本发明涉及砂轮制造领域，尤其涉及一种铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮及其制备方法。
背景技术：
砂轮因其优异的机械性能而被广泛应用于切削刀具。现阶段砂轮基体常选用al、cu或fe等金属，制作的砂轮结合强度高、成形性好、研磨性强，加工时可承受较大负荷。其中，cu基砂轮由于其成本低，电学、热学、力学性能优异，在制备砂轮领域得到了广泛的应用。以zta、tic、wc、tib2等陶瓷相为增强相的铜基砂轮比纯金属有显著的优势。以金刚砂为增强相的砂轮材料同时具有金属材料优良的韧性，又具有陶瓷材料优异的耐磨性和化学稳定性而广泛应用。金刚砂在受到应力时会发生相变而改变体积，消耗裂纹扩展的能量，从而提高砂轮的韧性。因此金刚砂是制备砂轮的理想材料。
由于金刚砂为极性材料，不易与金属进行结合，这限制了金刚砂与金属之间的结合能力。为了改善这种情况，需要对金刚砂进行表面处理，常见的材料表面处理方式有喷涂、化学镀、化学气相沉积(cvd)、离子束溅射沉积等。研究表明，化学镀是提高金刚砂与金属之间结合能力的有效办法。化学镀镍可以有效地控制镀层厚度，因此被广泛用于陶瓷材料表面改性。研究表明ni涂覆金刚砂颗粒在高温下可以与cu基体润湿，在有液相存在的情况下ni原子不断扩散到cu基体中，金属液体通过毛细力渗透到陶瓷表面的韧窝和孔隙中，形成致密的结构层，提高界面结合强度。考虑到cu与ni可以形成固溶体，因此，化学镀镍有望成为改善金刚砂与cu之间湿润性的方法。除了改善界面的润湿性外，合适的烧结工艺也能提高金刚砂与cu的界面结合能力。在制备铜基砂轮的方法中，粉末冶金以制备的砂轮密度高，成本低等优势成为首选。
冰晶石熔点较低，可降低磨削热，增强砂轮自锐性，防止砂轮堵塞，提高砂轮强度；黄铁粉可以提高磨削效果；石墨、石墨烯、碳纳米管由于具有特殊结构，将其作为增强相加入到砂轮材料中可以提高砂轮的摩擦磨损性能；碳酸钙粉末、铬粉末、碳化钨粉末等强碳化物形成元素添加剂，不仅可以提高砂轮的硬度，还可以提高铜基结合剂对金刚砂的把持能力。目前，部分学者开始研究增强相对砂轮强度的影响，发现采用合理的成分配比和制备方法可以制备得到兼具不同增强相优点，综合性能优异的新型砂轮。这为砂轮的设计和制备提供了新的思路，但仍存在许多问题急需解决。
技术实现要素：
本发明的目的之一，在于提供一种铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
该金刚砂增强铜基砂轮由经过表面镀覆镍层的金刚砂颗粒与铜粉末、锡粉末、镍粉末、锌粉末、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。其中经过表面镀覆镍层的金刚砂颗粒是将金刚砂颗粒进行化学镀镍处理，镍层均匀的结合在金刚砂颗粒表面，杂质含量低，与铜基体之间的润湿性得到改善。经表面改性处理的石墨烯和碳纳米管分散性好，杂质含量低，且保持了完整的长径比和层片比，显著提高了铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料的摩擦磨损性能，同时使砂轮具有优异的强度和耐冲击性。该金刚砂增强铜基砂轮中各组分的性能产生协同增强的作用，显著提高了铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮的强度、耐摩擦磨损性能。采用热压烧结方法可以增加砂轮的致密度，降低了金刚砂增强铜基砂轮的孔隙率。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明所述铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮，按质量百分比包括如下组分：经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒总量40-70％、铜基结合剂20-40％、黄铁粉(fes2)粉末1-5％、冰晶石粉末(na3alf6)1-5％、造孔剂(tih2)粉末1-5％、碳酸钙粉末0.5-5％、稀土元素la粉末0.1-3％、铬粉末0.1-3％、石墨粉末0.1-2％、经表面改性处理的石墨烯0.1-2％、经表面改性处理的碳纳米管0.1-2％、碳化钨粉末1-5％。
其中经过表面镀覆镍层的金刚砂颗粒是将金刚砂颗粒进行化学镀镍处理，经过表面改性处理的石墨烯是将石墨烯采用芦丁水溶液改性得到的石墨烯，经过表面改性处理的碳纳米管是将碳纳米管采用没食子酸水溶液改性得到的碳纳米管。
