CN103624695B - 陶瓷结合剂超硬磨具及其制造方法 - Google Patents

陶瓷结合剂超硬磨具及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低气孔率的陶瓷结合剂超硬磨具，包括基体及磨料层，其中磨料层由包括超硬磨料、陶瓷结合剂及临时粘结剂的原料经压制及烧结而成；压制包括热压；磨料层的气孔率为5%以下。由于在制造该磨具过程中对其进行冷压与热压，挤出包含在原料中的空气及坯块受热产生的气体和孔隙，使该磨具具有低气孔率。低气孔率的陶瓷结合剂超硬磨具具有强度高、硬度高及寿命长等优点，并适合于对韧性材料的磨削加工。此外，还提供一种制造上述低气孔率的陶瓷结合剂超硬磨具的方法。

Description

陶瓷结合剂超硬磨具及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种磨具及其制造方法，特别是涉及一种低气孔率的陶瓷结合剂超硬磨具及其制造方法。
背景技术
磨具是一种用于磨削、研磨及抛光的工具，大部分是由磨料添加结合剂制成，气孔是组成磨具的三要素之一，气孔率的高低将直接影响磨具的强度、硬度及应用范围。
对于磨具而言，磨损主要是在磨削加工过程中，结合剂被破坏而引起磨粒的脱落，而硬度表示磨粒在外力的作用下从磨具表面脱落的难易程度，即表示结合剂对磨粒的把持力，硬度越高，把持力越大，磨粒越难脱落，磨具的寿命越高，而气孔率越高将导致结合剂对磨粒的把持力越小。
当对陶瓷或石材等脆性材料的表面磨削加工或边棱磨削加工时，都是线接触式磨削，排屑及冷却效果非常好，对磨具气孔率的要求不高，完全可以采用低气孔率甚至无气孔的磨具，这样可以提高磨具的硬度，从而提高磨具的使用寿命，提高磨具的性价比，降低磨具原材料的耗用。
在对软钢等韧性的材料加工磨削中，由于材料的韧性大，容易产生很长的切屑，结合剂容易被切屑破坏或削除，造成磨具的异常磨损，而且切屑越长，异常磨损越剧烈。为了降低磨具的异常磨损，应尽可能地减小磨具的气孔率，当容屑槽很小时，堆积的切屑与新生面再次熔融，等不到磨粒脱落，磨粒已经结束磨削。
陶瓷结合剂超硬磨具由陶瓷结合剂与超硬磨料经压制及烧结而成，同时具有陶瓷结合剂及超硬磨料的特点，与其他磨具相比，它的磨削能力强，耐用度高、磨削时磨具的形状保持性好，加工出来的零件尺寸精度高，自锐性能好，修整间隔时间长，并适用于各种冷却液冷却。
传统的陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法为湿法成型、自由烧成的工艺，其先在原料中添加临时粘结剂，混合均匀后用压机压制出毛坯块，烘干，并送入烧结炉中，在一定的烧结条件下烧成，该方法制得陶瓷结合剂超硬磨具具有非常大气孔率，通常在30%左右。
如果可以制造出低气孔率的陶瓷结合剂超硬磨具，使陶瓷结合剂超硬磨具同时具有强度高，硬度高及寿命长等优点，以及能够应用到对韧性材料的磨削领域。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种低气孔率的陶瓷结合剂超硬磨具。
本发明的另一目的是提供一种制造上述低气孔率的陶瓷结合剂超硬磨具的方法。
为实现上述主要目的，本发明提供一种陶瓷结合剂超硬磨具，包括基体及磨料层，其中磨料层由包括超硬磨料、陶瓷结合剂及临时粘结剂的原料经压制及烧结而成；上述压制包括热压工艺；磨料层的气孔率为5%以下。
由以上方案可见，超硬磨料为磨具提供磨削所需的磨削刃，陶瓷结合剂为磨具上磨料提供把持力，临时粘结剂用于冷压步骤中对超硬磨料及陶瓷结合剂进行粘结便于压制成坯块；由于在压制中包括热压，可以通过现有技术中的压机压制，即冷压工序将原料中空气挤压出，并通过临时粘结剂的作用，初步制成坯块，再通过热压工序对烧结过程中及热压过程中临时粘结剂及原料烧结致密化产生的气孔挤压出，保证制得的磨具具有低气孔率；低气孔率的陶瓷结合剂超硬磨具具有硬度高、强度高及使用寿命长等优点，并适用于对韧性材料的磨削加工。
