用于铁路钢轨修磨的铁基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法与流程

本发明涉及砂轮制造技术领域，具体涉及一种用于铁路钢轨修磨的铁基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法。

背景技术：

砂轮是磨削加工中最主要的一类磨具；砂轮是在磨料中加入结合剂，经压坯、干燥和焙烧而制成的多孔体；由于磨料、结合剂及制造工艺不同，砂轮的特性差别很大，因此对磨削的加工质量、生产率和经济性有着重要影响。

修磨的目的是磨去钢锭和钢坯的表面缺陷，如脱碳层、氧化皮、折叠和裂纹等，以避免继续轧制或锻造时缺陷扩大而浪费材料；尤其是对于铁路钢轨，随着我国铁路机车速度的提高，对铁路钢轨提出了更高的技术要求，对于新铺设的铁路钢轨需要进行预防性的修磨处理，对于在线使用的铁路钢轨必须进行修磨，以便消除铁路钢轨中固有的缺陷和磨损、钢轨顶面的不平顺及钢轨焊接头的不平顺和钢轨的疲劳破坏层等，可以延长钢轨的使用寿命0.5～1倍。

结合剂是粘合磨粒而制成各种砂轮的材料；结合剂种类及其性质，决定着砂轮的强度、硬度、耐热和耐腐蚀性能等；此外，结合剂对磨削的表面粗糙度和磨削温度也有一定的影响，结合剂主要依据其自身的性能而定。目前市面上砂轮多数用树脂基结合剂制作，由于树脂基结合剂对磨料的把持力较弱，而且树脂基结合剂砂轮的磨削温度不能过高；为克服这些问题，国内外研制了一些金属基结合剂，以便提高砂轮中磨料的把持力、自锐性和切割精度，从而使得砂轮寿命提高了15～20％，并且可以减少对磨料的热损伤；例如，中国专利cn104907941a公开了一种氮化硅陶瓷球粗研专用大直径金刚石砂轮及制作方法，该砂轮包括基材和研磨体，中间有安装孔，基材为铸铁板，研磨体为金刚石和金属粉末，经高温加热压制在基材内，两者紧密结合在一起，金刚石研磨体气孔率在5％以下，直径800～1000mm，研磨体环端工作面径向200～240mm，表面平整，无变形现象，用于氮化硅陶瓷轴承球的粗研工序。金属粉末总体积占研磨体体积的50％～81.25％，由多种金属粉末组成，包括钴粉、钨粉、铁粉、锡粉、镍粉、青铜粉、铜粉、钛粉和锌粉，金属粉末中还有分散剂和湿润剂，该大直径金刚石砂轮比目前国外产品提高了6倍的磨削效率，且使用时无污染。又如，中国专利cn203696790u公开了一种用于磨铁基粉末冶金双平面零件的陶瓷结合剂金刚石磨盘，主要涉及端面砂轮技术，磨盘本体由金属基体和磨料层组成，磨料层粘接在金属基体的上面，磨料层由多个磨块围绕砂轮的中心均匀分布构成，磨盘本体为中空的圆盘状；该石磨盘，使用寿命长、成本低、能极大的提高磨加工效率，满足平行度、平面度和粗糙度技术要求，可以提高经济效益。

然而，现有技术中，常用的金属基结合剂砂轮，通常还存在一些问题，例如，磨料与金属基结合剂的结合较差，尤其是用于修磨铁路钢轨的金属基结合剂砂轮，其强度、刚度以及耐磨性还有待提高，磨削性能较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供结合能力强、强度及刚度高、耐磨性及磨削性好的铁基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于铁路钢轨修磨的铁基结合剂锆刚玉砂轮，包括按重量百分比配置的如下组分：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒30～70％、铁基结合剂20～45％、黄铁粉末1～5％、冰晶石粉末1～5％、造孔剂粉末1～5％、碳酸钙粉末0.5～3％、镧粉末0.1～1.5％、铬粉末0.1～2％、石墨粉末0.1～1％、经表面改性处理的碳纳米管0.1～0.5％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.5％、碳化钨粉末1～5％。

优选的，所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒采用化学镀镍的方法获得；采用芦丁水溶液处理石墨烯获得所述经表面改性处理的石墨烯；采用没食子酸水溶液处理碳纳米管获得所述经表面改性处理的碳纳米管。

一种优选的方案，所述各组分的重量百分比为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒41～52％、铁基结合剂30～42％、黄铁粉末2～3.5％、冰晶石粉末2～3.5％、造孔剂粉末2.5～3.8％、碳酸钙粉末1.4～2.5％、镧粉末0.3～0.8％、铬粉末0.8～1.4％、石墨粉末0.3～0.8％、经表面改性处理的碳纳米管0.2～0.4％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.3％、碳化钨粉末2～3.5％。