申请人经多次实验发现，当铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料中各组分的重量百分比含量为经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒总量40-70％、铜基结合剂20-40％、黄铁粉(fes2)粉末1-5％、冰晶石粉末(na3alf6)1-5％、造孔剂(tih2)粉末1-5％、碳酸钙粉末0.5-5％、稀土元素la粉末0.1-3％、铬粉末0.1-3％、石墨粉末0.1-2％、经表面改性处理的石墨烯0.1-2％、经表面改性处理的碳纳米管0.1-2％、碳化钨粉末1-5％时，各组分的性能可产生共增强的作用，金刚砂颗粒与基体之间可以有效的结合在一起，增强效果显著提高，增强砂轮的强度和服役寿命。铜合金结合剂是铜粉、锡粉、镍粉和锌粉按照一定比例混合制成的，显著提高了与表面镀镍处理的金刚砂颗粒的结合能力。石墨、经过表面改性处理的石墨烯和碳纳米管由于具有特殊的结构，可以显著提升砂轮的耐磨性，同时c元素可以扩散到基体中，起到固溶强化的作用。黄铁粉、碳化钨、碳酸钙、铬粉末等强碳化物形成元素填料，提高了砂轮的强度和硬度，显著提高了铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮的耐磨性。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，起到补强作用，有效降低磨削表面温度和氧化程度。镧元素的加入，可以改善金刚砂颗粒与铜基体的界面结合能力，提高结合剂对金刚砂颗粒的把持力。
优选地，所述铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料按重量百分比包括如下组分：经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒总量42-50％、铜基结合剂30-38％、黄铁粉(fes2)粉末2-3.5％、冰晶石粉末(na3alf6)2-3.5％、造孔剂(tih2)粉末2.5-4％、碳酸钙粉末1-2.5％、稀土元素la粉末0.3-1％、铬粉末0.8-1.5％、石墨粉末0.3-0.8％、经表面改性处理的石墨烯0.1-0.3％、经表面改性处理的碳纳米管0.2-0.4％、碳化钨粉末2-3.5％。
进一步，最佳所述铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮按重量百分比包括如下组分：所述金刚砂增强铜基砂轮材料按重量百分比包括如下组分：经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒总量45％、铜基结合剂40％、黄铁粉(fes2)粉末2.5％、冰晶石粉末(na3alf6)2.5％、造孔剂(tih2)粉末3％、碳酸钙粉末2％、稀土元素la粉末0.5％、铬粉末1％、石墨粉末0.5％、经表面改性处理的石墨烯0.1％、经表面改性处理的碳纳米管0.4％、碳化钨粉末2.5％。
优选地，所述铜基结合剂按重量百分比包括如下组分：铜粉末80-95％、锡粉末5-10％、镍粉末3-8％、锌粉末1-5％。
进一步，所述铜基结合剂按重量百分比包括如下组分：铜粉末83-92％、锡粉末6-8％、镍粉末4-6％、锌粉末3-4.5％。
进一步，所述铜基结合剂按重量百分比包括如下组分：铜粉末85％、锡粉末6％、镍粉末5％、锌粉末4％。
优选地，所述敏化液成分为：sncl2·2h2o：20-40g/l，hcl：20-40g/l，敏化时间为10-50min；所述活化液成分为：pdcl2：0.1-1g/l，活化时间为10-50min；所述化学镀液成分为：niso4·6h2o：10-50g/l，nah2po2·h2o：10-50g/l，na3c6h5o7·2h2o：10-50g/l，nh4cl：30-90g/l，化学镀时间为10-50min，化学镀ph为4.5-6，化学镀温度为60-100℃。
进一步，所述敏化液成分为：sncl2·2h2o：25-35g/l，hcl：30-50g/l，敏化时间为20-40min；所述活化液成分为：pdcl2：0.2-0.7g/l，活化时间为20-40min；所述化学镀液成分为：niso4·6h2o：20-40g/l，nah2po2·h2o：20-40g/l，na3c6h5o7·2h2o：20-40g/l，nh4cl：50-60g/l，化学镀时间为20-40min，化学镀ph为5-6，化学镀温度为60-90℃
进一步，所述敏化液成分为：sncl2·2h2o：31.2g/l，hcl：40/l，敏化时间为30min；所述活化液成分为：pdcl2：0.4425g/l，活化时间为30min；所述化学镀液成分为：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，化学镀ph为5.5，化学镀温度为80℃。
优选地，所述芦丁水溶液由去离子水配制，芦丁水溶液中芦丁的浓度为0.001-18μg/ml。
进一步，所述芦丁水溶液的浓度为0.02-0.2μg/ml，最优选地，所述芦丁水溶液的浓度为0.02μg/ml。
优选地，所述没食子酸水溶液由去离子水配制，没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为3-18μg/ml。
进一步，所述没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为5-15μg/ml。最优选地，所述没食子酸水溶液的浓度为10μg/ml。
优选地，所述经表面改性处理的石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积比为0.05-0.5g：20-60ml，优选0.05-0.2g：30-50ml。
