CN102896593A - 一种陶瓷结合剂及其磨具的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷结合剂的制备方法，它的步骤如下：（1）向水中或PEG水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，得到无机胶体；（2）将无机胶体在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得陶瓷结合剂。本发明使用低温溶液制备陶瓷结合剂，并通过金属氧化物进行高温固化的方法解决了传统工艺中高能耗、重污染的问题，生产效率得到提高，原料能耗低。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷结合剂的制备及应用领域，具体是通过合成一种硅/铝基水性陶瓷结合剂，并在金属氧化物固化剂作用下的高温固化制备磨具的方法。
背景技术
磨削是用固结磨具进行加工的过程，是机械加工的重要方法，具有加工精度高的典型特点。随着机械制造业的发展，对加工表面质量的要求也越来越高，这出促使磨削工序的增加，进而提升了固结磨具的用量。磨具用结合剂通常包括金属结合剂、树脂结合剂和陶瓷结合剂三种。其中金属结合剂对磨粒把持好、强度高、韧性较好，但存在自锐性差、气孔率低、修复困难；树脂结合剂自锐性较好，能起抛光作用，但耐热性差，特别由于磨削过程中产生的大量热使使用性能下降；陶瓷结合剂性能介于金属结合剂和树脂结合剂之间，得到了大量的应用。
陶瓷结合剂具有把持力强、刚性好、易排屑、加工精度及光洁度高、自锐性好等特点在固结磨具结合剂中大量应用，但其烧结温度高达1300℃，烧成时间在50小时以上，存在着高能耗、重污染的特点。这种传统的高消耗生产工艺与我们的低碳经济发展模式相违背，所以磨具制造行业急需低能耗、无污染的新型无机粘合剂改善生产工艺，增加社会、环境效益。在这种形势下，不同单位进行了多角度的改进，如日本的捷太格特株式会社申请了陶瓷结合砂轮的专利（申请号：CN 101745874 A），李志宏等发表了陶瓷磨具快速烧成工艺的试验探索（金刚石与磨料磨具工程，1996，5(96)：19-22），侯永改等研究了添加剂对低温陶瓷结合剂性能影响（陶瓷研究，2009，17(3)：1-4），。
如今结合剂的研究方向不仅要能解决传统工艺中高能耗、重污染的问题，而且需要提高生产效率。但近年来低温陶瓷结合剂还未能大范围的应用，这主要是陶瓷结合剂制备工艺复杂、效率低下、前期获得的原料能耗较高等因素的制约。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过金属氧化物固化陶瓷结合剂的制备方法。
本发明的技术方案是：一种陶瓷结合剂的制备方法，它的步骤如下：
（1）向水中或PEG水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2~6，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种，得到无机胶体；
（2）将无机胶体在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得陶瓷结合剂。
所述PEG分子量为200-6000，重量含量为1-15%。
所述的陶瓷结合剂磨具的制备方法，它的步骤如下：
（1）向水中或PEG水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2~6，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种，得到无机胶体；
（2）将无机胶体在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得陶瓷结合剂；
（3）将陶瓷结合剂在室温~100℃的温度下使水挥发、陈化，时间为1~150小时，然后在陶瓷结合剂中加入金属氧化物，所述金属氧化物固化剂为氧化钙、氧化锌、氧化钠、氧化铝中的至少一种，金属氧化物与陶瓷结合剂的质量比为1:0.1~10，然后加入磨料、助剂混合均匀，成型，得到模块，所述磨料为金刚石、刚玉或棕刚玉，所述助剂为酚醛树脂，陶瓷结合剂与助剂、磨料的质量比为1：1：10~240；
（4）成型的模块在200-1200℃的条件下烧结0.5~3小时，升温速率为1~20℃/min，并在高温时保持0.1~10h，得到陶瓷结合剂磨具。
所述陶瓷结合剂与助剂、磨料的质量比有选为1：1：20~100。
按照最终形成的粘合剂Si和Al元素的配比，依次向定量水或含PEG的水中加入含有两种元素的原材料，并在加入过程中强力搅拌，最终得到一种胶体。然后水浴加热反应后得到透明液体。水份低温挥发后得到的液体与金属氧化物、磨料、助剂混合均匀，然后成型。成型的模块在高温下固化一定时间后获得陶瓷结合磨具。
本发明公开了一种通过金属氧化物固化陶瓷结合剂的制备方法：
