CN103087676B - 一种耐磨磨粒的烧结方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐磨磨粒的烧结方法，属于涂附磨具制备技术领域。本发明采用矿物聚合材料粘结剂5~15份、碱性化合物1~10份、填料10~30份和磨料60~100份混合，溶解在乙二醇乙醚中，加入催化剂2~5份，恒温30~50℃加热混炼；混炼至半凝胶状态，加入模板剂0.5~1份烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间6~9小时，迅速退火降温，破碎，过筛，分离出同等尺寸的磨粒。按本发明的耐磨磨粒烧结方法制得的磨粒，耐磨、防堵塞，且长时间磨削不烧伤工件。
Description
技术领域
一种耐磨磨粒的烧结方法，属于涂附磨具制备技术领域。
背景技术
涂附磨具是指用粘结剂把磨粒粘附在可挠曲的基体(布或纸等)上制成的磨具。现有涂附磨具的性能并不理想，其主要问题是磨粒耐磨性能较差、打磨过程中易堵塞、打磨温度过高易损伤工件。以上问题致使涂附磨具使用成本过高，影响工件的加工生产。产生以上问题的主要因素是由于磨粒的制备方法并不理想。
由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。现有的磨粒支撑磨具后，在打磨过程中，现有的磨粒开始时表面较粗糙，打磨效果较好，但随着打磨时间的延长，现有磨粒表面粗糙度下降，现有磨粒表面变得越来越光滑，造成磨具的打磨效果快速降低。现有磨粒在打磨过程中温度过高，致使被打磨的工件（金属）表面温度过高，工件被打磨部位表面大面积发热变红，打磨结束后，冷却了被打磨部位易发黑变暗，失去了工件原有的明亮色泽。现有磨粒在打磨过程中工件磨削颗粒温度较高，且细小、易飘飞，最终附着在磨粒间隙中，造成磨具堵塞，影响打磨效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述现有技术存在的不足，提供一种耐磨磨粒的烧结方法，按本发明的耐磨磨粒烧结方法制得的磨粒，耐磨、防堵塞，且长时间磨削不烧伤工件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该耐磨磨粒的烧结方法，其特征在于，采用如下步骤：
1）按重量份矿物聚合材料粘结剂5~15份、碱性化合物1~10份、填料10~30份和磨料60~100份的比例进行混合，混合均匀后溶解在乙二醇乙醚中，并加入催化剂2~5份进行混炼，恒温加热，保持温度30~50℃；
2）混炼至半凝胶状态，加入模板剂0.5~1份进行烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间6~9小时，迅速退火降温，破碎，过筛，分离出同等尺寸的磨粒。
步骤1）中所述矿物聚合材料粘结剂为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂、磷酸二氢铝、铝酸钠、纳米级氢氧化铝或纳米级二氧化硅。
步骤1）中所述碱性化合物为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸锂或有机胺。
步骤1）中所述填料为白云石粉、莫来石粉、冰晶石粉、钾长石粉、硼玻璃粉、硅灰石粉、高岭土粉、矿渣粉、粉煤灰或火山灰。
步骤1）中所述磨料为氧化铝、煅烧氧化铝、碳化硅、石榴石、金刚石或立方氮化硼。
步骤1）中所述催化剂为乙二胺。
步骤2）中所述模板剂为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和乙二胺按质量比1：1.5～2.5的混合物。采用十六烷基三甲基溴化铵和乙二胺按质量比1：1.5～2.5混合作为模板剂主要是起到结构模板的作用和结构导向作用，以促使正四面体微观结构的形成，加快晶化速率，并作为正四面体结构的骨架。模板剂一般用于制作介孔材料，本发明中使用模板剂可以在磨粒中形成0.5~1μm的微孔，使磨粒在保持韧性的同时具有较好的脆性，有利于磨粒在在磨削过程中破碎，提高磨粒表面粗糙度。
步骤1）的原理为：将矿物聚合材料粘结剂、碱性化合物、填料和磨料加入反应容器中搅拌，使其混合均匀地溶解在溶剂乙二醇乙醚中，并以乙二胺作为催化剂，在30℃下恒温加热，随着时间延长，一部分溶剂挥发后，矿物聚合材料粘结剂铝硅酸盐不断水解并缩聚，溶液的浓度和黏度不断增大，此过程中矿物聚合材料粘结剂、碱性化合物、填料和磨料彼此之间相互反应，混炼至形成一种不可流动的半凝胶状态，然后加入CTAB和乙二胺组成的模板剂，促使其生成晶核。控制烧结温度在300~400℃之间，可保证按梯温场中进行定向析晶。控制烧结时间的目的是控制生成晶粒大小；烧结6~9小时可使熔融物从混合相转变为非晶态结构，再由非晶态转化为部分晶态和非晶态的混合态，从而产生相对定向、规则的晶界，并且生成的晶粒大小适中，然后迅速退火降温，破碎，可保护规则的晶界不被破坏，使之在骨架内形成大小尺寸类似正四面体的磨料块，即一个个的微小磨粒。