进一步，最佳优选，所述经表面改性处理的石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积比为0.1g：40ml。
优选地，所述经表面改性处理的碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.05-0.5g:20-60ml，优选0.08-0.2g:30-50ml。
最佳优选，所述经表面改性处理的碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.1g：40ml。
优选地，所述超声分散的时间为20-60min；所述静置的时间为12-48h；所述真空干燥的温度为50℃-90℃，所述真空干燥的时间为1-4h。
进一步，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70℃-85℃，所述真空干燥的时间为1-4h。
进一步，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2h。
本发明的目的之二，在于提供上述铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将金刚砂颗粒加入到化学池中进行化学镀镍，随后进行超声分散处理，静置，过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)将石墨烯加入到芦丁水溶液中，进行机械搅拌，随后进行超声分散处理，静置，过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的石墨烯；(3)将碳纳米管加入到没食子酸水溶液中，进行机械搅拌，随后进行超声分散处理，静置，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；(4)将经过表面镀覆镍层的金刚砂颗粒与将经过表面镀覆镍层的金刚砂颗粒与铜粉末、锡粉末、镍粉末、锌粉末、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进行球磨混料，得到复合粉末；(5)将复合粉末进行真空热压烧结成型，得到块体铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
优选地，所述步骤(4)中球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，球磨转速为100-350转/min，球磨时间为40-150min。
进一步，所述步骤(4)中球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，球磨转速为170-240转/min，球磨时间为60-150min。
进一步，所述步骤(4)中球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，球磨转速为200转/min，球磨时间为120min。
球磨时，加入叔丁醇溶液作为混料介质，球磨后采用常规的冷冻干燥法去除球磨介质叔丁醇，这属于现有技术。
优选地，所述步骤(5)中真空热压烧结的温度为先以10-30℃/min升温至550-700℃，在以5-15℃/min升温至750-900℃，最后以1-10℃/min的速度升温至850-1000℃，保温时间1-3h；真空热压烧结步骤为先预压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。
进一步，所述步骤(5)中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775-840℃，最后以3-6℃/min的速度升温至880-940℃，保温时间1.5-2.5h；真空热压烧结步骤为先预压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。
进一步，所述步骤(5)中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800℃，最后以5℃/min的速度升温至900℃，保温时间2h；真空热压烧结步骤为为先预压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。
在以往的研究中，发明人曾采用氧化锆增韧氧化铝(zta)材料作为磨料来制备砂轮。经后期实验发现，使用zta作为磨料有一些缺点：1、zta磨料的倒角较为平缓，在磨削过程中不易形成切削刃，磨削效果较差；2、由于zta材料相对硬度较大，因此在磨削过程中不易破碎，在磨削过程中容易整体剥落下来，残留在摩擦副中间继续磨削，使加工表面出现较长的犁沟，对磨削表面的粗糙度有较大的影响；3、使用zta作为磨料制备的砂轮，其表面粗糙度较低，砂轮的磨削性能较差。