1）最终形成的无机粘合剂中Al和Si的配比在6:1到2:1之间，最佳比例在4:1到2:1之间。
2）向水中加入的物质是硝酸铝（Al(NO3)3·9H2O）、异丙醇铝（Al(OC3H7)3）、正硅酸乙酯（Si(OC2H5)4）,氯化铝（AlCl3·6H2O）的两种或两种以上。
3）反应在50-100℃水浴中进行，最佳温度为70-90℃，并进行强力搅拌、回流制得透明液体。
4）获得的液体与金属氧化物（氧化钙、氧化锌、氧化钠、氧化铝）、磨料、助剂混合、成型、固化获得陶瓷结合磨具。
本发明使用低温溶液制备陶瓷结合剂，并通过金属氧化物进行高温固化的方法解决了传统工艺中高能耗、重污染的问题，生产效率得到提高，原料能耗低。
具体实施方式
实施例1
按照烧结后Al和Si的配比换算成原料的配比（硝酸铝：异丙醇铝：正硅酸乙酯=3:9:4），将称量好的硝酸铝缓缓加入水中溶解后，再加入异丙醇铝搅拌，最后将正硅酸乙酯加入。室温下搅拌、反应24h，然后在90℃加热、搅拌、回流5h。然后在30℃烘箱中进一步浓缩、陈化后所得粘合剂与氧化锌、金刚石、耐热酚醛树脂混合均匀，压力成型。然后以10℃/min的速率升至400℃固化，得陶瓷结合剂制备的磨具。
实施例2
称量30.0 g硝酸铝加入去离子水中，溶解后得到100 ml的溶液。向40 ml去离子水中加入10.00ml正硅酸乙酯强力搅拌，得到正硅酸乙酯(TEOS)的预水解溶液。按照Al：Si=3:1的比例混合搅拌1h，然后放在50℃-70℃水浴中经2 h获得溶液。所得粘合剂与氧化钠、刚玉混合均匀，在30℃烘箱中进一步浓缩，压力成型。然后以15℃/min的速率升至1200℃高温烧结，即得陶瓷结合制备的刚玉磨具。
实施例3
在制备的氯化铝溶液中加入酸性含硅溶液搅拌、浓缩，并经室温陈化后向其中加入棕刚玉颗粒和氧化锌、酚醛树脂搅拌均匀，压力成型。然后以10℃/min的速率升至1100℃高温烧结，得到陶瓷结合棕刚玉磨具。
实施例4
（1）向水中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝，得到无机胶体；
（2）将无机胶体在50℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得陶瓷结合剂；
（3）将陶瓷结合剂在室温℃的温度下使水挥发、陈化，时间为1~150小时，然后在陶瓷结合剂中加入氧化钙，氧化钙与陶瓷结合剂的质量比为1:0.1，然后加入磨料、助剂混合均匀，成型，得到模块，所述磨料为金刚石，所述助剂为酚醛树脂，陶瓷结合剂与助剂、磨料的质量比为1：1：10；
（4）成型的模块在200℃的条件下烧结0.5小时，升温速率为1℃/min，并在高温时保持0.1h，得到陶瓷结合剂磨具。
实施例5
一种陶瓷结合剂及其磨具的制备方法，它的步骤如下：
（1）向PEG水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，EG分子量为200-6000，重量含量为1-15%，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:6，含有的Si元素与水的摩尔比为1: 90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为异丙醇铝，得到无机胶体；
（2）将无机胶体在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得陶瓷结合剂；
（3）将陶瓷结合剂在室温~100℃的温度下使水挥发、陈化，时间为1~150小时，然后在陶瓷结合剂中加入金属氧化物，所述金属氧化物固化剂为氧化钙、氧化锌、氧化钠、氧化铝中的至少一种，金属氧化物与陶瓷结合剂的质量比为1:10，然后加入磨料、助剂混合均匀，成型，得到模块，所述磨料为金刚石、刚玉或棕刚玉，所述助剂为酚醛树脂，陶瓷结合剂与助剂、磨料的质量比为1：1：240；
（4）成型的模块在1200℃的条件下烧结0.5~3小时，升温速率为20℃/min，并在高温时保持10h，得到陶瓷结合剂磨具。
实施例6
一种陶瓷结合剂及其磨具的制备方法，它的步骤如下：
（1）向水中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:4，含有的Si元素与水的摩尔比为1:50，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为氯化铝，得到无机胶体；
（2）将无机胶体在80℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得陶瓷结合剂；
（3）将陶瓷结合剂在80℃的温度下使水挥发、陈化，时间为1~150小时，然后在陶瓷结合剂中加入金属氧化物，所述金属氧化物固化剂为氧化钙、氧化锌、氧化钠、氧化铝中的至少一种，金属氧化物与陶瓷结合剂的质量比为1:5，然后加入磨料、助剂混合均匀，成型，得到模块，所述磨料为金刚石、刚玉或棕刚玉，所述助剂为酚醛树脂，陶瓷结合剂与助剂、磨料的质量比为1：1：100；