进一步的，所述各组分的重量百分比为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒45％、铁基结合剂40％、黄铁粉末2.5％、冰晶石粉末2.5％、造孔剂粉末3％、碳酸钙粉末2％、镧粉末0.5％、铬粉末1％、石墨粉末0.5％、经表面改性处理的碳纳米管0.4％、经表面改性处理的石墨烯0.1％、碳化钨粉末2.5％。

优选的，所述铁基结合剂按重量百分比包括如下组分：铁粉末70～80％、钴粉末5～15％、铜粉末5～15％、锡粉末1～5％。

进一步的，所述铁基结合剂按重量百分比包括如下组分：铁粉末73～78％、钴粉末8～12％、铜粉末8～12％、锡粉末2～4％。

更进一步的，所述铁基结合剂按重量百分比包括如下组分：铁粉末75％、钴粉末10％、铜粉末10％、锡粉末5％。

一种铁基结合剂锆刚玉砂轮的制备方法，包括

采用化学镀镍的方法对锆刚玉颗粒进行处理，获得表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒；

采用芦丁水溶液处理石墨烯，获得经表面改性处理的石墨烯；

采用没食子酸水溶液处理碳纳米管，获得经表面改性处理的碳纳米管；

将所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒、所述经表面改性处理的石墨烯及所述经表面改性处理的碳纳米管与铁粉末、钴粉末、铜粉末、锡粉末、黄铁粉粉末、冰晶石粉末、氢化钛粉末、碳酸钙粉末、镧粉末、铬粉末、石墨粉末、碳化钨粉末进行球磨混料，获得复合粉末；

将所述复合粉末进行真空热压烧结成型，获得铁基结合剂锆刚玉砂轮。

优选的，所述复合粉末中各组分的重量百分比为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒30～70％、铁粉末70～80％、钴粉末5～15％、铜粉末5～15％、锡粉末1～5％、黄铁粉末1～5％、冰晶石粉末1～5％、造孔剂粉末1～5％、碳酸钙粉末0.5～3％、镧粉末0.1～1.5％、铬粉末0.1～2％、石墨粉末0.1～1％、经表面改性处理的碳纳米管0.1～0.5％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.5％、碳化钨粉末1～5％。

优选的，制备所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒的方法为；

首先，将锆刚玉颗粒放入敏化液中敏化，敏化完成后依次进行超声清洗、静置以及过滤，并取滤渣进行真空干燥；

然后，将干燥后的锆刚玉颗粒放入到活化液中活化，活化完成后依次进行超声清洗、静置以及过滤，并取滤渣进行真空干燥；

最后，将干燥后的锆刚玉颗粒放入到化学镀液中，并调整化学镀液的温度和ph，对锆刚玉颗粒镀镍，镀镍后依次进行超声清洗、静置以及过滤，并取滤渣进行真空干燥，获得所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。

优选的，所述敏化液的成分为：sncl2·2h2o：25～45g/l，hcl：15～65g/l，敏化时间为15～55min；

所述活化液的成分为：pdcl2：0.05～1.5g/l，活化时间为15～55min；

所述化学镀液的成分为：niso4·6h2o：15～55g/l，nah2po2·h2o：15～55g/l，na3c6h5o7·2h2o：15～55g/l，nh4cl：25～95g/l，化学镀时间为15～55min。

进一步的，所述敏化液的成分为：sncl2·2h2o：25～35g/l，hcl：25～55g/l，敏化时间为24～36min；所述活化液的成分为：pdcl2：0.2～0.7g/l，活化时间为24～36min；所述化学镀液的成分为：niso4·6h2o：20～40g/l，nah2po2·h2o：18～36g/l，na3c6h5o7·2h2o：18～36g/l，nh4cl：51～58g/l，化学镀时间为24～36min。

更进一步的方案中，所述敏化液的成分为：sncl2·2h2o：31.2g/l，hcl：40/l，敏化时间为30min；所述活化液的成分为：pdcl2：0.4425g/l，活化时间为30min；所述化学镀液的成分为：niso4·6h2o：26.3g/l，nah2po2·h2o：21.2g/l，na3c6h5o7·2h2o：23.52g/l，nh4cl：53.5g/l，化学镀时间为30min。

优选的，所述超声清洗的时间为20～60min，所述真空干燥的温度为50℃～90℃，所述真空干燥的时间为5～15min。

优选的，所述化学镀液的ph为4～6，化学镀液的温度为50～80℃。

优选的，制备所述经表面改性处理的石墨烯的方法为；首先对石墨烯进行等离子体处理，然后将处理后的石墨烯加入到芦丁水溶液中，并进行机械搅拌，最后依次进行超声分散处理、静置以及过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的石墨烯。

优选的，制备所述经表面改性处理的碳纳米管的方法为；先将碳纳米管加入到没食子酸水溶液中，并进行机械搅拌，然后依次进行超声分散处理、静置以及过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的碳纳米管。

