CN103624696B - 陶瓷结合剂、制备方法及陶瓷结合剂磨具的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐火度低及强度高的陶瓷结合剂，其组分及含量按重量百分比为：二氧化硅25%-45%，粒度不大于5微米的超细二氧化硅15%-25%，四硼酸钠14%-20%，氧化铝8%-13%，碳酸锂4%-8%，氧化锌5%-10%，氧化镁1%-2%，碳酸钡0%-1%，氧化钛3%-5%。由于在组分中引入超细二氧化硅，提高陶瓷结合剂的强度，同时降低耐火度。此外，还提供该陶瓷结合剂的制备方法及利用该陶瓷结合剂制造陶瓷结合剂磨具的方法。

Description

陶瓷结合剂、制备方法及陶瓷结合剂磨具的制造方法

技术领域

本发明涉及一种磨具的结合剂、制备方法及该磨具的制造方法，特别涉及一种陶瓷结合剂、制备方法及陶瓷结合剂磨具的制造方法。

背景技术

磨具是一种用于磨削、研磨及抛光的工具，大部分由磨料添加结合剂制成，常用于制造磨具的结合剂有树脂结合剂、金属结合剂及陶瓷结合剂，与树脂结合剂及金属结合剂相比，利用陶瓷结合剂制成的磨具具有磨削能力强，耐用度高、磨削时磨具的形状保持性好，加工出的零件尺寸精度高，自锐性能好，修整间隔时间长，并适用于各种冷却液冷却。

目前陶瓷结合剂体系主要有B-Zn-Si系，Na-B-Al-Si系，Li-Al-Si系及铅玻璃系。研究内容主要集中在陶瓷结合剂的组成上，研究目的主要是为获得低热膨胀系数，低耐火度及高强度的陶瓷结合剂。特别是金刚石陶瓷结合剂，由于金刚石在800摄氏度条件下就开始出现热失重，所以金刚石磨具的烧结温度一般不超过850摄氏度，否则金刚石由于热失重而破坏金刚石磨料的磨削能力，为了满足该烧结温度的要求，金刚石陶瓷结合剂的耐火度低于800摄氏度为宜，针对该问题，现有技术主要是通过引入大量的碱性物质来降低金刚石陶瓷结合剂的耐火度,但因此也会降低陶瓷结合剂的强度。

现有陶瓷结合剂的制备方法包括配料步骤、混合步骤、熔炼步骤、水淬步骤、破碎步骤、干燥步骤及过筛步骤，在水淬步骤之前，即在熔炼步骤中需先将原料加热至1300摄氏度-1400摄氏度进行熔炼，之后必需放入水中进行水淬，碱性物质在该过程中会受热而挥发，从而影响制备出陶瓷结合剂的耐火度、低热膨胀系数、强度等性能的稳定性。

现有技术中陶瓷结合剂磨具的制造方法包括备料步骤、成型步骤、烧结步骤及冷却步骤，备料步骤：按相应含量准备原料并混合均匀；成型步骤：把混合均匀的原料放入冷压磨具中，并以定容成型的方式压制成坯块，干燥；烧结步骤：将坯块放入烧结炉中，在烧结条件下烧结成磨具；冷却步骤：烧结后的坯块自然冷却至室温。

如果对陶瓷结合剂的组分与含量进行改进，使陶瓷结合剂同时具有低耐火度与高强度的性能，则可满足对陶瓷结合剂的性能要求；如果该陶瓷结合剂的制备方法不包含水淬步骤，则可以解决现有技术中由于水淬带来的问题，同时降低生产成本。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种耐火度低且强度高的陶瓷结合剂。

本发明的另一目的是提供一种无水淬的制备上述陶瓷结合剂的方法。

本发明的再一目的是提供一种使用上述陶瓷结合剂制造陶瓷结合剂磨具的方法。

为实现上述主要目的，本发明提供的陶瓷结合剂的组分及含量按重量百分比为二氧化硅25%-45%，粒度不大于5微米的超细二氧化硅15%-25%，四硼酸钠14%-20%，氧化铝8%-13%，碳酸锂4%-8%，氧化锌5%-10%，氧化镁1%-2%，碳酸钡0%-1%，氧化钛3%-5%。