一个具体的方案为，按重量份数，超硬磨料为100份，陶瓷结合剂为40-70份，临时粘接剂为6-10份，原料中还包括填料5-10份。
另一个具体的方案为，磨料层的气孔率为1%-4.2%。
为了实现上述另一目的，本发明提供的一种陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法包括原料准备步骤、冷压步骤、干燥步骤、预烧结步骤及烧结热压步骤；其中原料准备步骤：先将原料混合均匀，再加入临时粘结剂并混合均匀；冷压步骤：把混合均匀的原料放入冷压模具中压制成坯块，该坯块的密度为制成的陶瓷结合剂超硬磨具的设计密度的70%-90%，并脱模；干燥步骤：把脱模后的坯块在常温常压下干燥24小时；预烧结步骤：把经干燥后的坯块放入热压磨具中，加热至预烧结温度并在预烧结温度下保温1小时-2小时，该预烧结温度为500摄氏度-650摄氏度；烧结热压步骤：经预烧结步骤后的坯块加热至烧结温度并在烧结温度下保温2小时-3小时，经保温之后的坯块在5兆帕-10兆帕的压力下热压至该坯块的密度为制成的陶瓷结合剂超硬磨具的设计密度，经热压之后的坯块在上述烧结温度下保温0小时-0.5小时，并随烧结设备冷却至室温，脱模。
由以上方案可见，原料中的临时粘结剂用于冷压步骤中将其他原料粘接一起形成坯块，其量只需使原料能冷压成型就可；在冷压步骤中，混合均匀的原料在冷压模具中压制到设计密度的70%-90%，使坯块的密度提高，易于成型，并将坯块中大部分空气挤压出坯块，减小热压步骤中的气体排出量，由于采用定容成型的方法进行压制，所以只有坯块的厚度方向尺寸可压制，当冷压后密度太大，在热压步骤中坯块受热膨胀会损坏相应的模具，故不能太大；在干燥步骤中，让坯块中的液体挥发，使后续的热压容易进行；在预烧结步骤中，当把坯块的温度加热至预烧结温度，使临时粘结剂及陶瓷结合剂中的低熔点成份受热生成气体，经过1小时-2小时的保温，为了让它们尽量地生成气体并排出；在烧结热压步骤中，把坯块加热至烧结温度并保温时，让陶瓷结合剂与超硬磨料粘接成型，保温之后进行热压是为了把坯块压制到设计密度，并把原料中由于受热生成的气体挤压出坯块，并将坯块在烧结致密化过程中产生的孔隙挤出，以制造出低气孔率的磨具，热压之后保温0小时-0.5小时，为了缓解磨具中应力，防止冷却过程产生裂纹。
一个具体的方案为，上述方法的预烧结步骤还包括热压工序，该热压工序是将经保温后的坯块在5兆帕-10兆帕的压力下热压，经热压后坯块缩小的体积为临时粘结剂的体积。
由以上方案可见，由于坯块在加热至预烧结温度并进行保温，使临时粘结剂生成气体，通过热压可以将气体及孔隙尽量地从坯块中挤压出，使后续烧结热压步骤中的热压更容易进行。
另一个具体的方案为，在预烧结步骤及烧结热压步骤中的升温速率为3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟。
由以上方案可见，由于热压模具在装坯块时，预留0.05毫米-0.1毫米的装填孔隙，其升温速率不宜太快，防止升温过快，防止坯块与模具热膨胀差异而胀坏模具。
另一个具体的方案为，当超硬磨料为立方氮化硼，且陶瓷结合剂为立方氮化硼陶瓷结合剂时，烧结温度为870摄氏度-900摄氏度。
另一个具体的方案为，当超硬磨料为金刚石，且陶瓷结合剂为金刚石陶瓷结合剂时，烧结温度为780摄氏度-830摄氏度。
再一个具体的方案为，在烧结热压步骤中烧结设备冷却至室温的降温速率小于5摄氏度/分钟。
由以上方案可见，由于在坯块冷却过程中需防止冷却过快导致热应力过大而使坯块产生裂纹。
更具体的方案为，该陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法还包括还粘结与修整步骤：将经上述烧结热压步骤之后的坯块粘结于基体上，并修形及开刃，制成成品。
附图说明