本申请使用金刚砂作为砂轮的磨料，其优点在于：1、金刚砂磨料的倒角尖锐，在磨削过程中可以形成切削刃而增加磨削性能；2、硬度较zta材料有所降低；在磨削过程中可以更充分的破碎，破损后的金刚砂颗粒与基体之间相对持平，磨削表面的表面粗糙度大大降低；3、相比于zta，金刚砂材料不易剥落，因此砂轮的磨削比较高，砂轮与工件构成的摩擦副之间的摩擦系数也有小幅度的提升，制备的砂轮磨削能力更好。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)、本发明所述铜基复合材料中，对金刚砂颗粒进行表面改性处理，经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒与未经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒相比，金刚砂与铜基体之间的结合紧密，二者之间未出现明显的气孔，这是因为表面镀镍后的金刚砂颗粒与铜基体表面的湿润角减少，因此其润湿效果较好。当受到外力作用时，金刚砂颗粒可以转移载荷，降低应力集中。铜基体还可以发生塑性变形，减少缺陷的产生。经表面改性处理的石墨烯和经表面改性处理的碳纳米管分散性好，杂质含量低，且保持了完整的长径比，与石墨粉末发挥共增强作用，显著提高了铜基复合材料的摩擦磨损性能，同时还具有优异的强度和耐冲击性。
(2)、本发明所述铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮由经过表面镀覆镍层的金刚砂颗粒、铜粉末、锡粉末、镍粉末、锌粉末、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；同时控制各组分的重量百分比含量，优化各成分配比，显著提高了铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮的强度、耐冲击性和耐摩擦磨损等性能，降低了其磨耗量。
(3)、本发明所述铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮采用热压烧结成型工艺，因此该铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮在烧结过程中受到较大的压力，得到的铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮结构均匀致密，孔隙率低，致密度高，因此砂轮的力学性能优良；
(4)、本发明方法不产生废气、废渣等污染物，工艺简单，易于生产。
附图说明
图1是本发明实施例4中球磨后粉末的sem图；
图2是本发明实施例5钢棒表面磨损面的sem图；
图3是本发明实施例6钢棒表面磨损面的sem图；
图4是本发明实施例5的砂轮在磨削过程中的热成像图；
图5是本发明实施例6的砂轮在磨削过程中的热成像图；
图6是实施例5中砂轮磨削过后钢棒表面的白光干涉衍射图；
图7是实施例6中砂轮磨削过后钢棒表面的白光干涉衍射图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
下述实施例和对比例中，
表面镀覆镍层的金刚砂颗粒的制备方法为：将金刚砂颗粒放入化学镀敏化液中敏化，敏化完成后对金刚砂进行超声清洗，过滤，取过滤后的金刚砂颗粒进行真空干燥；将干燥后的金刚砂颗粒放入到活化液中活化，活化完成后对样品进行超声清洗，过滤，然后进行真空干燥；将干燥后的金刚砂颗粒放入到化学镀液中，调整化学镀液的温度和ph，镀镍后对样品进行超声清洗，过滤，将过滤后的金刚砂进行真空干燥，即得到表面镀镍处理的金刚砂颗粒；
其中，所述敏化液成分为：sncl2·2h2o：31.2g/l，hcl：40/l，敏化时间为30min；所述活化液成分为：pdcl2：0.4425g/l，活化时间为30min；所述化学镀液成分为：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，化学镀ph为5.5，化学镀温度为80℃。
经表面改性处理的石墨烯的制备方法为：经表面改性处理的石墨烯的制备方法为：将石墨烯加入到浓度为0.02μg/ml的芦丁水溶液中，所述石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积比为0.1g：40ml，然后超声分散30min，静置2.5h，过滤，取滤渣进行真空干燥，干燥温度80℃，干燥时间2h，即得；
经表面改性处理的碳纳米管的制备方法为：将碳纳米管加入到浓度为10μg/ml的没食子酸水溶液中，所述碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.1g：40ml，然后超声分散30min，静置2.5h，过滤，取滤渣进行真空干燥，干燥温度80℃，干燥时间2h，即得；
铜基结合剂，其组成按重量百分比计：铜粉末85％、锡粉末6％、镍粉末5％、锌粉末4％，将其混合均匀即得。
其余原材料均为市购。
本发明中的“份”数，除非特别说明，均是指“重量份”。
下述实施例中，真空热压烧结流程为：的温度为先以20℃/min升温至600℃，再以10℃/min升温至800℃，最后以5℃/min的速度升温至900℃，保温时间2h；真空热压烧结步骤为为先预压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。
实施例1
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料
