CN102699825A - 低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具，由15～20％质量百分比含量的陶瓷结合剂与80～85％新型陶瓷刚玉磨料组成，外加5％的粘结湿润剂；所述结合剂的原料组分及其质量百分比含量为：粘土10～30％、长石10～30％、硼玻璃45～70％、冰晶石0～15％、石英0～5％、氧化镁0～5％。本发明提供了一种可以在850～980℃的烧成温度下烧成，能够满足砂轮在80～100m/s转速下安全使用的新型陶瓷刚玉磨具，本发明单行程进给量可达0.3mm以上，金属去除率是普通刚玉砂轮的3倍以上，修整间隔时间是普通刚玉砂轮的3～5倍，寿命达普通刚玉磨具的5～10倍，在性能上和价格上填补了超硬磨具与普通磨料磨具之间的空档。

Description

低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具及其制备方法

技术领域

本发明是关于磨削加工工具，尤其涉及一种低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉(SG即Seeded Gel)磨具及其制备方法。

背景技术

新型陶瓷刚玉磨料是以独特的陶瓷技术合成的具有微细晶体结构的高纯度刚玉磨料，这类磨料采用Sol-gel(溶胶-凝胶)工艺合成并经过烧结而成。而普通电熔刚玉磨料是以工业氧化铝为原料，经电弧炉熔融而成，将其破碎、研磨、分级制得不同粒度级别的刚玉磨料。两种磨料制备方法不同，因而他们在结构与性能上也就大不相同。具体表现在如下方面：

在显微结构方面，普通电熔刚玉磨料每颗磨粒中仅含有极少量的单晶体(有时仅为一个单晶体)，晶体尺寸在50μm左右或更大，而新型的陶瓷刚玉磨料每颗磨粒是由成千上万个亚微米级或者微米级的细小晶体所组成，磨粒晶体尺寸为普通刚玉磨粒晶体尺寸的1/15～1/200，这些大量的微小磨粒使磨粒具有许多锋利的切削刃；

在韧性方面，由于其显微结构不同，所以其在磨粒断裂行为上就有所不同，新型陶瓷刚玉磨料表现为沿晶断裂破坏，而传统电熔刚玉磨粒多呈现穿晶断裂破坏，因而新型陶瓷刚玉磨料韧性明显较普通电熔刚玉磨料高，一般要高1倍左右；

在磨损机理和自锐性方面，传统电熔刚玉磨粒在工作点被磨去后变平钝化，在磨削力作用下，这些被磨钝的磨粒不是从磨具上脱落，就是沿晶面穿晶破裂，呈宏观破碎，磨粒损失较多。而新型陶瓷刚玉磨料的磨粒磨损后破碎时，沿晶界破裂，呈微观破碎，很少产生宏观破碎，因而磨粒损失较少，磨损较少，使用寿命较长。新型陶瓷刚玉磨粒的整个磨损过程也是磨粒本身的自锐过程，在有效使用寿命期间，磨粒表面层被磨钝的微小晶粒(即切削刃)在磨削力的作用下从磨粒上逐渐脱落，不断地暴露出新的微切削刃，使磨粒始终处于锋利状态，从而保证了磨具的自锐功能和磨削性能的稳定。因而新型陶瓷刚玉磨料与普通电熔刚玉磨料相比，具有很好的自锐性能和耐磨性能。

由于新型陶瓷刚玉磨料具有上述优点，因此，其不仅可以代替传统电熔刚玉磨料，提高磨具的磨削效率、磨削精度和使用寿命，尤其随着科学技术的进步，新的难磨材料不断出现，磨削速度要求越来越高，对磨削工具亦提出了更高的要求，普通刚玉磨具已难以满足这些要求，发展新型磨削工具是市场的需求和技术发展的必然，因此超硬材料磨削工具应运而生，但超硬材料磨削工具不仅成本高、修整困难且需要专用设备，因此限制了其广泛的应用。陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具在性能上远远优于普通电熔刚玉磨具，价格上又远远低于CBN(立方氮化硼)和金刚石磨具，且无需采用特殊磨削设备及修整装置，不存在CBN和金刚石在磨削设备方面的特殊要求及修整方面的困难，对于磨削液也没有CBN砂轮那样的特殊要求，易于推广应用，因此陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具在性能上和价格上填补了超硬磨具与普通磨料磨具之间的空档。既可用于加工韧性不锈钢、耐热合金等难磨削材料，也可用于一般材料的精密磨削和高效磨削加工，在机械制造、汽车、轴承、道具、模具等许多工业领域具有很大的应用潜力。

陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具和陶瓷结合剂普通刚玉磨具的制备工艺过程基本相同，但由于新型陶瓷刚玉磨料的结构和使用速度等方面的要求，传统的普通陶瓷结合剂已不能满足新型陶瓷刚玉磨料磨具的制备要求。一方面传统陶瓷结合剂普通刚玉磨具的烧结温度都在1250℃左右，而新型陶瓷刚玉磨料在高温烧成时会受高温作用产生晶粒长大而破坏其原有的显微结构与性能，从而损失或失去其磨削使用中的优越特性，从而影响其应有的磨削效果，所以一般应在低于1000℃的温度下烧成；另一方面，传统陶瓷结合剂普通刚玉磨具的使用速度一般不超过60m/s，而新型陶瓷刚玉磨具的使用速度要满足80～120m/s的使用速度要求，因此要求制备新型陶瓷刚玉磨具的陶瓷结合剂不仅烧结温度低，而强度要求更高，同时价格上相比传统陶瓷结合剂亦不能增加太多。

发明内容

本发明的目的是，适应如今的难磨材料不断出现、磨削速度越来越高的要求，克服现有技术的不足，提供一种可以在850～980℃的烧成温度下烧成，在磨具成型密度为2.2g/cm³时，磨具的抗弯强度大于等于60MPa、抗拉强度大于等于16MPa，能够满足砂轮在80～100m/s转速下安全使用的新型陶瓷刚玉磨具。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具，由陶瓷结合剂与新型陶瓷刚玉磨料组成，其质量百分比含量为：陶瓷结合剂15～20％，新型陶瓷刚玉磨料80～85％；在此基础上外加质量百分比含量为5％的粘结湿润剂；

所述的低温高强陶瓷结合剂的原料组分及其质量百分比含量为：粘土10～30％、长石10～30％、硼玻璃45～70％、冰晶石0～15％、石英0～5％、氧化镁0～5％。

所述的新型陶瓷刚玉磨料采用溶胶-凝胶工艺合成并经过烧结而成，磨料粒度为30～280目。

所述粘结湿润剂为水玻璃、糊精溶液或者石蜡。

所述的粘上为高岭上、蒙脱石和伊利石；所述的长石为钾长石和钠长石。

本发明低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具的制备方法，具有如下步骤：

(1)制备低温高强陶瓷结合剂

按粘土10～30％，长石10～30％，硼玻璃45～70％，冰晶石0～15％，石英0～5％，氧化镁0～5％的化学计量比配置原料，并混合均匀，装入坩埚于高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h，待原料完全熔融后水淬，然后在100℃烘箱中干燥24h，再于球磨机上干磨48h，球料比为2～3∶1，然后过200目筛，制得低温高强陶瓷结合剂；

所述的粘上有为高岭上、蒙脱石或伊利石；所述的长石为钾长石或钠长石。

(2)制备磨具原料

将步骤(1)制得的低温高强陶瓷结合剂按总重量的80～85％与15～20％新型陶瓷刚玉磨料混合、过筛，得到混合料；在此基础上再外加质量百分比为5％的粘结湿润剂，再过筛，得到磨具原料；

所述的新型陶瓷刚玉磨料采用溶胶-凝胶工艺合成并经过烧结而成，磨料粒度为30～280目；所述粘结湿润剂为水玻璃、糊精溶液或者石蜡；

(3)成型与烧成

将步骤(2)所得的磨具原料在液压机上于100KN条件下加压成型，保压3～5min，然后停止加压、脱模，放入马弗炉中于850～980℃条件下烧结，随炉自然冷却，得到低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具。

所述步骤(1)的球磨机转数为600r/min。

所述步骤(3)在液压机上加压成型的加压速度为0.5～0.8KN/s。

所述步骤(3)放入马弗炉中烧结的升温速度为3～4℃/min。

本发明所述的低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具与普通刚玉磨具相比，具有如下优点：

磨粒锋利，切削能力强，磨削效率高，修整次数少，可进行大切深、大进给、重负荷和高效磨削，单行程进给量可达0.3mm以上，金属去除率是普通刚玉砂轮的3倍以上，而修整间隔时间是普通刚玉砂轮的3～5倍，修整间隔时间是普通刚玉砂轮的3～5倍；

自锐性好，产生的磨削热少，磨削温度低，不烧伤工件；

韧性好，磨损小，砂轮形状保持性好，耐用度高，使用寿命长，是普通刚玉砂轮的5～10倍；

性能上远优于普通电熔刚玉磨具，价格上远低于CBN和金刚石磨具，很好的填补了两者之间的空挡。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明采用矿物质原料、工业原料和常规的制备方法，首先制备陶瓷结合剂。

由于新型陶瓷刚玉磨料与普通刚玉磨料相比，在较低的温度(1000℃左右)其晶粒尺寸即改变，而破坏新型陶瓷刚玉磨料的微晶特性，所以新型陶瓷刚玉磨具与普通刚玉磨具相比需采用低温烧结，即陶瓷结合剂本身的耐火度要低。另外，由于这类磨具通常用于大切削量、缓进给磨削，因此要求结合剂本身具有较高的结合强度，以免在使用过程中造成磨具破裂，对人员和机床造成伤害。