在上述陶瓷结合剂组合物中，二氧化硅、超细二氧化硅、四硼酸钠、氧化铝、氧化锌、氧化镁、碳酸锂及碳酸钡作为基础玻璃原料；二氧化硅主要为陶瓷结合剂提供由硅氧四面体组成的主架构；氧化钛作为晶核剂；由于在基础玻璃原料中含有15%-25%的粒度不大于5微米的超细二氧化硅，增加了整体粉末的比表面积，即表面活化能，从而降低陶瓷结合剂的烧结温度，即耐火度，并增强该陶瓷结合剂的强度，克服传统工艺中通过增加二氧化硅的含量来增加陶瓷结合剂强度的同时也提高了陶瓷结合剂耐火度的问题；由于二氧化硅的热膨胀系数为0.5×10^-6/摄氏度，低于金刚石与立方氮化硼等磨料的热膨胀系数，通过增加二氧化硅的含量可以降低陶瓷结合剂的热膨胀系数，从而达到烧结后的陶瓷结合剂与磨料的热膨胀系数相匹配；由于该陶瓷结合剂是组合物，在制备过程中只需按各组分含量进行混合，与现有陶瓷结合剂的制备方法相比，其无需经过水淬步骤，降低相应的操作成本并解决现有制备方法中由于水淬导致碱性物质的挥发，造成陶瓷结合剂性能不稳定的问题。这些组分的组合以及各组分的上述重量百分比范围，是通过大量的试验确定的，上述组合以及百分比范围使本发明陶瓷结合剂不需经过传统陶瓷结合剂制备方法中的水淬步骤，与磨料通过相应的烧结工艺步骤就可以制造出达到相应的硬度及强度要求的陶瓷结合剂磨具。

具体的方案为，该陶瓷结合剂各组分的粒度均不大于180目。

由以上方案可见，由于各个组分的粒度都不大于180目，有利于充分地混合均匀，在今后的制造磨具的烧结过程中能够充分地参与反应，提高磨具各个部位陶瓷结合剂反应的均匀性。

为了实现上述另一目的，本发明提供的陶瓷结合剂的制备方法按以下步骤进行，备料步骤：按重量百分比，原料的组分及含量为二氧化硅25%-45%，粒度不大于5微米的超细二氧化硅15%-25%，四硼酸钠14%-20%，氧化铝8%-13%，碳酸锂4%-8%，氧化锌5%-10%，氧化镁1%-2%，碳酸钡0%-1%，氧化钛3%-5%；球磨步骤：将保温后的原料在300转/分钟的条件下球磨5小时-6小时，冷却至常温；过筛步骤：将冷却后的原料过180目的筛；重复上述球磨步骤与上述过筛步骤至所有原料通过180目的筛，混合均匀制成成品陶瓷结合剂。

由以上方案可见，该制备方法不需进行熔炼，因此，也无需水淬步骤，可以解决现有制备方法中需要水淬所带来的制备成本高及陶瓷结合剂性能不稳定的问题。

为了实现上述另一目的，本发明提供的陶瓷结合剂的制备方法按以下步骤进行，备料步骤：按重量百分比，原料的组分及含量为二氧化硅25%-45%，粒度不大于5微米的超细二氧化硅15%-25%，四硼酸钠14%-20%，氧化铝8%-13%，碳酸锂4%-8%，氧化锌5%-10%，氧化镁1%-2%，碳酸钡0%-1%，氧化钛3%-5%；干燥步骤：将备好的原料在300摄氏度的条件下保温3小时；球磨步骤：将保温后的原料在300转/分钟的条件下球磨5小时-6小时，冷却至常温；过筛步骤：将冷却后的原料过180目的筛；重复上述球磨步骤与上述过筛步骤至所有原料通过180目的筛，混合均匀制成成品陶瓷结合剂。

由以上方案可见，该制备方法不需进行熔炼，因此，也无需水淬步骤，可以解决现有制备方法中需要水淬所带来的制备成本高及陶瓷结合剂性能不稳定的问题；经过干燥步骤将原料中可能含有的水分去除。

