CN103692371A - 一种金属陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法 - Google Patents

一种金属陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼顾金属结合剂砂轮高强度、高保型性和陶瓷结合剂砂轮强自锐性的新型金属陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法。本发明的金属陶瓷结合剂金刚石砂轮，是由以下方法制备得到：1）制备粉末混合物，化学镀铜金刚石粉末60－70%，（W，Ti）C粉末15－20%，锡粉5－10%，铁族金属粉5－15%，所述化学镀铜金刚石粉末由平均粒径为5－80微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成；按照上述组份及配比进行混合，制得粉末混合物；2）成型，通过压力成型将上述粉末混合物制成压坯；3）烧结，对上述压坯进行惰性气氛低压烧结，烧结时将压坯加热至850－1050℃并保温10分钟－30分钟，烧结惰性气氛压力为5－10Mpa。

Description

一种金属陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法
技术领域
本发明主要涉及一种金刚石砂轮及其制备方法，具体涉及一种金属陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法。
背景技术
金刚石砂轮是为了利用金刚石进行高精度、高效率磨削加工，而使用结合剂将金刚石磨粒粘结起来并制成具有一定强度和形状的磨具。在金刚石砂轮中用于固结金刚石磨粒的结合剂有树脂、金属和陶瓷三种材料。树脂结合剂对金刚石磨料把持力低，金刚石磨粒易于脱落，自锐性好，砂轮磨削效率高，磨削发热量小，并且可以改善工件表面的粗糙度；但是由于树脂结合剂是有机材料，受树脂本征性能限制，砂轮耐热性、耐水性、耐磨性较差，不能进行精密成型磨削。而金属结合剂金刚石砂轮的强度高，工作面几何形状保持性好，寿命长，耐冲击，但砂轮自锐性差、效率低。陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削能力强、磨削温度低、自锐性强；但是由于目前采用的陶瓷结合剂为低温陶瓷无机材料，引入了大量的碱性物质，在结合剂制备过程中容易挥发而引起结合剂性能不稳定，在金刚石砂轮制造过程中，结合剂对金刚石的润湿性差，大大降低了结合剂对金刚石的把持力，磨具在磨削过程中金刚石容易脱落，损耗大。目前，为了提高金刚石砂轮结合剂对金刚石的把持力和金刚石的自锐性，本领域的研究方向主要集中在新型金刚石结合剂的开发。
发明内容
本发明旨在提供一种兼顾金属结合剂砂轮高强度、高保型性和陶瓷结合剂砂轮强自锐性的新型金属陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法。
本发明的金属陶瓷结合剂金刚石砂轮，是由以下方法制备得到，该方法包括的步骤为：
1）制备粉末混合物
原料的组份及配比（重量百分比）
所述化学镀铜金刚石粉末由平均粒径为5－80微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成；
按照上述组份及配比，将所述化学镀铜金刚石粉末，（W，Ti）C粉末，锡粉，铁族金属粉进行混合，制得粉末混合物；
2）成型
通过压力成型将上述粉末混合物制成压坯；
3）烧结
对上述压坯进行惰性气氛低压烧结，烧结时先将压坯加热至280-400℃并保温20分钟－40分钟进行预反应，然后加热至850－1050℃并保温10分钟－30分钟，烧结惰性气氛压力为5－10Mpa，冷却后即得到金属陶瓷结合剂金刚石砂轮。
其中，在所述化学镀铜金刚石粉末中，所述铜镀层的重量为化学镀铜金刚石粉末重量的3－12%。当铜镀层的重量为化学镀铜金刚石粉末重量的3－12%时，可以实现铜镀层对金刚石粒芯的完全包覆，避免烧结时金刚石颗粒出现石墨化现象，并保证砂轮结合剂对金刚石颗粒的充分把持。若铜镀层的重量占化学镀铜金刚石粉末重量的比例小于3%，则难以实现铜镀层对金刚石粒芯的完全包覆，烧结时金刚石颗粒会因为钴、镍等催化剂金属的存在而出现明显的石墨化现象；但如果铜镀层的重量占化学镀铜金刚石粉末重量的比例大于12%，则会因铜镀层过厚和过分疏松而导致砂轮结合剂对金刚石颗粒把持力的下降。
所述铁族金属一般选择Co、Ni中的至少一种。
所述化学镀铜金刚石粉末可由以下方法制备得到，该方法包括的步骤为：将金刚石颗粒先后在SnCl2溶液和PdCl2溶液中分别进行敏化和活化处理；将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CuSO4溶液中，从而得到混合浆料；在所述混合浆料中加入次磷酸钠进行Cu在金刚石颗粒表面的化学镀，以得到由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成的颗粒物。