而铝硅酸盐和碱性化合物在300~400℃温度和6~9个小时的烧结条件下，更易在磨粒的模板剂组成的骨架内形成大小尺寸小尺寸类似正四面体的磨料块，即经本发明的方法制备后，磨粒相当于由一个个微小正四面体磨粒组成。打磨工件过程中，这种磨粒内部的正四面体结构，可保证磨粒具有较好的耐磨性能。
与现有技术相比，本发明的耐磨磨粒的烧结方法具有的有益效果是：本发明的耐磨磨粒的烧结方法克服当前砂带磨削技术中，砂带长时间磨削易堵塞，不耐磨，易烧伤工件表面的缺点。采用本发明制备出的涂附磨具，其制造成本低廉可干磨，亦可水磨，耐磨，长时间磨削工件具有不堵塞，磨削效率高，磨削量大，且长时间磨削过程中工件表面温度低，不烧伤工件的优点。
本发明的耐磨磨粒不易堵塞涂附磨具的原因为：一、磨粒的填料采用白云石粉、莫来石粉、冰晶石粉、钾长石粉、硼玻璃粉、硅灰石粉、高岭土粉、矿渣粉、粉煤灰或火山灰，在打磨工件（指金属制品工件）过程中，可与工件磨削粘附并包裹在一起，工件磨削被消耗，不易堵塞在涂附磨具上。二、本发明中采用的磨粒制备技术，使磨粒内部形成正四面体结构。打磨工件过程中，这种磨粒内部的正四面体结构，使得磨粒表层可随着工件磨削的脱落而缓慢脱落。综上所述，打磨工件过程中，磨粒可与工件磨削粘附并包裹着工件磨削形成较大的脱落块，一起脱落，在涂附磨具与工件摩擦力的作用下，较大的脱落块可快速脱离涂附磨具表面，因此防止工件磨削粘附在涂附磨具的表面造成堵塞。
本发明的耐磨磨粒耐磨的原因为：现有磨粒随着打磨的进行，磨粒表面变得越来越光滑，打磨效率不断降低。按本发明的方法生产的磨粒在打磨工件时，磨粒旧表层脱落后，磨粒新表层露出。磨粒新表层呈现磨粒内部的正四面体结构，磨粒新表层的表面粗糙度与磨粒旧表面相比变化较小，易于打磨。这样在打磨过程中，磨粒旧表层不断缓慢的脱落，磨粒新表层不断露出，可保证整个打磨过程具有稳定的磨削量。
本发明的耐磨磨粒长时间磨削工件不烧伤工件的原因为：现有磨粒打磨时脱落较少，摩擦产生的热量主要集中于工件打磨面，工件打磨面过热发红、被氧化，冷却后工件打磨面颜色发黑变暗。按本发明的方法生产的涂附磨具在打磨工件时，热量可被磨粒的脱落块带走散失，从而降低了工件打磨面的温度。采用本发明的耐磨磨粒生产的涂附磨具在打磨结束后，工件表面温度降低至常温观察，工件打磨面光亮如，无发黑变暗情况新。
附图说明
图1为打磨前单个18#磨粒的表面形貌。
图2为打磨500s时单个18#磨粒的表面形貌。
图3是磨粒磨削时间和磨削量的检测结果记录图。
具体实施方式
实施例1~9为本发明的耐磨磨粒的烧结方法的具体实施例，其中实施例1为最佳实施例。
实施例1
1）采用热气烘燥设备，按重量份硅酸钠10份、碳酸钠5份、矿渣粉25份和粒度80#氧化铝磨料100份的比例进行混合，混合均匀后溶解在120份乙二醇乙醚溶剂中，并加入4份乙二胺作为催化剂进行混炼，恒温加热，保持温度35~45℃；
2）混炼至半凝胶状态，将模板剂0.5份按质量比为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）：乙二胺=1：2混合，将模板剂加入半凝胶状熔融物中；搅拌均匀后进行烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间8小时；烧结结束迅速退火降温，破碎，过筛，分离出粒度18#磨粒。
实施例2
1）采用热气烘燥设备，按重量份硅酸锂15份、碳酸氢钾8份、改性白云石粉30份和粒度240#的碳化硅磨料100份的比例进行混合，混合均匀后溶解在140份乙二醇乙醚溶剂中，并加入5份乙二胺作为催化剂进行混炼，恒温加热，保持温度40~50℃；
2）混炼至半凝胶状态，将模板剂0.9份按质量比为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）：乙二胺=1：2.5混合，将模板剂加入半凝胶状熔融物中；搅拌均匀后进行烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间9小时；烧结结束迅速退火降温，破碎，过筛，分离出粒度20#磨粒。
实施例3
1）采用热气烘燥设备，按重量份磷酸二氢铝5份、氢氧化钠6份、改性高岭土10份和粒度1200#的煅烧氧化铝60份的比例进行混合，混合均匀后溶解在100份乙二醇乙醚溶剂中，并加入2份乙二胺作为催化剂进行混炼，恒温加热，保持温度30~40℃；