（4）成型的模块在1000℃的条件下烧结2小时，升温速率为10℃/min，并在高温时保持5h，得到陶瓷结合剂磨具。
实施例7
一种陶瓷结合剂及其磨具的制备方法，它的步骤如下：
（1）向水中或PEG水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2~6，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种，得到无机胶体；
（2）将无机胶体在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得陶瓷结合剂；
（3）将陶瓷结合剂在室温~100℃的温度下使水挥发、陈化，时间为1~150小时，然后在陶瓷结合剂中加入金属氧化物，所述金属氧化物固化剂为氧化钙、氧化锌、氧化钠、氧化铝中的至少一种，金属氧化物与陶瓷结合剂的质量比为1:0.1~10，然后加入磨料、助剂混合均匀，成型，得到模块，所述磨料为金刚石、刚玉或棕刚玉，所述助剂为酚醛树脂，陶瓷结合剂与助剂、磨料的质量比为1：1：10~240；
（4）成型的模块在200-1200℃的条件下烧结0.5~3小时，升温速率为1~20℃/min，并在高温时保持0.1~10h，得到陶瓷结合剂磨具。
实施例8
一种陶瓷结合剂及其磨具的制备方法，它的步骤如下：
（1）向水中或PEG水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2~6，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种，得到无机胶体；
（2）将无机胶体在60~80℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得陶瓷结合剂；
（3）将陶瓷结合剂在20~80℃的温度下使水挥发、陈化，时间为50~100小时，然后在陶瓷结合剂中加入金属氧化物，所述金属氧化物固化剂为氧化钙、氧化锌、氧化钠、氧化铝中的至少一种，金属氧化物与陶瓷结合剂的质量比为1:2~6，然后加入磨料、助剂混合均匀，成型，得到模块，所述磨料为金刚石、刚玉或棕刚玉，所述助剂为酚醛树脂，陶瓷结合剂与助剂、磨料的质量比为1：1：20~100；
（4）成型的模块在500-1000℃的条件下烧结0.5~3小时，升温速率为1~20℃/min，并在高温时保持4~6h，得到陶瓷结合剂磨具。
Claims (4)
1. 一种陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，它的步骤如下：
（1）向水中或PEG水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2~6，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种，得到无机胶体；
（2）将无机胶体在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得陶瓷结合剂。
2. 根据权利要求1所述的陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于：所述PEG分子量为200-6000，重量含量为1-15%。
3. 如权利要求1或2所述的陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于，它的步骤如下：
（1）向水中或PEG水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2~6，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种，得到无机胶体；
（2）将无机胶体在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得陶瓷结合剂；
（3）将陶瓷结合剂在室温~100℃的温度下使水挥发、陈化，时间为1~150小时，然后在陶瓷结合剂中加入金属氧化物，所述金属氧化物固化剂为氧化钙、氧化锌、氧化钠、氧化铝中的至少一种，金属氧化物与陶瓷结合剂的质量比为1:0.1~10，然后加入磨料、助剂混合均匀，成型，得到模块，所述磨料为金刚石、刚玉或棕刚玉，所述助剂为酚醛树脂，陶瓷结合剂与助剂、磨料的质量比为1：1：10~240；
（4）成型的模块在200-1200℃的条件下烧结0.5~3小时，升温速率为1~20℃/min，并在高温时保持0.1~10h，得到陶瓷结合剂磨具。
4. 根据权利要求3所述的陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于：所述陶瓷结合剂与助剂、磨料的质量比为1：1：20~100。
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