本发明的金属陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其包括的步骤为：
1）制备粉末混合物
原料的组份及配比（重量百分比）
Figure BDA0000449874050000021
所述化学镀铜金刚石粉末由平均粒径为5－80微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成；
按照上述组份及配比，将所述化学镀铜金刚石粉末，（W，Ti）C粉末，锡粉，铁族金属粉进行混合，制得粉末混合物；
2）成型
通过压力成型将上述粉末混合物制成压坯；
3）烧结
对上述压坯进行惰性气氛低压烧结，烧结时先将压坯加热至280-400℃并保温20分钟－40分钟进行预反应，然后加热至850－1050℃并保温10分钟－30分钟，烧结惰性气氛压力为5－10Mpa，冷却后即得到金属陶瓷结合剂金刚石砂轮。
所述化学镀铜金刚石粉末中，铜镀层的重量优选为化学镀铜金刚石粉末重量的3－12%。
所述铁族金属选自Co、Ni中的至少一种。
所述化学镀铜金刚石粉末由以下方法制备，该方法包括的步骤为：将金刚石颗粒先后在SnCl2溶液和PdCl2溶液中分别进行敏化和活化处理；将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CuSO4溶液中，从而得到混合浆料；在所述混合浆料中加入次磷酸钠进行Cu在金刚石颗粒表面的化学镀，以得到由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成的颗粒物。
本发明的金属陶瓷结合剂金刚石砂轮具有以下优点：
1、本发明金属陶瓷结合剂金刚石砂轮制备过程中，采用由（W，Ti）C粉末、锡粉、铁族金属粉的混合粉末烧结形成的金刚石砂轮用金属陶瓷结合剂，对金刚石颗粒的把持力、抗弯性能优于现有陶瓷结合剂金刚石砂轮，且该金属陶瓷结合剂金刚石砂轮的自锐性能也优于现有金属结合剂砂轮。
2、本发明金属陶瓷结合剂金刚石砂轮制备过程中，由于使用了化学镀铜金刚石粉末，其铜镀层可以有效的避免结合剂中的钴、镍等金刚石石墨化催化金属反应，并且依靠铜与碳化物扩散速率极低的特性，有效阻止金刚石粒芯与钨钛碳化物（（W，Ti）C）界面的形成，由此增强了材料基体对金刚石粒芯的把持力和金刚石的热稳定性，从而在提高金属陶瓷结合剂金刚石砂轮在高速磨削过程中材料的对保型性和耐磨性，实现高温磨削下仍能对金刚石磨料保持较高的把持力，延长砂轮使用寿命。
3、本发明金属陶瓷结合剂金刚石砂轮制备过程中，在金刚石砂轮的结合剂中加入碳化物（（W，Ti）C）还可以部分提高结合剂的脆性，实现金刚石砂轮磨削过程中破碎脱粒，不断出现新的切削刃，使得砂轮保持锋利状态，提高砂轮自锐性，提升磨削效率。
4、本发明金属陶瓷结合剂金刚石砂轮制备过程中，采用特定的惰性气氛低压烧结条件，并通过低熔点锡粉的加入，可以有效降低金属陶瓷结合剂的液相烧结温度并减少烧结时间，从而降低金刚石粒芯在高温烧结过程中的石墨化转变几率，增强金刚石的稳定性，提高金属陶瓷结合剂金刚石砂轮的保型性和耐磨性。
附图说明
图1为本发明实施例1的金属陶瓷结合剂金刚石砂轮表面显微结构扫面电镜图。
具体实施方式
<实施例1>
试验的步骤为：
1）制备由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成的颗粒物
将金刚石颗粒先后在SnCl2溶液和PdCl2溶液中分别进行敏化和活化处理；将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CuSO4的混合溶液中，从而得到混合浆料；在所述混合浆料中加入次磷酸钠进行Cu在金刚石颗粒表面的化学镀，以得到由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成且平均粒径为10微米的颗粒物。
其中，制备颗粒物的具体操作如下：
A.将金刚石粒芯置于0.05mol/L的SnCl2溶液中浸泡5分钟，然后置于0.05mol/L PdCl2溶液中浸泡4分钟，得到作为化学镀镍、钴的催化活性中心－Pd，Pd吸附于金刚石表面；
B.将通过上述处理后的金刚石粒芯均匀分散在0.2mol/L的CuSO4溶液中以得到混合浆料；
C.将所述混合浆料加热至80℃，加入0.1mol/L次磷酸钠，反应20分钟，在金刚石表面进行Cu化学镀处理制得颗粒物，该颗粒物即由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成。
2）制备粉末混合物
组分 化学镀铜金刚石粉 （W，Ti）C粉末 锡粉 镍粉 钴粉
