CN103770035B - 一种低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的制备方法 - Google Patents
一种低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的制备方法，包括以下步骤：（1）配料计算：以矿物原料和化工原料为氧化物来源，通过其所含氧化物组分及含量进行配料计算，使原料中各氧化物组成及重量份含量为：二氧化硅40－60份、三氧化二硼10－30份、氧化铝2－6份、氧化钙12－16份、氧化钠2－8份、氧化锌0.5－2份、氧化钡0.5－1.5份、二氧化钛0.5－1份、三氧化钨0.5－2份、氧化铋0.5－1份；（2）熔化；（3）水淬、研磨，得到低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂。该方法制备工艺简单，成本低，并且所得金刚石砂轮陶瓷结合剂性能良好。
Description
技术领域
本发明属于材料工程技术领域，具体涉及一种低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的制备方法。
背景技术
金刚石砂轮是以金刚石磨料为原料，分别用金属粉、树脂粉、陶瓷等作结合剂，制成的中央有通孔的圆形固结磨具。由于金刚石磨料所具有的特性（硬度高、抗压强度高、耐磨性好），使金刚石砂轮在磨削加工中成为磨削硬脆材料及硬质合金的理想工具，不但效率高、精度高，而且粗糙度好、磨具消耗少、使用寿命长，同时还可改善劳动条件。随着现代化工业、科技的发展，金刚石砂轮的应用日益广泛，尤其在低铁含量的金属及非金属硬脆材料（如硬质合金、光学玻璃、微晶玻璃、结构陶瓷、半导体材料、宝石等）的加工中体现出较佳的切割、磨削性能，金刚石砂轮的生产规模也逐步扩大，显示出良好的市场发展前景。
金刚石砂轮制备使用的结合剂主要有树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂三种。目前，国内外市场最常见且应用广泛的是树脂结合剂砂轮和金属结合剂砂轮，但树脂结合剂耐热性、耐水性及耐老化性较差，导致砂轮的加工效率低，磨损大，修整和更换频繁，加工工件的尺寸分散度大，加工刀具质量不稳定，而金属结合剂金刚石砂轮的结构紧密，修整困难，磨具内的气孔少，在磨削加工过程中砂轮的自锐性差、锋利性差，容易堵塞和发热，容易对工件产生冲击、烧伤等物理损伤。
陶瓷结合剂具有化学稳定性强、强度大的优点，所制的陶瓷结合剂金刚石砂轮中有可控的气孔，有利于冷却和排屑，磨削时不易堵塞，不易烧伤工件，有较好的自锐性，易修整且修整间隔较长等。基于上述优点，陶瓷结合剂超硬磨料磨具的应用需求越来越广泛，尤其随着现代磨削技术、磨削设备的发展及对磨削加工质量和效率要求的不断提高，对磨削工具的要求越来越高，相应地对陶瓷结合剂的强度提出了更高的要求，即具备烧结温度低、强度高、热膨胀系数小，与磨料有良好的匹配性等优点。目前市场上出售的陶瓷结合剂在制备金刚石砂轮的过程中烧成温度高于720℃，从而对金刚石磨料产生热损伤影响磨料性能并增加了烧成经济成本，并且大部分陶瓷结合剂的强度低于100MPa，达不到现代精密磨削行业的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，提供一种低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的制备方法，工艺简单，所制备的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂粒径小，烧结温度低，并且烧结后抗折强度大，热膨胀系数小。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）配料计算：以矿物原料和化工原料为氧化物来源，通过其所含氧化物组分及含量进行配料计算，使原料中各氧化物组成及重量份含量为：二氧化硅40－60份、三氧化二硼10－30份、氧化铝2－6份、氧化钙12－16份、氧化钠2－8份、氧化锌0.5－2份、氧化钡0.5－1.5份、二氧化钛0.5－1份、三氧化钨0.5－2份、氧化铋0.5－1份；
（2）熔化：调节高温炉内温度至1350-1500℃，再将步骤（1）所述含量的氧化物置于高温炉中，保温2-6h，得到熔融的液体；
（3）水淬、研磨：将步骤（2）所得熔融的液体水淬后烘干，再通过球磨机研磨成粉末，并过筛得到低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂。
优选的是，步骤（1）所述矿物原料包括石英砂；步骤（1）所述化工原料包括硼酸、氧化铝、碳酸钙、碳酸钠、氧化锌、碳酸钡、二氧化钛、三氧化钨、氧化铋。
