CN101434827B - 一种含陶瓷颗粒的磨料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种含陶瓷颗粒的磨料及其制备方法和应用，涉及一种磨料。包括陶瓷颗粒和磨料结合剂，陶瓷颗粒包括超硬材料和陶瓷结合剂。将陶瓷粉与超硬材料烧结体破碎，经目筛得陶瓷颗粒，再与构成磨料结合剂的超硬材料和金属结合剂或树脂结合剂混合均匀，得含陶瓷颗粒的磨料；或将陶瓷粉与超硬材料烧结体破碎，经目筛得陶瓷颗粒，将超硬材料与金属结合剂或树脂结合剂混合均匀，得磨料结合剂，将陶瓷颗粒与磨料结合剂混合均匀，得含陶瓷颗粒的磨料。含陶瓷颗粒的磨料可用于制备超硬工具。制成的超硬工具具有更广泛的用途，可在干性环境及高温环境中使用，克服了在高温下易塑性变形而影响工具使用性能及造成工具使用时排屑困难、工具锋利度降低等缺点。

Description

一种含陶瓷颗粒的磨料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种磨料，尤其是涉及一种可用于制作超硬工具的含陶瓷颗粒的超硬磨料及其制备方法和应用。

背景技术

超硬材料包括金刚石、立方氮化硼、金刚石聚晶、立方氮化硼聚晶等。当采用超硬材料制作超硬工具时，除了直接单颗镶嵌形成工具使用外，大部分是以超硬材料为原材料，通过金属、树脂、陶瓷结合剂与超硬材料结合在一起成为各种形状的超硬工具。超硬工具可用于加工石材、玻璃等非金属脆性材料和金属合金材料等。

现有的石材加工领域，大多使用的是金刚石工具。这些工具大都是采用金属、树脂、陶瓷结合剂与超硬材料结合在一起，通过模具制造成各种形状。其中采用金属结合剂的金刚石工具和采用树脂结合剂的金刚石工具最为常见。少量也有采用陶瓷结合剂的金刚石工具。其中金属结合剂类主要用于粗加工，树脂结合剂类主要用于精加工，陶瓷结合剂类主要用于耐热干性加工。

以上这些不同类型结合剂都具有各自的优点及缺点。例如树脂结合剂利于精磨抛光但使用寿命短，不耐高温；而金属结合剂使用寿命较长，陶瓷结合剂则耐热性最好。

现有市场上的产品已有添加不规则形状金属颗粒(金属颗粒本身含有金刚石)于树脂结合剂金刚磨片中，增加了磨片的使用寿命及锋利度。

但是在某些加工环境，特别是干性磨削切割环境，金属导热性强，容易将热量迅速传导给树脂，使树脂过热，甚至碳化，从而使胎体粘结力下降，在金属颗粒与树脂结合面易形成焦边，从而使金属颗粒脱落，造成工具报废。另一方面，金属在干性高温磨削切割环境，表面易塑性变形，直接影响到工具的锋利度。例如在石材磨光时，现有一种树磨脂光片中，添加有金属细颗粒(含金刚石)，在湿磨时效果很好，但在干磨时效果就较差。

公告号为CN1455807的发明专利提供一种用作磨料的细小单晶金刚石颗粒松散物质，其从普通静态超高压方法的粗晶产品中制备得到。该新的颗粒磨料能改善切削加工速度(单位时间的切削量)和工作面的粗糙度。该发明同时也提供了一种制备该金刚石磨料的有效方法。该发明的金刚石颗粒，其平均粒度D50值大于5μm但不超过40μm，热处理对其晶体结构或综合性质有明显的影响。该颗粒表面还沉积有非金刚石碳，相对于整个金刚石的重量，其含量为0.5wt％或更高。为使金刚石颗粒的表面转化为非金刚石碳，该金刚石颗粒可以通过在600℃和非氧化氛围下加热处理具有上述粒度D50的金刚石颗粒有效地获得。