质量百分比% 60 18 9 4 9
按上述设定的组份及配比称取原料，在V型混料器中以球料比1:5，20转/分钟的速度，进行48小时的球磨混合，制备得到粉末混合物。
3）成型
在粉末混合物中加入5wt.%的石蜡成型剂，搅拌均匀，过筛后在模具中模压制成压坯，模压压力为200MPa。
4）烧结
采用氩气气氛低压烧结技术对上述压坯进行烧结，烧结时先将压坯加热至300℃并保温40分钟进行预反应（目的是使锡形成液相，促进后续反应），然后将压坯加热至850℃并保温30分钟，烧结氩气气氛压力为6Mpa，冷却后即得到所述金属陶瓷结合剂金刚石砂轮。
经测，所述金属陶瓷结合剂金刚石砂轮孔隙率在12%，砂轮线速度可达80m/s，其中金属陶瓷结合剂的抗弯强度为200MPa。
该金属陶瓷结合剂金刚石砂轮孔与现有陶瓷结合剂金刚石砂轮、金属结合剂金刚石砂轮的性能对比如下：
Figure BDA0000449874050000051
<实施例2>
试验的步骤为：
1）制备由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成的颗粒物
将金刚石颗粒先后在SnCl2溶液和PdCl2溶液中分别进行敏化和活化处理；将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CuSO4的混合溶液中，从而得到混合浆料；在所述混合浆料中加入次磷酸钠进行Cu在金刚石颗粒表面的化学镀，以得到由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成且平均粒径为30微米的颗粒物。
其中，制备颗粒物的具体操作如下：
A.将金刚石粒芯置于0.05mol/L的SnCl2溶液中浸泡5分钟，然后0.05mol/L置于PdCl2溶液中浸泡4分钟，得到作为化学镀镍、钴的催化活性中心－Pd，Pd吸附于金刚石表面。
B.将通过上述处理后的金刚石粒芯均匀分散在0.2mol/L的CuSO4溶液中以得到混合浆料。
C.将所述混合浆料加热至90℃，加入0.1mol/L次磷酸钠，反应30分钟，在金刚石表面进行Cu化学镀处理制得颗粒物，该颗粒物即由金刚石粒芯及Cu的金属镀层构成。
2）制备粉末混合物
组分 化学镀铜金刚石粉 （W，Ti）C粉末 锡粉 镍粉 钴粉
质量百分比% 65 15 9 6 5
按设定的组份及配比称取原料，在V型混料器中以球料比1:8，15转/分钟的速度，进行48小时的球磨混合，制备得到粉末混合物。
3）成型
在粉末混合物中加入3wt.%的石蜡成型剂，搅拌均匀，过筛后在模具中模压制成压坯，模压压力为150MPa。
4）烧结
采用氩气气氛低压烧结技术对上述压坯进行烧结，烧结时先将压坯加热至350℃并保温30分钟进行预反应（目的是使锡形成液相，促进后续反应），然后将压坯加热至950℃并保温25分钟，烧结氩气气氛压力为8Mpa，冷却后即得到所述金属陶瓷结合剂金刚石砂轮。
所制砂轮孔隙率在10%，砂轮线速度可达90m/s，其中金属陶瓷结合剂的抗弯强度为190MPa。
该金属陶瓷结合剂金刚石砂轮孔与现有陶瓷结合剂金刚石砂轮、金属结合剂金刚石砂轮的性能对比如下：
Figure BDA0000449874050000061
<实施例3>
试验的基本步骤为：
1）制备由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的金属镀层构成的颗粒物
将金刚石颗粒先后在SnCl2溶液和PdCl2溶液中分别进行敏化和活化处理；将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CuSO4的混合溶液中，从而得到混合浆料；在所述混合浆料中加入次磷酸钠进行Cu在金刚石颗粒表面的化学镀，以得到由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成且平均粒径为50微米的颗粒物。
其中，制备颗粒物的具体操作如下：
A.将金刚石粒芯置于0.05mol/L的SnCl2溶液中浸泡5分钟，然后0.05mol/L置于PdCl2溶液中浸泡4分钟，得到作为化学镀镍、钴的催化活性中心－Pd，Pd吸附于金刚石表面。
B.将通过上述处理后的金刚石粒芯均匀分散在0.2mol/L的CuSO4溶液中以得到混合浆料。
C.将所述混合浆料加热至90℃，加入0.1mol/L次磷酸钠，反应30分钟，在金刚石表面进行Cu化学镀处理制得颗粒物，该颗粒物即由金刚石粒芯及Cu的金属镀层构成。
2）制备粉末混合物
组分 化学镀铜金刚石粉 （W，Ti）C粉末 锡粉 镍粉 钴粉
质量百分比% 70 16 6 3 5
按设定的组份及配比称取原料，在V型混料器中以球料比1:9，10转/分钟的速度，进行36小时的球磨混合，制备得到粉末混合物。
3）成型