图1为本发明陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法的工艺流程图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图1，本发明陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法步骤由原料准备步骤、冷压步骤、干燥步骤、预烧结步骤、烧结热压步骤、及粘结与修整步骤构成；其中超硬磨料选自金刚石或立方氮化硼；陶瓷结合剂选自与超硬磨料相对应的金刚石陶瓷结合剂或立方氮化硼陶瓷结合剂；填料可选自刚玉或碳化硅等常用填料，为了满足不同用途的磨具对磨削性能的要求；临时粘结剂可选自糊精液或液体石蜡。
陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法第一实施例
本发明陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法第一实施例的步骤如下：
原料准备步骤：按下表1中的规格及重量份数称取金刚石、金刚石陶瓷结合剂、刚玉、及糊精液或液体石蜡，先将金刚石、金刚石陶瓷结合剂及刚玉在三维混料机中混合2个小时，再加入糊精液或液体石蜡混合均匀，并造粒；
冷压步骤：把原料准备步骤中混合均匀并造粒的原料放入冷压模具中，以定容成型的方式把原料压制成密度为2克/立方厘米的坯块，进行脱模；
干燥步骤：把脱模之后的坯块置于常温常压条件下干燥24小时；
预烧结步骤：把干燥后的坯块放入石墨模具中，并装配好石墨模具，把坯块连同石墨模具放入烧结炉中以3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟的升温速率升至500摄氏度-550摄氏度并保温1小时，接着以定容成型的方式在压机上压制一次，压力为5兆帕，经此次压制之后，经压制后坯块缩小的体积为临时粘接剂的体积，不保压；
烧结热压步骤：把经预烧结后的坯块以3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟的升温速率升至烧结温度，该烧结温度为780摄氏度-830摄氏度，并保温2小时，接着以定容成型的方式在压机上压制至该模具的设定密度2.50克/立方厘米，压力为5兆帕，不保压，再在烧结温度条件下继续保温0.5小时，并随烧结设备冷却至常温；
粘结与修整步骤：拆模，并将坯块粘结于基体上，经修形及开刃后成为成品磨具。
上述制造方法制得磨具通过排水法测得开口气孔率为3.9%。
陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法第二实施例
本发明陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法步骤如下：
原料准备步骤：按下表1中的规格及重量份数称取金刚石、金刚石陶瓷结合剂、刚玉、及糊精液或液体石蜡，先将金刚石、金刚石陶瓷结合剂及刚玉在三维混料机中混合2个小时，再加入糊精液或液体石蜡混合均匀，并造粒；
冷压步骤：把原料准备步骤中混合均匀并造粒的原料放入冷压模具中，以定容成型的方式把原料压制成密度为2.1克/立方厘米的坯块，进行脱模；
干燥步骤：把脱模之后的坯块置于常温常压条件下干燥24小时；
预烧结步骤：把干燥后的坯块放入石墨模具中，并装配好石墨模具，把坯块连同石墨模具放入烧结炉中以3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟的升温速率升至500摄氏度-550摄氏度并保温2小时，接着以定容成型的方式在压机上压制一次，压力为8兆帕，经此次压制之后，经压制后坯块缩小的体积为临时粘接剂的体积，不保压；
烧结热压步骤：把经预烧结后的坯块以3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟的升温速率升至烧结温度，该烧结温度为780摄氏度-830摄氏度，并保温3小时，接着以定容成型的方式在压机上压制至该模具的设定密度2.55克/立方厘米，压力为7兆帕，不保压，再在烧结温度条件下继续保温0.5小时，并随烧结设备冷却至常温；
粘结与修整步骤：拆模，并将坯块粘结于基体上，经修形及开刃后成为成品磨具。