公开号为CN1551926的发明专利申请提供一种由涂敷的金刚石颗粒和基质材料形成的磨料金刚石复合材料。金刚石具有由组成为MC_xN_y的耐火材料形成的保护涂层，其防止基质材料产生的对金刚石的腐蚀性化学侵蚀。磨料金刚石复合材料还可以包含一种渗透剂如铜焊料材料。另外，磨料金刚石复合材料可以包括许多涂敷的金刚石颗粒和铜焊料材料，铜焊料材料填充涂敷的金刚石颗粒之间的间隙。还公开了制备这样的磨料金刚石复合材料的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种锋利耐用、可适用于湿磨和干磨的含陶瓷颗粒的磨料及其制备方法和应用。

本发明所述的含陶瓷颗粒的磨料包括陶瓷颗粒和磨料结合剂，按质量百分比，陶瓷颗粒为3％～97％，磨料结合剂为97％～3％。

陶瓷颗粒包括超硬材料和陶瓷结合剂，按质量百分比，超硬材料为1％～80％，陶瓷结合剂为99％～20％。

磨料结合剂包括超硬材料和金属结合剂，或超硬材料和树脂结合剂；按质量百分比，超硬材料为0.3％～80％，金属结合剂为99.7％～20％；或超硬材料为0.3％～95％，树脂结合剂为99.7％～5％。

所述陶瓷颗粒中所包括的超硬材料可采用金刚石、金刚石聚晶、立方氮化硼、立方氮化硼聚晶或其它超硬材料等，所述陶瓷颗粒中所包括的陶瓷结合剂可采用陶瓷粉等。所述陶瓷颗粒的形状可为不规则的几何体，也可为圆锥体、棱形体等规则的几何体，陶瓷颗粒的粒径最好为0.1～200mm。

所述磨料结合剂中所包括的超硬材料可为金刚石、金刚石聚晶、立方氮化硼、立方氮化硼聚晶或其它超硬材料等。所述金属结合剂可以是铁、铜、镍、钴、锡等中的至少一种金属结合剂，或是电镀镍镶嵌的金属结合剂。所述树脂结合剂可以是酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺或其它热固性树脂结合剂。采用树脂结合剂时最好加入补强剂，补强剂可以是氧化锌、二氧化硅、氧化镁、氧化钛、碳酸钙等，补强剂加入的质量最好占树脂结合剂的10％～50％。

本发明所述的含陶瓷颗粒的磨料的制备方法之一包括以下步骤：

1)陶瓷颗粒的制备

将陶瓷粉与超硬材料烧结体进行破碎，经目筛选择得陶瓷颗粒，待用；

2)含陶瓷颗粒的磨料的制备

将步骤1)所得的陶瓷颗粒与构成磨料结合剂的超硬材料和金属结合剂混合均匀，或是与构成磨料结合剂的超硬材料和树脂结合剂混合均匀，得目的产物，即含陶瓷颗粒的磨料。

在步骤1)中，所述陶瓷粉与超硬材料烧结体可直接市购，也可自制，如采用燕山大学生产的的超细陶瓷粉和黄河金刚石公司生产的金刚石，加入粘合剂后经冷压、烧结，即可制成陶瓷粉与超硬材料的烧结体。

在步骤2)中，金属结合剂可为金属粉，树脂结合剂可为树脂液。

本发明所述的含陶瓷颗粒的磨料的制备方法之二包括以下步骤：

1)陶瓷颗粒的制备

将陶瓷粉与超硬材料烧结体破碎，经目筛选择得陶瓷颗粒，待用；

2)磨料结合剂的制备

将超硬材料与金属结合剂，或超硬材料与树脂结合剂混合均匀，得粉状或液状的磨料结合剂，待用；

3)含陶瓷颗粒的磨料的制备

将步骤1)所得的陶瓷颗粒与步骤2)所得的磨料结合剂混合均匀，得目的产物，即含陶瓷颗粒的磨料。

在步骤1)中，所述陶瓷粉与超硬材料烧结体可直接市购，也可自制，如采用燕山大学生产的的超细陶瓷粉和黄河金刚石公司生产的金刚石，加入粘合剂后经冷压、烧结，即可制成陶瓷粉与超硬材料的烧结体。