2）混炼至半凝胶状态，将模板剂0.8份按质量比为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）：乙二胺=1：2.5混合，将模板剂加入半凝胶状熔融物中；搅拌均匀后进行烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间6小时；烧结结束迅速退火降温，破碎，过筛，分离出粒度16#磨粒。
实施例4
1）采用热气烘燥设备，按重量份硅酸钠8份、碳酸钠8份、冰晶石粉15份和粒度80#金刚石磨料80份的比例进行混合，混合均匀后溶解在120份乙二醇乙醚溶剂中，并加入4份乙二胺作为催化剂进行混炼，恒温加热，保持温度30~40℃；
2）混炼至半凝胶状态，将模板剂1份按质量比为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）：乙二胺=1：2混合，将模板剂加入半凝胶状熔融物中；搅拌均匀后进行烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间8小时；烧结结束迅速退火降温，破碎，过筛，分离出粒度18#磨粒。
实施例5
1）采用热气烘燥设备，按重量份纳米级二氧化硅15份、氢氧化钾5份、莫来石粉10份和粒度240#的石榴石磨料100份的比例进行混合，混合均匀后溶解在160份乙二醇乙醚溶剂中，并加入5份乙二胺作为催化剂进行混炼，恒温加热，保持温度40~50℃；
2）混炼至半凝胶状态，将模板剂0.8份按质量比为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）：乙二胺=1：2.5混合，将模板剂加入半凝胶状熔融物中；搅拌均匀后进行烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间9小时；烧结结束迅速退火降温，破碎，过筛，分离出粒度20#磨粒。
实施例6
1）采用热气烘燥设备，按重量份硅酸锂12份、氢氧化锂6份、硼玻璃粉20份和粒度1200#的立方氮化硼90份的比例进行混合，混合均匀后溶解在100份乙二醇乙醚溶剂中，并加入2份乙二胺作为催化剂进行混炼，恒温加热，保持温度35~40℃；
2）混炼至半凝胶状态，将模板剂0.8份按质量比为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）：乙二胺=1：2.5混合，将模板剂加入半凝胶状熔融物中；搅拌均匀后进行烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间7小时；烧结结束迅速退火降温，破碎，过筛，分离出粒度16#磨粒。
实施例7
1）采用热气烘燥设备，按重量份硅酸钠13份、有机胺4份、硅灰石25份和粒度80#氧化铝磨料95份的比例进行混合，混合均匀后溶解在150份乙二醇乙醚溶剂中，并加入4份乙二胺作为催化剂进行混炼，恒温加热，保持温度35~40℃；
2）混炼至半凝胶状态，将模板剂0.8份按质量比为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）：乙二胺=1：2混合，将模板剂加入半凝胶状熔融物中；搅拌均匀后进行烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间8小时；烧结结束迅速退火降温，破碎，过筛，分离出粒度18#磨粒。
实施例8
1）采用热气烘燥设备，按重量份粒度10份、碳酸锂7份、高岭土粉25份和粒度240#的碳化硅磨料100份的比例投入开炼机中进行混合，混合均匀后溶解在140份乙二醇乙醚溶剂中，并加入5份乙二胺作为催化剂进行混炼，恒温加热，保持温度40~45℃；
2）混炼至半凝胶状态，将模板剂0.8份按质量比为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）：乙二胺=1：2.5混合，将模板剂加入半凝胶状熔融物中；搅拌均匀后进行烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间9小时；烧结结束迅速退火降温，破碎，过筛，分离出粒度20#磨粒。
实施例9
1）按重量份纳米级氢氧化铝13份、碳酸氢钾3份、火山灰15份和粒度240#的碳化硅磨料70份的比例投入开炼机中进行混合，混合均匀后溶解在110份乙二醇乙醚溶剂中，并加入2份乙二胺作为催化剂进行混炼，恒温加热，保持温度40~50℃；