为了实现上述再一目的，本发明提供的陶瓷结合剂磨具的制造方法包括：备料步骤、成型步骤、烧结步骤及冷却步骤，其中备料步骤中的陶瓷结合剂的组分按重量百分比为二氧化硅25%-45%，粒度不大于5微米的超细二氧化硅15%-25%，四硼酸钠14%-20%，氧化铝8%-13%，碳酸锂4%-8%，氧化锌5%-10%，氧化镁1%-2%，碳酸钡0%-1%，氧化钛3%-5%，且所有组分的粒度均不大于180目；烧结步骤：将成型步骤中制得的坯块加热至300摄氏度-400摄氏度，并保温1小时-2小时；保温之后的坯块加热至600摄氏度-700摄氏度并保温1小时-2小时；再将保温之后的坯块加热至760摄氏度-820摄氏度并保温2小时-4小时。

由以上方案可见，在该制备方法的烧结步骤中，在300摄氏度-400摄氏度保温1小时-2小时，主要为了排除临时粘结剂；在600摄氏度-760摄氏度保温1小时-2小时，主要为了让陶瓷结合剂中的低熔原料分解成陶瓷结合剂所需氧化物；在760摄氏度-820摄氏度保温2小时-4小时，为各组分反应生成液相结合剂把金刚石磨料团结一起，制得陶瓷结合剂磨具。

具体的方案为，在该制备方法的烧结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，控制升温速率，使坯块整体的温度分布更均匀，整体反应及反应速率更均匀。

更具体的方案为，在备料步骤中的原料按重量份数包括金刚石100份，上述陶瓷结合剂30-50份，填料5-10份及临时粘接剂6-10份。

以下通过实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

陶瓷结合剂及其制备方法实施例

本发明陶瓷结合剂的制备方法步骤为:

备料步骤：按下表1中的组分及含量准备原料，其中超细二氧化硅的粒度不大于5微米；

干燥步骤：将备好的原料放入烘箱中，在300摄氏度的条件下保温3小时；

球磨步骤：将保温后的原料放入星式球磨机或高能球磨机中，在300转/分钟的条件下球磨5小时-6小时，冷却至常温；

过筛步骤：将冷却后的原料过180目的筛；

重复上述球磨步骤及过筛步骤直至所有原料通过180目的筛。

表1 组分及含量

                                                 

采用耐火锥对上述6个实施例制备的陶瓷结合剂的耐火度进行测试，测试结果如下表2所示。

表2 陶瓷结合剂的耐火度

由以上表2可以得出，该6个实施例的耐火度为700摄氏度-750摄氏度，满足金刚石及立方氮化硼等磨料对陶瓷结合剂低耐火度的要求，特别是金刚石磨料。

为了表征本发明陶瓷结合剂的性能，可以利用上述6个实施例制得的陶瓷结合剂制造陶瓷结合剂磨具，并对该陶瓷结合剂磨具的抗弯强度与洛氏硬度进行测试，其中洛氏硬度可用于表征该陶瓷结合剂磨具中陶瓷结合剂对金刚石磨粒的把持能力，抗弯强度可用于表征该陶瓷结合剂磨具中陶瓷结合剂的强度。

陶瓷结合剂磨具的制造方法实施例

其中磨料可以选自金刚石或立方氮化硼，本实施例选用金刚石为例对本发明陶瓷结合剂磨具的制造方法进行说明。

陶瓷结合剂磨具的制造方法的具体步骤为：

备料步骤：按下表3的组分及含量准备原料，其中各实施例的陶瓷结合剂分别从上述制得的陶瓷结合剂对应组中选取，并混合均匀；

成型步骤：将备好的原料放入冷压模具中，并以定容成型的方式压制成坯块，干燥；

烧结步骤：将坯块放入电阻炉中，以3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟的升温速率加热至300摄氏度-400摄氏度，并保温1小时-2小时；保温之后的坯块以3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟的升温速率加热至600摄氏度-700摄氏度并保温1小时-2小时；再将保温之后的坯块以3摄氏度/分钟-5摄氏度/分钟的升温速率加热至760摄氏度-820摄氏度并保温2小时-4小时；

冷却步骤：烧结后的坯块随电阻炉冷却至常温；

其中填料可选自刚玉或碳化硅，临时粘结剂可选自糊精液或液体石蜡。

对采用上述制造方法制造出的陶瓷结合剂磨具进行抗弯强度及洛氏硬度的测试，其测试结果如下表3所示。

表3 陶瓷结合剂磨具的制造及性能测试

 