在步骤2)中，金属结合剂可为金属粉，树脂结合剂可为树脂液。

所述的含陶瓷颗粒的磨料可通过热压、烧结、浇注等成型工艺制备超硬工具，超硬工具主要为用于加工石材、混泥土、非金属脆性材料或金属合金的磨片、磨块、锯片、钻头等，可进行研磨、切割、钻孔、铣磨等加工。

与现有的超硬磨料比较，由于本发明是在预先制备的陶瓷颗粒中含有金刚石等超硬材料，在超硬磨料结合剂中也含有金刚石等超硬材料，然后将二者再结合成含陶瓷颗料的磨料，因此用此磨料所制成的超硬工具具有更广泛的用途，可在干性环境及高温环境中使用，克服了含金刚石的金属颗粒与树脂结合剂结合的磨料所制成的超硬工具在实际工作中存在的不足，拓展了超硬工具的使用领域，不仅适用于湿性环境，而且适用于干性环境。此外也克服了单纯的金属结合剂在高温下易塑性变形而影响工具使用性能，如造成工具使用时排屑困难、工具锋利度降低等缺点。

附图说明

图1为本发明实施例1与实施例8所制成的磨片结构示意图。

图2为图1的A-A剖视结构示意图。

图3为本发明实施例7所制成的磨片结构示意图。

图4为图3的B-B剖视结构示意图。

图5为本发明实施例9所制成的切片结构示意图。

图6为图5的D-D剖视结构示意图。

图7为本发明实施例10所制成的锯片结构示意图。

图8为图7的E-E剖视结构示意图。

图9为本发明实施例11所制成的锯片结构示意图。

图10为图9的F-F剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1

将市购的陶瓷粉与金刚石(超硬材料)烧结体进行粉碎，烧结体组分按质量百分比，陶瓷粉20％，金刚石80％，筛选得到不规则的含有60目金刚石的不规则陶瓷颗粒(粒径为1～3mm)。将所得的陶瓷颗粒与构成磨料结合剂的酚醛树脂、60目金刚石粉和氧化锌粉在混粒机上混合均匀后，得到本发明所述的含陶瓷颗粒的磨料。所得的含陶瓷颗粒的磨料的组分按质量百分比为陶瓷颗粒20％，酚醛树脂60％，金刚石10％，氧化锌粉10％。将所得的含陶瓷颗粒的磨料装入金属模中，将模具放入温度为200℃热压机上热压15min后，打开模具，便制成目数为60#金刚石磨片。参见图1和2，所制成的磨片包括磨料结合剂1和分布在磨料结合剂1中的陶瓷颗粒2，磨片上设有排屑槽3。在湿磨或干磨时，陶瓷颗粒2中的金刚石及磨料结合剂1中的金刚石都会露出，起到磨削作用。特别是干磨时陶瓷颗粒2的耐热性更好，且不容易在短时间内将热量快速传递给磨料结合剂1，防止磨片在干磨时由于局部过热而导致损坏。由于融合了陶瓷结合剂及树脂结合剂的各自优点，因此这种磨片的优点是锋利耐用，既可用于湿磨，又可用于干磨。

实施例2

与实施例1类似，区别在于：市购的陶瓷粉与金刚石(超硬材料)烧结体的组分按质量百分比，陶瓷粉99％，金刚石1％。所得的含陶瓷颗粒的磨料的组分按质量百分比，配比为陶瓷颗粒3％，酚醛树脂60％，金刚石10％，氧化锌粉27％。