2）混炼至半凝胶状态，将模板剂0.8份按质量比为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）：乙二胺=1：1.5混合，将模板剂加入半凝胶状熔融物中；搅拌均匀后将半凝胶状熔融物中投入烧结机中进行烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间6小时；烧结结束迅速退火降温，破碎，过筛，分离出粒度20#磨粒。
检测结果
图1为打磨前单个磨粒的表面形貌，图1为打磨400s单个磨粒的表面形貌。图1~2为18#磨粒上的表面形貌，18#磨粒选用的磨料大小为80号。
从图1中可以看到单个80号磨料与周围的80号磨料紧密的排列在一起，且磨料之间存在明显的间隙，此为粘合剂与磨料作用彼此粘合在一起的结果，可以看到磨料粘合的均匀致密，在实际磨削过程中，依次脱落。
从图2中可以看到打磨进行500s时，对磨粒表面形貌进行拍照，从图2可看出，磨粒表面的单个80号磨料彼此粘合在一起，磨粒表面成规则的凹凸起伏，图2中磨粒表面粗糙度与图1中磨粒表面粗糙度差别微小。磨粒内部的正四面体结构使磨粒表面在1~500内均保持较好的打磨效果。
将以实施例1所制备的磨粒、外国磨粒和普通磨粒采用相同工艺制作城涂附磨具，进行对比检测。检测条件：压力0.2MPa，转速2100r/s；磨粒型号均为18#，测试间隔15秒一次，测试60次。
磨削总量：自制砂带 P80：160.49g；AX67 P80:127.06g；VSM KK718X P80：149.78g。检测结果如附图3所示，其中磨削时间单位分钟（s），磨削量单位克（g）。
涂附磨具的制备方法采用基体布为聚酯布，采用重力植砂法植砂。
通过附图3可以看出，采用本发明磨粒的涂附磨具在打磨过程的中后期（150~900s内），磨削量维持在较高且较稳定的数值，磨削量在1.8~4g内。普通砂带由于发生堵塞，无法继续进行打磨，打磨时间小于等于600s。实施例1的打磨时间可达到900s。900s时，实施例1的磨削仍能维持较为稳定的数值，而外国代表性砂带的磨削量已经产生明显的下降。综上说明，采用本发明磨粒的涂附磨具耐磨性能优异，且不易堵塞。在相同时间下，实施例1的磨削量均大于现有普通砂带和外国代表性砂带，说明采用本发明磨粒的涂附磨具有较高的磨削效率。
打磨结束后，观察被打磨的工件表面。经现有普通砂带和外国代表性砂带打磨后的工件表面大面积发红，温度高，冷却后工件表面发生氧化，变黑变暗。实施例1打磨后的工件表面大面积发红温度较高，无发红现象发生，冷却后工件表面光亮，无变色现象发生。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种耐磨磨粒的烧结方法，其特征在于，采用如下步骤：
1）按重量份矿物聚合材料粘结剂5~15份、碱性化合物1~10份、填料10~30份和磨料60~100份的比例进行混合，混合均匀后溶解在乙二醇乙醚中，并加入催化剂2~5份进行混炼，恒温加热，保持温度30~50℃；
2）混炼至半凝胶状态，加入模板剂0.5~1份进行烧结，烧结温度300~400℃，烧结时间6~9小时，迅速退火降温，破碎，过筛，分离出同等尺寸的磨粒；
步骤2）中所述模板剂为十六烷基三甲基溴化铵和乙二胺按质量比1：1.5～2.5的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨磨粒的烧结方法，其特征在于：步骤1）中所述矿物聚合材料粘结剂为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂、磷酸二氢铝、铝酸钠、纳米级氢氧化铝或纳米级二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种耐磨磨粒的烧结方法，其特征在于：步骤1）中所述碱性化合物为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸锂或有机胺。
4.根据权利要求1所述的一种耐磨磨粒的烧结方法，其特征在于：步骤1）中所述填料为白云石粉、莫来石粉、冰晶石粉、钾长石粉、硼玻璃粉、硅灰石粉、高岭土粉、矿渣粉、粉煤灰或火山灰。
5.根据权利要求1所述的一种耐磨磨粒的烧结方法，其特征在于：步骤1）中所述磨料为氧化铝、碳化硅、石榴石、金刚石或立方氮化硼。
6.根据权利要求1所述的一种耐磨磨粒的烧结方法，其特征在于：步骤1）中所述磨料为煅烧氧化铝。
7.根据权利要求1所述的一种耐磨磨粒的烧结方法，其特征在于：步骤1）中所述催化剂为乙二胺。
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