优选的，所述超声分散的时间为15～65min；所述静置的时间为12～48h；所述真空干燥的温度为45℃～95℃，所述真空干燥的时间为12～36h。

进一步的，所述超声分散的时间为20～40min；所述静置的时间为20～30h；所述真空干燥的温度为74℃～86℃，所述真空干燥的时间为20～30h。

更进一步的方案中，所述超声分散的时间为30min；所述静置的时间为24h；所述真空干燥的温度为80℃，所述真空干燥的时间为24h。

优选的，所述芦丁水溶液由去离子水配制，且芦丁水溶液中芦丁的浓度为0.001～18μg/ml。

进一步的，所述芦丁水溶液中芦丁的浓度为0.02～0.2μg/ml。

更进一步的，所述芦丁水溶液中芦丁的浓度为0.02μg/ml。

优选的，所述没食子酸水溶液由去离子水配制，且没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为3～18μg/ml。

进一步的，所述没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为5～15μg/ml。

更进一步的，所述没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为10μg/ml。

优选的，采用芦丁水溶液处理石墨烯时，石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积之比为0.05～0.5g:15～65ml。

进一步的，所述石墨烯的质量与所述芦丁水溶液的体积之比为0.05～0.2g:35～55ml。

更进一步的，所述石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积之比为0.1g:40ml。

优选的，采用没食子酸水溶液处理碳纳米管时，碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.05～0.5g:15～65ml。

进一步的，所述碳纳米管的质量与所述没食子酸水溶液的体积之比为0.05～0.2g:35～55ml。

更进一步的方案中，所述碳纳米管的质量与所述没食子酸水溶液的体积之比为0.1g:40ml。

优选的，所述球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，球磨转速为100～400转/min，球磨时间为35～160min。

进一步的，球磨转速为170～240转/min，球磨时间为60～150min。

更进一步的方案中，球磨转速为200转/min，球磨时间为120min。

优选的，球磨所采用的介质为叔丁醇，且完成球磨后，去除球磨介质所采用的方法为冷冻干燥法。

优选的，所述真空热压烧结的压力为：先预压0.5～2h，预压压力为0.5～1.5t，再以0.05～0.15t/min的速度升压至5～15mpa，保压时间为15～30min，所述真空热压烧结的温度为：先以10～30℃/min升温至550～700℃，再以5～15℃/min升温至750～950℃，最后以1～10℃/min的速度升温至850～1100℃，保温时间为1～3h。

进一步的，所述真空热压烧结的压力为：先预压0.8～1.5h，预压压力为0.8～1.3t，再以0.08～0.13t/min的速度升压至10～14mpa，保压时间为18～24min；所述真空热压烧结的温度为：先以15～25℃/min升温至580～640℃，再以8～13℃/min升温至850～910℃，最后以3～6℃/min的速度升温至960～1050℃，保温时间1.5～2.5h。

更进一步的方案中，所述真空热压烧结的压力为：先预压1h，预压压力为1t，再以0.1t/min的速度升压至12mpa，保压时间为20min；所述真空热压烧结的温度为：先以20℃/min升温至600℃，再以10℃/min升温至900℃，最后以5℃/min的速度升温至1000℃，保温时间2h。

与现有技术相比，使用本发明提供的一种用于铁路钢轨修磨的铁基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法，具有以下有益效果：

1、本发明中，采用化学镀镍的方法对锆刚玉颗粒进行表面改性处理，获得表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒，与未经表面镀覆镍处理的锆刚玉颗粒相比，锆刚玉颗粒与体基体的结合程度明显增强，镀镍以后表面能降低，与铁基体之间的结合能力增加，结合强度增强；当受到外力作用时，良好的结合界面能更有效地起到载荷转移的作用，降低应力集中，减少裂纹和孔隙的产生；同时，经表面改性处理的石墨烯和碳纳米管具有超常的力学性能，石墨烯和碳纳米管与铁基体之间形成较好的界面结合，外界加载力时，应力会通过界面传递至石墨烯和碳纳米管，从而达到增强机体的作用，从而有利于性能更优越的，专用于铁路钢轨修磨的铁基结合剂锆刚玉砂轮。

2、本发明所提供的铁基结合剂锆刚玉砂轮，由表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒、铁粉末、钴粉末、铜粉末、锡粉末、黄铁粉粉末、冰晶石粉末、氢化钛粉末、碳酸钙粉末、镧粉末、铬粉末、石墨粉末、经表面改性处理的石墨烯、经表面改性处理的碳纳米管和碳化钨粉末组成；表面改性处理不会对石墨烯和碳纳米管造成化学损伤，保持了石墨烯及碳纳米管的完整性；通过合理配置各组分的含量，使磨料与填料共同作用，从而可以有效增强砂轮的强度和刚度，在提高磨损量的同时可以有效降低砂轮的磨耗量。