(1)取未经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将未表面镀覆镍层的金刚砂颗粒60份、铜基结合剂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、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
实施例2
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料
(1)取未经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将未表面镀覆镍层的金刚砂颗粒55份、铜基结合剂30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、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
实施例3
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料
(1)取未经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将未表面镀覆镍层的金刚砂颗粒50份、铜基结合剂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、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
实施例4
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料
(1)取未经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将未表面镀覆镍层的金刚砂颗粒45份、铜基结合剂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、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
实施例5
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料
(1)取经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将表面镀覆镍层的金刚砂颗粒50份、铜基结合剂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、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
实施例6
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料
(1)取经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将表面镀覆镍层的金刚砂颗粒45份、铜基结合剂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、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
对比例1
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料(未使用冰晶石)
(1)取未经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将表面未改性处理的金刚砂颗粒45份、铜基结合剂42.5份、黄铁粉(fes2)粉末2.5份、造孔剂(tih2)粉末3份、碳酸钙粉末2份、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
对比例2
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料(未使用石墨、石墨烯和碳纳米管)
(1)取经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将表面镀覆镍层的金刚砂颗粒45份、铜基结合剂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、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
对比例3
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料(未使用黄铁粉)
(1)取经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将表面镀覆镍层的金刚砂颗粒45份、铜基结合剂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、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
对比例4
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料(未使用造孔剂)
