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。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)。

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。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，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。

1.1CBN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。

1.1CBN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)。

2.1CBN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，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。可見(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。              

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。

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％，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；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。

2.5CBN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。

（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。