3、本发明中，镍层均匀的结合在锆刚玉颗粒表面，杂质含量低，与铁基体之间的润湿性可以得到明显的改善。

4、本发明中，磨料和填料相互作用，各组分之间起到补强的作用，可以显著提高铁路钢轨修磨专用铁基结合剂锆刚玉砂轮的强度、刚度，提高砂轮的耐磨性，增大砂轮的磨削性能，并且可以降低砂轮的密度。

5、本发明所提供的制备方法中，采用热压烧结成型的工艺，有利于在高温时各组分混合均匀，在各组分的相互作用下得到结构均匀致密、结构均一稳定的铁基结合剂锆刚玉砂轮。

6、本发明所提供的制备方法，不仅可以获得用于铁路钢轨修磨的铁基结合剂锆刚玉砂轮，而且，原料易得、工艺简单、便于生产，且在成生产过程中不会产生废气、废渣，非常的环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是对照实验6中，采用化学镀镍法所制备的表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒的sem图。

图2是对照实验6中，化学镀镍后锆刚玉颗粒的扫描电镜图和能谱图，其中，左上角为扫描电镜图，左下角为点1、2、3处的能谱结果表，右侧为点1、2、3处的能谱图。

图3是对照实验5中，钢棒表面磨损面的sem图。

图4是对照实验6中，钢棒表面磨损面的sem图。

图5中，(a)为对照实验5中的钢棒表面形貌扫描图，(b)为对照实验6中的钢棒表面形貌扫描图，下方表格为点1-6处的能谱结果表。

图6中，(a)为对照实验5中所制备的砂轮表面粗糙度的模拟图，(b)为对照实验6中所制备的砂轮表面粗糙度的模拟图，其中ra代表表面粗糙度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，本实施例中提供了一种一种用于铁路钢轨修磨的铁基结合剂锆刚玉砂轮，包括按重量百分比配置的如下组分：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒30～70％、铁基结合剂20～45％、黄铁粉末1～5％、冰晶石粉末1～5％、造孔剂粉末1～5％、碳酸钙粉末0.5～3％、镧粉末0.1～1.5％、铬粉末0.1～2％、石墨粉末0.1～1％、经表面改性处理的碳纳米管0.1～0.5％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.5％、碳化钨粉末1～5％。

锆刚玉是以氧化铝、氧化锆为原料在电弧炉中经2000℃以上高温冶炼而成，其质地坚韧，结构致密，强度高，热震性好；锆刚玉根据zro2的含量，一般分为低锆刚玉，中锆刚玉和高锆刚玉；锆刚玉作为一种高级磨料，可制造高性能的重负荷砂轮，对钢件、铸铁件、耐热钢以及各种合金材料有很好的磨削作用。另外，锆刚玉还是一种高级耐火原料，是制作高性能的滑动水口及浸入式水口的理想材料，还可用于制作玻璃熔窑用锆刚玉砖，因此在砂轮中加入锆刚玉磨料可以减少砂轮的过热性，防止砂轮表面因为磨削热而产生氧化层；但是，作为陶瓷相，锆刚玉与金属基材料界面湿润性较差，表面不易于金属基材料结合，进而造成砂轮成分的不均匀；因此，使用锆刚玉磨料，必须对其进行表面处理；经调研发现，锆刚玉表面镀镍后，与铁基体结合能力较强，二者之间界面有很强的作用能力，其湿润性得到大幅度改善。

石墨、石墨烯、碳纳米管具有很好的润滑性，是常用的固体润滑剂，将其作为增强相加入到构成砂轮的复合材料中，可以显著改善复合材料的自润滑性，大大提高复合材料的摩擦磨损性能；冰晶石熔点较低，可降低磨削热，增强自锐性，防止砂轮堵塞，提高砂轮强度，从而可以有效解决现有金属结合剂存在的容易堵塞发热的问题；黄铁粉可以提高磨削效果；碳酸钙、铬、碳化钨、镧等强碳化物添加剂，在提高材料硬度的同时还可以提高材料的刚度。

在本实施例所提供的优选方案中，所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒优先采用化学镀镍的方法获得；此外，可以采用芦丁水溶液处理石墨烯获得所述经表面改性处理的石墨烯；采用没食子酸水溶液处理碳纳米管获得所述经表面改性处理的碳纳米管。

故在本实施例所提供的砂轮中，各组分的性能可产生共增强的作用，且锆刚玉颗粒与铁基体之间可以形成较好的界面结合，增强效果显著提高，并可显著提高砂轮的强度和服役寿命；当砂轮受到外力作用时，良好的结合界面能更有效地起到载荷转移的作用，降低应力集中，减少缺陷的产生。其中，铁基结合剂是铁粉、钴粉、铜粉和锡粉按照一定比例混合制成的，可以显著提高对锆刚玉颗粒的把持能力；经表面改性处理的石墨烯及碳纳米管具有超常的力学性能，石墨烯和碳纳米管与铁基体之间形成较好的界面结合，外界加载力时，应力会通过界面传递至石墨烯和碳纳米管，从而达到增强机体的作用；黄铁粉、碳化钨、碳酸钙、铬粉末作为填料，可以使砂轮的抗磨耗能力变强，显著改善了砂轮的使用寿命；造孔剂的加入，使砂轮有足够大的容屑、排屑空间，减少砂轮的嵌入型堵塞；冰晶石可以提高结合剂的粘合力，与铁基结合剂相互作用，有效降低磨削表面温度和氧化程度。