(1)取经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将表面镀覆镍层的金刚砂颗粒45份、铜基结合剂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、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
对比例5
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料(未使用镧)
(1)取经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将表面镀覆镍层的金刚砂颗粒45份、铜基结合剂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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
对比例6
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料(未使用碳酸钙、铬、碳化钨)
(1)取经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将表面镀覆镍层的金刚砂颗粒45份、铜基结合剂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、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温保压时间为2h，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
对比例7
铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮材料(铜基结合剂使用纯铜粉)
(1)取经表面镀覆镍层的金刚砂颗粒；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将表面镀覆镍层的金刚砂颗粒45份、纯铜粉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、稀土元素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；(3)将复合粉末进行真空热压烧结成型，烧结温度为900℃，压力为12mpa，保温时间为2h，保压时间为20min，得到铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
测试1
采用扫描电子显微镜(sem)分析实施例制备的砂轮粉体，图1是实施例4中的球磨后粉末的扫描电镜图。图1中显示经过球磨后的金属粉末经过玛瑙球挤压变形形成团簇，球磨可以使各组元之间达到原子间结合。有研究表明，随着转速越快，球磨时间越长，铜颗粒尺寸越小，增强相分布得越均匀，各组元之间结合能力更强。同时，破碎的铜颗粒在机械球磨过程中发生冷焊现象。最终经过球磨过后金刚砂颗粒表面会有铜基结合剂粘附，促进了金刚砂与cu基体之间的结合。eds能谱结果显示，团簇粉末的主要成分为cu，另外还有少量的c和si元素，其他合金元素由于添加的量低于检测阈值，因此未找到衍射峰。
测试2
采用数控磨床ca6150对砂轮的磨削性能进行测试。测试方法为将砂轮固定在一端的夹具上，将钢棒夹在磨床另一端，以700r/min的速度旋转，施加500n的法向压力将钢棒一侧与砂轮接触进行磨削试验。测量了上述实施例1-6和对比例1-7的钢棒磨损量、砂轮磨耗量、摩擦系数、表面粗糙度；采用显微维氏硬度计(hvs-30)测试了砂轮基体的显微维氏硬度，测试力为0.1kg；
采用阿基米德排水法测试了砂轮的致密度，即将圆片试样置于70℃烘箱中干燥24h后，于分析天平上称量试件室温下的干重(w1)，精确到0.001g。然后将试件放入沸水中煮沸2h，当冷却到室温后，称量饱和试件在水中的浮重(w2)。然后将其从水中取出，用饱含水的多层纱布将试件表面多余的水分轻轻擦掉后，迅速称量饱和试件在空气中的湿重(w3)，实验重复3次取均值。计算烧结体的实际密度(d)和相对密度(d)，d＝(w1×wdt)/(w3-w2)，d＝d/d0×100％。wdt为水在室温下的密度，取0.9982g/cm3(20℃)。d0为理论密度；
结果如表1所示。
表1实施例1-6和对比例1-7的实验结果
注：实施例1样品未成形。