从上表中可以得出，采用本发明陶瓷结合剂制备方法制备的陶瓷结合剂制造出的陶瓷结合剂磨具具有较高的强度及硬度，表明该结合剂对金刚石磨料的把持力符合磨具的使用要求。

通过本发明陶瓷结合剂制备方法制作的陶瓷结合剂由于无需将原料加热至1200摄氏度-1400摄氏度，及无需经过水淬步骤，带来的效果为：解决陶瓷结合剂在水淬时碱性物质挥发的问题；节省了水淬工艺所需的人工成本、设备耗用，并且原料为常用化工原料，使该陶瓷结合剂的生产成本下降50%以上。

本发明的主要构思是通过研究陶瓷结合剂的组分及含量设计出一种耐火度低且强度高、无需水淬可制得的陶瓷结合剂，根据本构思，该陶瓷结合剂的制备方法及陶瓷结合剂磨具的制造方法还有多种显而易见的变化。

Claims (7)

1.陶瓷结合剂，按重量百分比，所述陶瓷结合剂的组分及含量为：

二氧化硅25%-45%及粒度不大于5微米的超细二氧化硅15%-25%，四硼酸钠14%-20%，氧化铝8%-13%，碳酸锂4%-8%，氧化锌5%-10%，氧化镁1%-2%，碳酸钡0%-1%，氧化钛3%-5%。

2.根据权利要求1所述陶瓷结合剂，其特征在于：

所述组分的粒度均不大于180目。

3.陶瓷结合剂的制备方法，按以下步骤进行：

备料步骤：按重量百分比，原料的组分及含量为二氧化硅25%-45%及粒度不大于5微米的超细二氧化硅15%-25%，四硼酸钠14%-20%，氧化铝8%-13%，碳酸锂4%-8%，氧化锌5%-10%，氧化镁1%-2%，碳酸钡0%-1%，氧化钛3%-5%；

球磨步骤：将保温后的原料在300转/分钟的条件下球磨5小时-6小时，冷却至常温；

过筛步骤：将冷却后的原料过180目的筛；

重复所述球磨步骤与所述过筛步骤至所有原料通过180目的筛，混合均匀。

4.陶瓷结合剂的制备方法，按以下步骤进行：

备料步骤：按重量百分比，原料的组分及含量为二氧化硅25%-45%及粒度不大于5微米的超细二氧化硅15%-25%，四硼酸钠14%-20%，氧化铝8%-13%，碳酸锂4%-8%，氧化锌5%-10%，氧化镁1%-2%，碳酸钡0%-1%，氧化钛3%-5%；

干燥步骤：将备好的原料在300摄氏度的条件下保温3小时；

球磨步骤：将保温后的原料在300转/分钟的条件下球磨5小时-6小时，冷却至常温；

过筛步骤：将冷却后的原料过180目的筛；

重复所述球磨步骤与所述过筛步骤至所有原料通过180目的筛，混合均匀。

5.陶瓷结合剂磨具的制造方法，包括备料步骤、成型步骤、烧结步骤及冷却步骤，

其特征在于：

所述备料步骤中的陶瓷结合剂的组分按重量百分比为：二氧化硅25%-45%及粒度不大于5微米的超细二氧化硅15%-25%，四硼酸钠14%-20%，氧化铝8%-13%，碳酸锂4%-8%，氧化锌5%-10%，氧化镁1%-2%，碳酸钡0%-1%，氧化钛3%-5%，所述组分的粒度均不大于180目；

所述烧结步骤为：将成型步骤中制得的坯块加热至300摄氏度-400摄氏度，并保温1小时-2小时；保温之后的坯块加热至600摄氏度-700摄氏度并保温1小时-2小时；再将保温之后的坯块加热至760摄氏度-820摄氏度并保温2小时-4小时。

6.根据权利要求5所述陶瓷结合剂磨具的制造方法，其特征在于：

所述烧结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5或6所述陶瓷结合剂磨具的制造方法，其特征在于：

所述备料步骤中的原料按重量份数包括金刚石100份，所述陶瓷结合剂30-50份，填料5-10份及临时粘结剂6-10份。