经上述制造方法制得磨具通过排水法测得开口气孔率为1%。
陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法第三实施例
本发明陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法步骤如下：
原料准备步骤：按下表1中的规格及重量份数称取立方氮化硼、立方氮化硼陶瓷结合剂、刚玉、及糊精液或液体石蜡，先将立方氮化硼、立方氮化硼陶瓷结合剂及刚玉在三维混料机中混合2个小时，再加入糊精液或液体石蜡混合均匀，并造粒；
冷压步骤：把原料准备步骤中混合均匀并造粒的原料放入冷压模具中，以定容成型的方式把原料压制成密度为2.1克/立方厘米的坯块，进行脱模；
干燥步骤：把脱模之后的坯块置于常温常压条件下干燥24小时；
预烧结步骤：把干燥后的坯块放入石墨模具中，并装配好石墨模具，把坯块连同石墨模具放入烧结炉中以3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟的升温速率升至550摄氏度-650摄氏度并保温1小时，接着以定容成型的方式在压机上压制一次，压力为7兆帕，经此次压制之后，经压制后坯块缩小的体积为临时粘接剂的体积，不保压；
烧结热压步骤：把经预烧结后的坯块以3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟的升温速率升至烧结温度，该烧结温度为870摄氏度-900摄氏度，并保温2小时，接着以定容成型的方式在压机上压制至该模具的设定密度2.6克/立方厘米，压力为9兆帕，不保压，再在烧结温度条件下继续保温0.5小时，并随烧结设备冷却至常温；
粘结与修整步骤：拆模，并将坯块粘结于基体上，经修形及开刃后成为成品磨具。
经上述制造方法制得磨具通过排水法测得开口气孔率为4.2%。
陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法第四实施例
本发明陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法步骤具体如下：
原料准备步骤：按下表1中的规格及重量份数称取立方氮化硼、立方氮化硼陶瓷结合剂、刚玉、及糊精液或液体石蜡，先将立方氮化硼、立方氮化硼陶瓷结合剂及刚玉在三维混料机中混合2个小时，再加入糊精液或液体石蜡混合均匀，并造粒；
冷压步骤：把原料准备步骤中混合均匀并造粒的原料放入冷压模具中，以定容成型的方式把原料压制成密度为2.05克/立方厘米的坯块，进行脱模；
干燥步骤：把脱模之后的坯块置于常温常压条件下干燥24小时；
预烧结步骤：把干燥后的坯块放入石墨模具中，并装配好模具，把坯块连同石墨模具放入烧结炉中以3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟的升温速率升至550摄氏度-650摄氏度并保温2小时，接着以定容成型的方式在压机上压制一次，压力为10兆帕，经此次压制之后，经压制后坯块缩小的体积为临时粘接剂的体积，不保压；
烧结热压步骤：把经预烧结后的坯块以3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟的升温速率升至烧结温度，该烧结温度为870摄氏度-900摄氏度，并保温3小时，接着以定容成型的方式在压机上压制至该模具的设定密度2.6克/立方厘米，压力为10兆帕，不保压，再在烧结温度条件下继续保温0.5小时，并随烧结设备冷却至常温；
粘结与修整步骤：拆模，并将坯块粘结于基体上，经修形及开刃后成为成品磨具。
经上述制造方法制得磨具通过排水法测得开口气孔率为1.3%。
表1组分及含量
在上述实施例中，烧结炉可以为马弗炉、钟罩炉或隧道炉，当为马弗炉时，其压制方式为把保温之后的模具及坯块一起从马弗炉中拿出，在油压机上压制之后再放回马弗炉中加热及保温；当为钟罩炉时，其压制方式可为直接在钟罩炉中进行压制；当为隧道炉时，其压制方式可为在隧道炉中加一台热压机进行压制。
