN膜（5）与CBN磨粒（3）之间会形成化学冶金键，同时由于CrN膜（5）中的Cr元素与镍层（2）中的Ni元素具有良好的亲和性，因此CrN膜（5）与镍层（2）之间也存在化学冶金键，化学冶金键的存在极大地增强了镍层（2）对CBN磨粒（3）的包覆力；自然冷却形成一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮。

3.根据权利要求1所述一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮或权利要求2所述一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮的制备方法，所述的铬块（7）的纯度不低于99.9%，氩气纯度不低于99.99%，氮气纯度不低于99.99%。

4.根据权利要求1所述一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮或权利要求2所述一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮的制备方法，所述的砂轮的轮毂（1）材质为45钢，直径为Φ10~Φ200 mm，厚度为6~20 mm。

5.根据权利要求1所述一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮或权利要求2所述一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮的制备方法，所述的CBN磨粒（3）粒径为80 ~250 μm。

6.根据权利要求1所述一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮或权利要求2所述一种表面包覆CrN膜的电镀CBN砂轮的制备方法，所述的沉积CrN膜（5）的溅射过程中，要求砂轮半成品（8）的温度控制在200~300 ℃。