经过多次试验，在进一步的优选方案中，构成砂轮的所述各组分的重量百分比可以为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒41～52％、铁基结合剂30～42％、黄铁粉末2～3.5％、冰晶石粉末2～3.5％、造孔剂粉末2.5～3.8％、碳酸钙粉末1.4～2.5％、镧粉末0.3～0.8％、铬粉末0.8～1.4％、石墨粉末0.3～0.8％、经表面改性处理的碳纳米管0.2～0.4％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.3％、碳化钨粉末2～3.5％。

作为举例，在本实施例中，所述各组分的重量百分比为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒45％、铁基结合剂40％、黄铁粉末2.5％、冰晶石粉末2.5％、造孔剂粉末3％、碳酸钙粉末2％、镧粉末0.5％、铬粉末1％、石墨粉末0.5％、经表面改性处理的碳纳米管0.4％、经表面改性处理的石墨烯0.1％、碳化钨粉末2.5％；此时，砂轮各方面的性能均较好。

经过多次试验发现，所述铁基结合剂中，各组分按重量百分比如下：铁粉末70～80％、钴粉末5～15％、铜粉末5～15％、锡粉末1～5％。

在实际成产过程中，铁基结合剂中各成分的重量百分比可以为：铁粉末73～78％、钴粉末8～12％、铜粉末8～12％、锡粉末2～4％。作为举例，在本实施例所提供的优选方案中，铁基结合剂中各组分的重量百分比可以优先设置为：铁粉末75％、钴粉末10％、铜粉末10％、锡粉末5％。

实施例2

本实施例提供了一种铁基结合剂锆刚玉砂轮的制备方法，包括

采用化学镀镍的方法对锆刚玉颗粒进行处理，获得表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒；

采用芦丁水溶液处理石墨烯，获得经表面改性处理的石墨烯；

采用没食子酸水溶液处理碳纳米管，获得经表面改性处理的碳纳米管；

将所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒、所述经表面改性处理的石墨烯及所述经表面改性处理的碳纳米管与铁粉末、钴粉末、铜粉末、锡粉末、黄铁粉粉末、冰晶石粉末、氢化钛粉末、碳酸钙粉末、镧粉末、铬粉末、石墨粉末、碳化钨粉末进行球磨混料，获得复合粉末；

将所述复合粉末进行真空热压烧结成型，从而获得铁基结合剂锆刚玉砂轮。

本发明所提供的方法，不仅可以获得用于铁路钢轨修磨的铁基结合剂锆刚玉砂轮，而且，原料易得、工艺简单、便于生产，且在成生产过程中不会产生废气、废渣，非常的环保；此外，本方法采用热压烧结成型工艺，有利于在高温时各组分混合均匀，在各组分的相互作用下得到结构均匀致密、结构均一稳定的铁基结合剂锆刚玉砂轮。

在本实施例中，所述复合粉末中，各组分的含量可以在实施例1中获取，即，所述复合粉末中各组分的重量百分比可以为：表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒30～70％、铁粉末70～80％、钴粉末5～15％、铜粉末5～15％、锡粉末1～5％、黄铁粉末1～5％、冰晶石粉末1～5％、造孔剂粉末1～5％、碳酸钙粉末0.5～3％、镧粉末0.1～1.5％、铬粉末0.1～2％、石墨粉末0.1～1％、经表面改性处理的碳纳米管0.1～0.5％、经表面改性处理的石墨烯0.1～0.5％、碳化钨粉末1～5％。

在本实施例所提供的优选方案中，制备所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒的方法可以为；

首先，将锆刚玉颗粒放入敏化液中敏化，敏化完成后依次进行超声清洗、静置以及过滤，并取滤渣进行真空干燥；

然后，将干燥后的锆刚玉颗粒放入到活化液中活化，活化完成后依次进行超声清洗、静置以及过滤，并取滤渣进行真空干燥；

最后，将干燥后的锆刚玉颗粒放入到化学镀液中，并调整化学镀液的温度和ph，对锆刚玉颗粒镀镍，镀镍后依次进行超声清洗、静置以及过滤，并取滤渣进行真空干燥，获得所述表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。

通过实现发现，表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒与未经表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒相比，表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒与基体结合程度明显增强，镀镍以后表面能降低，与铁基体之间的结合能力增加，结合强度增强；当受到外力作用时，良好的结合界面能更有效地起到载荷转移的作用，降低应力集中，减少裂纹和孔隙的产生。