本发明的陶瓷结合剂采用矿物质为原料，经配方计算、称量、混合均匀，装入坩埚中在高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h，待原料完全熔融后水淬，然后在100℃烘箱中干燥24h，再在球磨机上干磨(600r/min，球料比2～3∶1)48h，过200目筛网，即制得陶瓷结合剂。陶瓷结合剂的耐火度一般都低于850℃。具体实施例详见表1。

表1

陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具其原料为新型陶瓷刚玉磨料和陶瓷结合剂，其中新型陶瓷刚玉磨料为工业原料，陶瓷结合剂为矿物原料制得。新型陶瓷刚玉磨料粒度根据具体使用中被磨削零件表面粗糙度加工要求选用，一般为30～280目。根据磨具的硬度要求设计磨具的密度和重量。经过配料、混合、过筛，然后加入5％粘结湿润剂，再混合、过筛，然后将混合料按设计所需重量投入磨具中，在液压机上于100KN条件下进行压制成型，于850～980℃烧结，制得低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具。具体实施例详见表2。

表2

具体的陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具的烧结温度与选用的具体结合剂的烧结温度一致，如选用表1中实施例1作为具体结合剂，则烧结温度为950℃，其他实施例的烧结温度亦列于表1可供参考。

磨具特点：本发明实施例1～6在表1所示的烧结温度下，其磨具试条的抗弯强度、抗拉强度分别可达60MPa、16MPa，结合剂的结合强度均可满足80～100m/s砂轮转速下安全使用，单行程进给量均达0.3mm以上，金属去除率达普通刚玉砂轮的3倍以上，而修整间隔时间是普通刚玉砂轮的3～5倍，寿命达普通刚玉磨具的5～10倍。

本发明并不局限于上述实施例，很多细节的变化是可能的，但这并不因此违背本发明的范围和精神。

Claims (8)

1.一种低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具，由陶瓷结合剂与新型陶瓷刚玉磨料组成，其质量百分比含量为：陶瓷结合剂15～20％，新型陶瓷刚玉磨料80～85％；在此基础上外加质量百分比含量为5％的粘结湿润剂；

所述的低温高强陶瓷结合剂的原料组分及其质量百分比含量为：粘土10～30％、长石10～30％、硼玻璃45～70％、冰晶石0～15％、石英0～5％、氧化镁0～5％。

2.根据权利要求1的低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具，其特征在于，所述的新型陶瓷刚玉磨料采用溶胶-凝胶工艺合成并经过烧结而成，磨料粒度为30～280目。

3.根据权利要求1的低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具，其特征在于，所述粘结湿润剂为水玻璃、糊精溶液或者石蜡。

4.根据权利要求1的低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具，其特征在于，所述的粘土为高岭土、蒙脱石和伊利石；所述的长石为钾长石和钠长石。

5.权利要求1的低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具的制备方法，具有如下步骤：

(1)制备低温高强陶瓷结合剂

按粘土10～30％，长石10～30％，硼玻璃45～70％，冰晶石0～15％，石英0～5％，氧化镁0～5％的化学计量比配置原料，并混合均匀，装入坩埚于高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h，待原料完全熔融后水淬，然后在100℃烘箱中干燥24h，再于球磨机上干磨48h，球料比为2～3∶1，然后过200目筛，制得低温高强陶瓷结合剂；

所述的粘土有为高岭土、蒙脱石或伊利石；所述的长石为钾长石或钠长石。

(2)制备磨具原料

将步骤(1)制得的低温高强陶瓷结合剂按总重量的80～85％与15～20％新型陶瓷刚玉磨料混合、过筛，得到混合料；在此基础上再外加质量百分比为5％的粘结湿润剂，再过筛，得到磨具原料；

所述的新型陶瓷刚玉磨料采用溶胶-凝胶工艺合成并经过烧结而成，磨料粒度为30～280目；所述粘结湿润剂为水玻璃、糊精溶液或者石蜡；

(3)成型与烧成

将步骤(2)所得的磨具原料在液压机上于100KN条件下加压成型，保压3～5min，然后停止加压、脱模，放入马弗炉中于850～980℃条件下烧结，随炉自然冷却，得到低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具。

6.根据权利要求4的低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的球磨机转数为600r/min。

7.根据权利要求4的低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)在液压机上加压成型的加压速度为0.5～0.8KN/s。

8.根据权利要求4的低温高强陶瓷结合剂新型陶瓷刚玉磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)放入马弗炉中烧结的升温速度为3～4℃/min。