陶瓷结合剂超硬磨具已经在上述陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法中阐明，本具体实施方式中不再赘述。
本发明的主要构思是通过冷压将大部分空气从原料中挤出并制得坯块，再通过热压将原料中的临时粘结剂及低熔点原料在高温下分解产生的气体从模具中挤出，并通过热压将烧结热压步骤中陶瓷结合剂液化收缩产生的孔隙挤压出，制造出低气孔率的陶瓷结合剂超硬磨具；根据本构思，原料的组分及含量，冷压条件、方式及冷压之后坯块的密度，热压的次数、条件及方式，及最后成型陶瓷结合剂超硬磨具的气孔率还有多种显而易见的变化。

Claims (10)

1.陶瓷结合剂超硬磨具，包括基体及磨料层，所述磨料层由包括超硬磨料、陶瓷结合剂及临时粘结剂的原料经压制及烧结而成；
其特征在于：
所述压制包括热压；
所述磨料层的气孔率为1%-5%。
2.根据权利要求1所述陶瓷结合剂超硬磨具，其特征在于：
按重量份数：
所述超硬磨料为100份；
所述陶瓷结合剂为40-70份；
所述临时粘结剂为6-10份；
所述原料还包括填料5-10份。
3.根据权利要求1或2所述陶瓷结合剂超硬磨具，其特征在于：
所述气孔率为1%-4.2%。
4.根据权利要求1所述陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法，包括：
原料准备步骤：先将原料混合均匀，再加入临时粘结剂并混合均匀；
冷压步骤：把混合均匀的原料放入冷压模具中压制成坯块，所述坯块的密度为所述陶瓷结合剂超硬磨具的设计密度的70%-90%，脱模；
干燥步骤：把脱模后的坯块在常温常压下干燥24小时；
预烧结步骤：把经干燥后的坯块放入热压模具中，加热至预烧结温度并在预烧结温度下保温1小时-2小时，所述预烧结温度为500摄氏度-650摄氏度；
烧结热压步骤：经预烧结步骤后的坯块加热至烧结温度并在烧结温度下保温2小时-3小时，经保温之后的坯块在5兆帕-10兆帕的压力下热压至所述坯块的密度为所述设计密度，经热压之后的坯块在所述烧结温度下保温0小时-0.5小时，并随烧结设备冷却至室温，脱模。
5.根据权利要求4所述陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法，其特征在于：
所述预烧结步骤还包括热压工序，所述热压工序为将经保温后的坯块在5兆帕-10兆帕的压力下热压，经热压后所述坯块缩小的体积为临时粘结剂的体积。
6.根据权利要求4所述陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法，其特征在于：
所述预烧结步骤及烧结热压步骤中的升温速率为3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟。
7.根据权利要求4所述陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法，其特征在于：
所述超硬磨料为立方氮化硼，所述陶瓷结合剂为立方氮化硼陶瓷结合剂，所述烧结温度为870摄氏度-900摄氏度。
8.根据权利要求4所述陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法，其特征在于：
所述超硬磨料为金刚石，所述陶瓷结合剂为金刚石陶瓷结合剂，所述烧结温度为780摄氏度-830摄氏度。
9.根据权利要求4所述陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法，其特征在于：
所述烧结热压步骤中烧结设备冷却至室温的降温速率小于5摄氏度/分钟。
10.根据权利要求4至9任一所述陶瓷结合剂超硬磨具的制造方法，其特征在于：
还包括粘结与修整步骤：经所述烧结热压步骤之后的坯块粘结于基体上，并修形及开刃。
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