在优选的方案中，所述敏化液的成分可以为：sncl2·2h2o：25～45g/l，hcl：15～65g/l，敏化时间可以为15～55min；活化液的成分可以为：pdcl2：0.05～1.5g/l，活化时间可以为15～55min；化学镀液的成分可以为：niso4·6h2o：15～55g/l，nah2po2·h2o：15～55g/l，na3c6h5o7·2h2o：15～55g/l，nh4cl：25～95g/l，化学镀时间可以为15～55min。

在进一步的优选方案中，敏化液的成分可以为：sncl2·2h2o：25～35g/l，hcl：25～55g/l，敏化时间可以为24～36min；活化液的成分可以为：pdcl2：0.2～0.7g/l，活化时间可以为24～36min；化学镀液的成分可以为：niso4·6h2o：20～40g/l，nah2po2·h2o：18～36g/l，na3c6h5o7·2h2o：18～36g/l，nh4cl：51～58g/l，化学镀时间可以为24～36min；而在本实施例所提供的一种较优的方案中，敏化液的成分为：sncl2·2h2o：31.2g/l，hcl：40/l，敏化时间为30min；活化液的成分为：pdcl2：0.4425g/l，活化时间为30min；化学镀液的成分为：niso4·6h2o：26.3g/l，nah2po2·h2o：21.2g/l，na3c6h5o7·2h2o：23.52g/l，nh4cl：53.5g/l，化学镀时间为30min。

在本实施例中，超声清洗的时间可以为20～60min，真空干燥的温度可以为50℃～90℃，真空干燥的时间可以为5～15min；进一步的，在本实施例中，化学镀液的ph可以为4～6，偏酸性；化学镀液的温度可以优先设置为50～80℃。

在本实施例中所提供的制备方法中，制备所述经表面改性处理的石墨烯的方法为；首先对石墨烯进行等离子体处理，然后将处理后的石墨烯加入到芦丁水溶液中，并进行机械搅拌，最后依次进行超声分散处理、静置以及过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的石墨烯。可选的，在本实施例中所提供的制备方法中，制备所述经表面改性处理的碳纳米管的方法为；先将碳纳米管加入到没食子酸水溶液中，并进行机械搅拌，然后依次进行超声分散处理、静置以及过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的碳纳米管。

在本实施例中，一方面，表面改性处理不会对石墨烯和碳纳米管造成化学损伤，可以保持石墨烯及碳纳米管的完整性。另一方面，经表面改性处理的石墨烯和碳纳米管具有超常的力学性能，石墨烯和碳纳米管与铁基体之间形成较好的界面结合，外界加载力时，应力会通过界面传递至石墨烯和碳纳米管，从而达到增强机体的作用。

作为优选，在制备所述经表面改性处理的石墨烯和所述经表面改性处理的碳纳米管的过程中，超声分散的时间可以为15～65min；所述静置的时间可以为12～48h；所述真空干燥的温度可以为45℃～95℃，所述真空干燥的时间可以为12～36h。

在一种常用的方案中，超声分散的时间可以为20～40min；静置的时间可以为20～30h；真空干燥的温度可以为74℃～86℃，真空干燥的时间可以为20～30h；作为举例，在本实施例中提供的一种较优方案为：所述超声分散的时间为30min；所述静置的时间为24h；所述真空干燥的温度为80℃，所述真空干燥的时间为24h。

在优选的方案中，所述芦丁水溶液由去离子水配制而成，且芦丁水溶液中芦丁的浓度可以为0.001～18μg/ml；较常用的的，芦丁水溶液中芦丁的浓度可以为0.02～0.2μg/ml；作为举例，在本实施例中，芦丁水溶液中芦丁的浓度为0.02μg/ml。

采用芦丁水溶液处理石墨烯时，石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积之比可以为0.05～0.5g:15～65ml。

在一种常用方案中，石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积之比可以为0.05～0.2g:35～55ml；作为举例，在本实施例中，石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积之比设置为0.1g:40ml。

在优选的方案中，所述没食子酸水溶液优先采用去离子水配制而成，且没食子酸水溶液中，没食子酸的浓度为3～18μg/ml为宜。

在一种常用方案中，没食子酸水溶液中没食子酸的浓度可以为5～15μg/ml；作为举例，在本实施例中，所述没食子酸水溶液中，没食子酸的浓度为10μg/ml。

采用没食子酸水溶液处理碳纳米管时，碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比可以为0.05～0.5g:15～65ml。

在更进一步的方案中，碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积之比可以为0.05～0.2g:35～55ml；作为举例，在一种较优的方案中，碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积之比可以优先采用0.1g:40ml。