实施例3

与实施例1类似，区别在于：市购的陶瓷粉与金刚石(超硬材料)烧结体的组分按质量百分比，陶瓷粉60％，金刚石40％。所得的含陶瓷颗粒的磨料的组分按质量百分比，配比为陶瓷颗粒90％，酚醛树脂8％，金刚石2％。

实施例4

与实施例1类似，区别仅在于：市购的陶瓷粉与超硬材料烧结体组分中，金刚石变换为立方氮化硼。磨料结合剂中的金刚石变换为立方氮化硼。

实施例2和3中的金刚石也均可变换为立方氮化硼。

实施例5

与实施例1类似，区别在于：磨料结合剂为金属结合剂和金刚石，金属结合剂为铁铜合金的金属结合剂，其成分按质量百分比铁铜合金95％，金刚石5％。

实施例6

与实施例5类似，区别在于：金属结合剂为铜锡合金的金属结合剂，金刚石变换为立方氮化硼，其成分按质量百分比铜锡合金50％，金刚石50％。

实施例7

将市购的陶瓷粉与超硬材料烧结体粉碎，烧结体组分按质量百分比，陶瓷粉50％，金刚石50％，筛选得到不规则小圆台状的含有120目的陶瓷颗粒，粒径上底2.5mm，下底3mm，高3mm，称量后备用。将液态环氧树脂、氧化锌和120目金刚石混合均匀后浇铸到模具内，在模具的每格子上各放入一颗小圆台状陶瓷颗粒2，下底朝下(防止脱出)，固化24h后，脱模即可形成120目的金刚石磨片。参见图3和4，所制成的磨片包括固结的磨料结合剂1及均匀分布在磨料结合剂1中的陶瓷小圆台颗粒2，磨片上还设有排屑槽3。该磨片的优点与实施例1相似。按质量百分比，原料的配比是环氧树脂70％，金刚石15％，氧化锌15％。

实施例8

将市购的陶瓷粉与超硬材料烧结体粉碎，陶瓷粉70％，金刚石30％，筛选得到不规则的含有30目金刚石的陶瓷颗粒(粒径为3～5mm)，将所得到的陶瓷颗粒与金属粉和30目金刚石粉在混粒机上混合均匀后，得含陶瓷颗粒的磨料。将含陶瓷颗粒的磨料装入石墨模具中，将模具放到高温高压机上热压，热压温度800℃，15min后，取出模具冷却脱模。便可制成金刚石磨片。磨片的结构与实施例1相同。参见图1和2，磨片包括固结的金属结合剂1及分布在磨片里的陶瓷颗粒2，磨片上设有排屑槽3。在湿磨或干磨时，陶瓷颗粒2中的金刚石及金属结合剂1中的金刚石都会露出，起到磨削作用。特别是干磨时，该磨片耐热性很好，磨片的优点是锋利耐用，耐热性好，使用寿命比实施例1及实施例2的产品都更好。按质量百分比，各原料的配比为陶瓷颗粒10％，金属粉85％(铜粉74％，铁粉5％，锡粉6％)，金刚石5％。

实施例9

参见图5和6，配料方法、压制方法与实施例1相同，将所得的含陶瓷颗粒的磨料压制成切片。其工作部分含有陶瓷颗粒2及磨料结合剂1。标号4表示切片的基体部分。该切片在切割合金材及非金属脆性材料时，锋利耐用，耐热性较好。

实施例10

参见图7和8，配料方法、压制方法与实施例8相同，将所得的含陶瓷颗粒的磨料经热压制成锯片刀头节块5，然后将刀头节块5焊接到锯片基体4上，形成金刚石锯片。该锯片的工作层，即刀头节块5由于既含有由金属结合剂及金刚石结合在一起的磨料结合剂1，又含有均匀分布的陶瓷颗粒2，因此在干切混凝土及其它材料时，有较高的耐热性。