在粉末混合物中加入3wt.%的石蜡成型剂，搅拌均匀，过筛后在模具中模压制成压坯，模压压力为150MPa。
4）烧结
采用气氛低压烧结技术对上述压坯进行烧结，烧结时先将压坯加热至380℃并保温20分钟进行预反应（目的是使锡形成液相，促进后续反应），然后将压坯加热至1000℃并保温30分钟，烧结氩气气氛压力为10Mpa，冷却后即得到所述金属陶瓷结合剂金刚石砂轮。
所制砂轮孔隙率在8%，砂轮线速度可达90m/s，其中金属陶瓷结合剂的抗弯强度为220MPa。
该金属陶瓷结合剂金刚石砂轮孔与现有陶瓷结合剂金刚石砂轮、金属结合剂金刚石砂轮的性能对比如下：
Figure BDA0000449874050000071

Claims (8)

1.一种金属陶瓷结合剂金刚石砂轮，由以下方法制备得到，其包括的步骤为：
1）制备粉末混合物
原料的组份及配比（重量百分比）
Figure FDA0000449874040000011
所述化学镀铜金刚石粉末由平均粒径为5－80微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成；
按照上述组份及配比，将所述化学镀铜金刚石粉末，（W，Ti）C粉末，锡粉，铁族金属粉进行混合，制得粉末混合物；
2）成型
通过压力成型将上述粉末混合物制成压坯；
3）烧结
对上述压坯进行惰性气氛低压烧结，烧结时先将压坯加热至280-400℃并保温20分钟－40分钟进行预反应，然后加热至850－1050℃并保温10分钟－30分钟，烧结惰性气氛压力为5－10Mpa，冷却后即得到金属陶瓷结合剂金刚石砂轮。
2.如权利要求1所述的金属陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于：所述化学镀铜金刚石粉末中，所述铜镀层的重量为化学镀铜金刚石粉末重量的3－12%。
3.如权利要求1或2所述的金属陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于：所述铁族金属选自Co、Ni中的至少一种。
4.如权利要求1或2所述的金属陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于：所述化学镀铜金刚石粉末由以下方法制备，该方法包括的步骤为：将金刚石颗粒先后在SnCl2溶液和PdCl2溶液中分别进行敏化和活化处理；将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CuSO4溶液中，从而得到混合浆料；在所述混合浆料中加入次磷酸钠进行Cu在金刚石颗粒表面的化学镀，以得到由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成的颗粒物。
5.金属陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其包括的步骤为：
1）制备粉末混合物
原料的组份及配比（重量百分比）
Figure FDA0000449874040000012
所述化学镀铜金刚石粉末由平均粒径为5－80微米的颗粒物组成，这些颗粒物是由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成；
按照上述组份及配比，将所述化学镀铜金刚石粉末，（W，Ti）C粉末，锡粉，铁族金属粉进行混合，制得粉末混合物；
2）成型
通过压力成型将上述粉末混合物制成压坯；
3）烧结
对上述压坯进行惰性气氛低压烧结，烧结时先将压坯加热至280-400℃并保温20分钟－40分钟进行预反应，然后加热至850－1050℃并保温10分钟－30分钟，烧结惰性气氛压力为5－10Mpa，冷却后即得到金属陶瓷结合剂金刚石砂轮。
6.如权利要求5所述的金属陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：所述化学镀铜金刚石粉末中，所述铜镀层的重量为化学镀铜金刚石粉末重量的3－12%。
7.如权利要求5或6所述的金属陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：所述铁族金属选自Co、Ni中的至少一种。
8.如权利要求5或6所述的金属陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：所述化学镀铜金刚石粉末由以下方法制备，该方法包括的步骤为：将金刚石颗粒先后在SnCl2溶液和PdCl2溶液中分别进行敏化和活化处理；将处理后的金刚石颗粒均匀分散在CuSO4溶液中，从而得到混合浆料；在所述混合浆料中加入次磷酸钠进行Cu在金刚石颗粒表面的化学镀，以得到由金刚石粒芯及包覆于金刚石粒芯表面的铜镀层构成的颗粒物。
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