在本实施例中，所述球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，且球磨转速采用100～400转/min，球磨时间可以为35～160min；在一种常用的方案中，球磨转速可以设置为170～240转/min，球磨时间可以为60～150min；作为举例，在本实施例中，球磨转速为200转/min，球磨时间为120min。

可选的，球磨所采用的介质可以为叔丁醇，且完成球磨后，去除球磨介质所采用的方法可以优先采用冷冻干燥法；冷冻干燥法是现有的常用手段，这里不再赘述。

在发明所提供的制备方法中，在进行真空热压烧结成型的过程中，真空热压烧结的压力可以为：先预压0.5～2h，预压压力为0.5～1.5t，再以0.05～0.15t/min的速度升压至5～15mpa，保压时间为15～30min，同时，真空热压烧结的温度可以为：先以10～30℃/min升温至550～700℃，再以5～15℃/min升温至750～950℃，最后以1～10℃/min的速度升温至850～1100℃，且保温时间可以为1～3h，以便砂轮可以更好的成型。

在进一步的方案中，真空热压烧结的压力可以为：先预压0.8～1.5h，预压压力为0.8～1.3t，再以0.08～0.13t/min的速度将压力提升至10～14mpa，并保压18～24min；同时，真空热压烧结的温度可以为：先以15～25℃/min升温至580～640℃，再以8～13℃/min升温至850～910℃，最后以3～6℃/min的速度升温至960～1050℃，保温时间可以为1.5～2.5h；作为举例，经过多次对比实验所发现的一种更优方案，在压力方面：先预压1h，预压压力为1t(吨)，再以0.1t/min的速度件压力升至12mpa，并保压20min；同时，在温度方面：先以20℃/min的速度将温度升高至600℃，再以10℃/min的速度将温度升高至900℃，最后以5℃/min的速度将温度升至1000℃，并保温2h。

在本实施例所提供的制备工艺中，通过控制各组分的含量，使磨料与填料共同作用，不仅可以有效增强砂轮的强度、刚度，而且在提高磨损量的同时降低了砂轮的磨耗量。

实施例3

根据实施例1所提供的铁基结合剂锆刚玉砂轮，及实施例2中所提供的铁基结合剂锆刚玉砂轮的制备方法，本实施例首先分别进行了6次对照实验和7次对比实验，具体情况如下：

对照实验1：采用未经表面镀覆镍层处理的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒60份、铁基结合剂20份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧(la)粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁基结合剂锆刚玉砂轮1。

对照实验2：采用未经表面镀覆镍层处理的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒58.33份、铁基结合剂25份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧(la)粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁基结合剂锆刚玉砂轮2。

对照实验3：采用未经表面镀覆镍层处理的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒50份、铁基结合剂35份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧(la)粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁基结合剂锆刚玉砂轮3。

对照实验4：采用未经表面镀覆镍层处理的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铁基结合剂40份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧(la)粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁基结合剂锆刚玉砂轮4。

对照实验5：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒50份、铁基结合剂35份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧(la)粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁基结合剂锆刚玉砂轮5。

对照实验6：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铁基结合剂40份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧(la)粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁基结合剂锆刚玉砂轮6。

对比实验1：采用未经表面镀覆镍层处理的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铁基结合剂40份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧(la)粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮1。即，本实验所采用的锆刚玉颗粒未经表面镀覆镍层处理。

对比实验2：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铁基结合剂41份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧(la)粉末0.5份、铬粉末1份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮2。即，本实验中，未添加石墨粉末、石墨烯以及碳纳米管。

对比实验3：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铁基结合剂42.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧(la)粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮3。即，本实验中，未添加黄铁粉。

对比实验4：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铁基结合剂43份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、碳酸钙粉末2份、镧(la)粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮4。即，本实验中，未添加造孔剂(tih2)。

对比实验5：采用未经表面镀覆镍层处理的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铁基结合剂40.5份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮5。即，本实验中，未添加镧(la)。

对比实验6：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、铁基结合剂45.5份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、镧(la)粉末0.5份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮6。即，本实验中，未添加碳酸钙、铬以及碳化钨。

对比实验7：采用表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒。按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将锆刚玉颗粒45份、纯铁粉末40份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、冰晶石粉末(na3alf6)2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、镧(la)粉末0.5份、铬粉末1份、石墨粉末0.5份、经表面改性处理的石墨烯0.1份、经表面改性处理的碳纳米管0.4份、碳化钨粉末2.5份进行球磨混料，转速为200转/min，球磨时间为120min，获得复合粉末。将复合粉末进行真空热压烧结成型，温度为1000℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到砂轮7。即，本实验中，使用纯铁粉代替铁基结合剂。