实施例11

参见图9和10，配料方法、压制方法与实施例8相同，将所得的含陶瓷颗粒的磨料经热压制成钻头刀头节块9，然后将刀头节块9焊接到钻筒6上形成钻头。钻头上设有排屑口7。该钻头刀头节块9中由于含有由金属结合剂及金刚石结合在一起的磨料结合剂1，又含有均匀分布有陶瓷颗粒2。因此使该钻头在钻孔时耐高温、锋利，可适用于无冷却的干性恶劣环境钻孔。

实施例12

先自制陶瓷粉与超硬材料烧结体，自制方法是将质量百分比为90％的超细陶瓷粉和10％的30目的金刚石混合，加入粘合剂后进行冷压，得到含有金刚石的陶瓷块，然后放置在温度850度的烧结炉中烧结后形成烧结体，再将烧结体破碎过筛，得到不规则的含有金刚石的陶瓷颗粒，其粒径为1～3mm。将所得的陶瓷颗粒与酚醛树脂粉、30目金刚石粉和氧化锌粉在混粒机上混合均匀后，得本发明所述的含陶瓷颗料的磨料。将含陶瓷颗料的磨料装入金属模中，将模具放入温度为200℃的热压机上热压15min后，打开模具，便形成目数为30#金刚石磨块，该磨块可作为超硬工具的工作层。按质量百分比，含陶瓷颗料的磨料的配比是：陶瓷颗粒20％，酚醛树脂60％，氧化锌粉10％，金刚石10％。

Claims (4)

1.含陶瓷颗粒的磨料，其特征在于包括陶瓷颗粒和磨料结合剂，按质量百分比，陶瓷颗粒为3％～97％，磨料结合剂为97％～3％；

陶瓷颗粒包括超硬材料和陶瓷结合剂，按质量百分比，超硬材料为1％～80％，陶瓷结合剂为99％～20％；所述陶瓷颗粒的超硬材料为金刚石、金刚石聚晶、立方氮化硼或立方氮化硼聚晶，所述陶瓷结合剂为陶瓷粉；所述陶瓷颗粒的粒径为0.1～200mm；

磨料结合剂包括超硬材料和金属结合剂，或超硬材料和树脂结合剂；按质量百分比，超硬材料为0.3％～80％，金属结合剂为99.7％～20％；或超硬材料为0.3％～95％，树脂结合剂为99.7％～5％，树脂结合剂中含有补强剂，补强剂是氧化锌、二氧化硅、氧化镁、氧化钛或碳酸钙，补强剂的质量占树脂结合剂质量的10％～50％；所述磨料结合剂的超硬材料为金刚石、金刚石聚晶、立方氮化硼或立方氮化硼聚晶；所述金属结合剂是铁、铜、镍、钴、锡中的至少一种金属的金属结合剂，或是电镀镍镶嵌的金属结合剂。

2.如权利要求1所述的含陶瓷颗粒的磨料，其特征在于所述树脂结合剂为酚醛树脂结合剂、环氧树脂结合剂或聚酰亚胺树脂结合剂。

3.如权利要求1所述的含陶瓷颗粒的磨料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)陶瓷颗粒的制备

将陶瓷粉与超硬材料烧结体进行破碎，经目筛选择得陶瓷颗粒，待用；

2)含陶瓷颗粒的磨料的制备

将步骤1)所得的陶瓷颗粒与构成磨料结合剂的超硬材料和金属结合剂混合均匀，或是与构成磨料结合剂的超硬材料和树脂结合剂混合均匀，得目的产物，即含陶瓷颗粒的磨料。

4.如权利要求1所述的含陶瓷颗粒的磨料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)陶瓷颗粒的制备

将陶瓷粉与超硬材料烧结体破碎，经目筛选择得陶瓷颗粒，待用；

2)磨料结合剂的制备

将超硬材料与金属结合剂，或超硬材料与树脂结合剂混合均匀，得粉状或液状的磨料结合剂，待用；

3)含陶瓷颗粒的磨料的制备

将步骤1)所得的陶瓷颗粒与步骤2)所得的磨料结合剂混合均匀，得目的产物，即含陶瓷颗粒的磨料。

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