由表1结果可知，实施例1中，当结合剂含量过低时，样品不成型，那是因为当铜基结合剂含量低时，铜基结合剂对金刚砂磨料的把持能力会大大减弱，使砂轮最终不能成型。对比实施例2-4可以发现，使用未化学镀的金刚砂时，当金刚砂含量减小，铜基结合剂含量增多时，砂轮的磨耗量减少，砂轮的摩擦因数提高，钢棒磨损量增加，这是因为当结合剂含量增多时，结合剂对金刚砂颗粒的把持力增加，金刚砂颗粒与铜基结合剂的粘结能力提升，使材料的强度和刚度提升。对比实施例5-6结果可以发现，经化学镀的金刚砂磨料与铜基结合剂的结合强度、包覆能力、与磨料的磨耗率相匹配，砂轮工作过程中砂轮的磨面被磨平后，金刚砂磨料破碎或及时从铜基基体表面脱落，形成新的切削刃，保持了连续高效的磨削能力。同时从表一中可以看出，实施例5-6磨耗率较低，砂轮耐磨性较好，磨削高效且具有较长时间的服役寿命；实施例2-4与实施例5-6相比证明了化学镀镍后的金刚砂颗粒摩擦因数升高，这是因为经过化学镀后的金刚砂与铜基结合剂结合能力强，导致其界面致密度优于其他实施例，导致摩擦因数升高，增加砂轮的磨削性能。因为采用的是相同的原材料和制备工艺，因此各实施例的硬度并无明显的差异。对比例6-7中由于未添加铬、碳酸钙和碳化钨等强碳化物元素和固溶强化元素，这些强化元素无法对基体进行有效的补强，因此对比例6-7中砂轮基体的硬度较低，因此对比例6-7中砂轮的磨耗量较高；由于未添加造孔剂，对比例4中砂轮的致密度较高，不利于砂轮的排屑。对比例1-7中缺少合金元素和石墨等原材料，因此制备的铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮强度较低，磨损量较大，表面较粗糙。
测试3
图2、图3分别为实施例5和实施例6的钢棒表面磨损面的sem图片。图中可以观察到实施例5中钢棒表面剪切情况较为严重，钢棒表面毛刺较多。实施例6样品表面较为平整，毛刺量较少，磨损程度较轻。这是因为当铜基结合剂含量增多时时，经化学镀镍的金刚砂颗粒与铜基结合剂相互作用更加充分，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，砂轮自锐性强，对钢棒的磨损量增加。
测试4
图4、图5为实施例5和实施例6的砂轮在磨削过程中的热成像图。从图中可以看出，当结合剂含量增多时，砂轮磨削过程中产生的热量较高。这是因为当结合剂含量高时，结合剂对金刚砂的包覆效果更好，砂轮与钢棒之间的接触面积增加，因此产生的磨削热较多，产生较宽的磨削痕迹。这也与测试3中的测试结果相对应。
测试5
图6、图7为实施例5和实施例6的砂轮磨削后的钢棒表面的白光干涉衍射图。从图中可以看到实施例5中的钢棒表面有较深的犁沟产生，钢棒表面粗糙度较高。实施例6中的钢棒表面富有层次性，整体相对平坦，钢棒表面的粗糙度较低。这是因为当结合剂含量高时，结合剂对金刚砂的包覆效果更好，砂轮与钢棒之间的接触面积增加，因此产生的磨削痕的面积也较大，钢棒表面也较为平整。
1.一种铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮，其特征在于，包括如下按质量百分比计的组分：经表面镀镍的金刚砂颗粒40-70％、铜基结合剂20-40％、黄铁粉粉末1-5％、冰晶石粉末1-5％、造孔剂粉末1-5％、碳酸钙粉末0.5-5％、稀土元素la粉末0.1-3％、铬粉末0.1-3％、石墨粉末0.1-2％、经表面改性处理的碳纳米管0.1-2％、经表面改性处理的石墨烯0.1-2％、碳化钨粉末1-5％。
2.根据权利要求1所述的铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮，其特征在于，包括如下按质量百分比计的组分：经表面镀镍的金刚砂颗粒45％、铜基结合剂40％、黄铁粉粉末2.5％、冰晶石粉末2.5％、造孔剂粉末3％、碳酸钙粉末2％、稀土元素la粉末0.5％、铬粉末1％、石墨粉末0.5％、经表面改性处理的石墨烯0.1％、经表面改性处理的碳纳米管0.4％、碳化钨粉末2.5％。
3.根据权利要求1所述的铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮，其特征在于，所述经表面镀镍的金刚砂颗粒是将金刚砂颗粒进行化学镀镍处理；所述经表面改性处理的石墨烯是将石墨烯采用芦丁水溶液改性得到的石墨烯；所述经表面改性处理的碳纳米管是将碳纳米管采用没食子酸水溶液改性得到的碳纳米管。
4.根据权利要求3所述的铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮，其特征在于，所述表面改性处理的碳纳米管的方法为：将碳纳米管加入到没食子酸水溶液中，进行机械搅拌，随后进行超声分散处理，静置，过滤然后进行真空干燥，获得经表面改性处理的碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮，其特征在于，所述铜基结合剂按重量百分比包括如下组分：铜粉末80-95％、锡粉末5-10％、镍粉末3-8％、锌粉末1-5％。
6.权利要求1-5任意一项所述的铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮的制备方法，其特征在于：将所述组分进行球磨混料，得到复合粉末，然后将复合粉末进行真空热压烧结成型，得到块体铁路钢轨修磨专用铜基结合剂金刚砂砂轮。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结的温度程序为：先以10-40℃/min升温至500-700℃，在以5-20℃/min升温至700-900℃，最后以1-10℃/min的速度升温至800-1000℃，保温时间1-3h；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0.01-0.15t/min的速度升压至5-20mpa，保压时间为10-30min。
技术总结