可见，对照实验4、对照实验6、以及对比实验1-7中，各组分的总重量相同。

本实施例其次进行了以下五项测试及分析：

测试1

采用扫描电子显微镜(sem)分析所制备的表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒，分析其在化学镀后表面变化，及与镍层的结合情况；图1是对照实验6中，采用化学镀镍所获得的表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒的sem图，从图中可见，厚度均匀和均镀能力好是化学镀镍的一大特点，化学镀镍避免了电镀层由于电流分布不均匀而带来的厚度不均匀，镀件部位的镀层厚度都基本相同，盲孔、空隙中也会被化学镀上镍层。从图1中可以发现，经过化学镀镍后的锆刚玉颗粒平整，由于表面镀镍的效果，颗粒表面紧致，孔隙也全部被镍层覆盖，使材料可以与铁基结合剂更好的结合，而且化学镀的镍层厚度基本相同，颗粒表面较为平整，可以有效增强与铁基结合剂的结合能力。

图2是对照实验6中，采用化学镀镍所获得的表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒的扫描电镜图和能谱图；图中点1、2、3清晰的展示了经过表面镀覆镍层的锆刚玉颗粒的表面元素分布情况；从能谱图中可以看出，2处的镍含量几乎为0，且al和zr的元素含量与未镀镍的锆刚玉样品含量一致，说明2处是镀镍层的破缺，但从图中可以看出化学镀的镍层厚度基本相同。

测试2

采用数控磨床测量了上述对照实验1～6和对比实验1～7所制备的砂轮的钢棒磨损量、砂轮磨耗量、摩擦因数、表面粗糙度，如表1所示。

表1对照实验1～6和对比实验1～7的实验结果

其中，对照实验1和对照实验2中的铁基结合剂锆刚玉砂轮1和铁基结合剂锆刚玉砂轮2(即样品)均未成形，故无后续的实验数据。

由表1的结果可知，对照实验1和对照实验2中，当铁基结合剂的含量过低时，样品开裂，那是因为当铁基结合剂含量低时，铁基结合剂不能与锆刚玉磨料形成良好的结合界面，使砂轮开裂，无法成形。

比较对照实验3～4可以发现，当未进行化学镀镍的锆刚玉的含量减小，铁基结合剂含量增多时，钢棒的磨损量和砂轮的摩擦因数都减小，这是因为当铁基结合剂含量增加时，与锆刚玉颗粒结合强度提升，导致结合剂对锆刚玉颗粒的包覆性增加，减少了锆刚玉磨粒与钢棒的接触面积，导致钢棒的磨损量减少，摩擦因数和砂轮磨耗量也相应的降低。

比较对照实验5～6中实验测试结果可以发现，钢棒磨损量、砂轮磨耗量、砂轮的摩擦因数都降低，原因是过量的铁基结合剂导致结合剂对锆刚玉颗粒的包覆作用过强，导致磨削时锆刚玉颗粒未完全与钢棒表面接触，使砂轮的铁基体与钢棒接触，导致钢棒磨损量、砂轮磨耗量、砂轮的摩擦因数都降低。

对照实验3～4与对照实验5～6相比证明了化学镀镍后的锆刚玉颗粒摩擦因数升高，表面粗糙度降低，这是因为经过化学镀后的锆刚玉与铁基结合剂结合能力强，导致其界面致密度优于其他对照实验，导致摩擦因数升高，可以有效增加砂轮的磨削性能。

对比实验1～7中缺少合金元素，故所制备的铁基结合剂锆刚玉砂轮强度较低、磨损量较大、表面较粗糙，性能较差。

测试3

图3、图4分别为对照实验5和对照实验6的钢棒表面磨损面的sem图。从图中可以观察到，对照实验5中钢棒磨损面毛刺较多，钢棒表面粗糙；对照实验6钢棒表面较为平整，毛刺量较少，磨损程度较轻。这是因为当铁基结合剂的含量增多时，经化学镀镍的锆刚玉颗粒与铁基结合剂相互作用更加充分，铁基结合剂对锆刚玉颗粒的包覆能力提升，使砂轮在磨削过程中锆刚玉颗粒不容易脱落，使砂轮的表面粗糙程度降低。

测试4

图5为对照实验5和对照实验6的钢棒表面形貌扫描及能谱结果图；由能谱结果可知，图中点1处钢棒表面出现炭化，原因是在摩擦实验过程中，磨损面过热导致钢棒内部碳向外扩散，其余点2～6处材料能谱结果显示材料成分无较大差别。

测试5

图6为对照实验5和对照实验6所制备的砂轮表面粗糙度的模拟图(即砂轮磨损实验结果分析图)，从图中可以看出，对照实验5的砂轮表面结构较为均匀，这是因为当锆刚玉颗粒含量较多时，经化学镀镍的锆刚玉颗粒与铁基结合剂加入比例适中，二者之间的交互界面结合的能力提升，在磨削过程中磨粒不容易脱落，导致磨样的磨损率降低，砂轮的表面粗糙程度降低。随着锆刚玉颗粒含量增加，锆刚玉颗粒比重增加，与铁基结合剂混合不均匀，导致砂轮的表面粗糙度增加。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。