优选的是，步骤（2）所述调节高温炉内温度至1350-1500℃的过程为：以5－8℃/分钟的速率升温至800℃，随后以3－5℃/分钟的速率升温至1350℃，保温2小时，再以2－3℃/分钟的速率升温至1500℃。在此温度下，熔融液体进行澄清和均化。
按上述方案，步骤（3）所述过筛是过200目筛。过筛得到的小粒径陶瓷结合剂在砂轮烧结过程中有利于充分地润湿包覆金刚石磨料颗粒。
上述步骤（3）所述烘干是指在70℃下烘干24小时。
本发明还提供根据上述制备方法得到的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂，其粒径为1－30μm，烧结温度为600－720℃，烧结后抗折强度为100－120MPa、热膨胀系数为6×10-6－7×10-6/℃。
本发明进一步提供含有上述低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的金刚石砂轮。
本发明的有益效果是：使用简易方法制备低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂，制备得到的陶瓷结合剂粒径为1－30μm，烧结温度为600－720℃，烧结后抗折强度达100－120MPa，热膨胀系数为6×10-6－7×10-6/℃，摩擦系数为0.2－0.3，气孔可调性良好。该陶瓷结合剂制备金刚石砂轮使用的线速度可达85m/s，并且砂轮具有磨削能力强、加工效率高、自锐性好、修正次数少、工作寿命长等优点，适合于金刚石刀具、金刚石复合片等磨削加工。具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种具有良好性能的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂。
实施例一
| 氧化物 | SiO2 | B2O3 | Al2O3 | CaO | Na2O | ZnO | BaO | TiO2 | WO3 | Bi2O3 | 总计 |
| 质量份数 | 60 | 10 | 2 | 16 | 8 | 2 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 100 |
按照上表所示配方选择原料并进行配料计算，原料配料单如下表所示：
将上表中的原料按配料比例投入到高温炉中进行熔化，高温炉内升温过程为：以5℃/分钟的速率升温至800℃；继续以3℃/分钟的速率升温至1350℃保温2小时；再以3℃/分钟的速率升温至1500℃，并在1500℃保温2小时后得到熔融的液体。再将该熔融的液体水淬后在70℃下烘干24小时，通过球磨机研磨、过200目筛获得粉料，该粉料即为低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂。
本发明进一步提供含有上述低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的金刚石砂轮。选取金刚石（粒度为100/120目）、白刚玉（辅助磨料、粒度为120/140目）、本实施例所述的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂三者为砂轮的原料，将上述组分按比例（质量百分数）：金刚石45%，白刚玉20%，低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂35%称量。再根据砂轮的规格尺寸计算砂轮的成型单重。配料混料并冷压成型。随后将成型后的坯件在电阻炉中并在720℃下烧结，冷却后得到金刚石砂轮成品。
对本实施例所制备的陶瓷结合剂进行检测，其最佳烧结温度在720℃左右，热膨胀系数约为6.8×10-6/℃，抗折强度大于108MPa，摩擦系数μ为0.24。以加工PCD刀具为例，该陶瓷结合剂制备金刚石砂轮使用的加工线速度可达85m/s，加工节拍平均约为1.2分钟/片，砂轮单次修整可加工10片以上，单片砂轮工作寿命达到92片左右。
实施例二
| 氧化物 | SiO2 | B2O3 | Al2O3 | CaO | Na2O | ZnO | BaO | TiO2 | WO3 | Bi2O3 | 总计 |
| 质量份数 | 54 | 15 | 5 | 15 | 5.5 | 1.5 | 1.5 | 0.5 | 1.5 | 0.5 | 100 |
第一步：按照上表所示配方选择原料并进行配料计算，原料配料单如下表所示：
第二步：将上表中的原料按配料比例投入到高温炉中进行熔化，高温炉内升温过程为：以5℃/分钟的速率升温至800℃；继续以3℃/分钟的速率升温至1350℃保温2小时；再以3℃/分钟的速率升温至1500℃，并在1500℃保温2小时后得到熔融的液体。
第三步：再将该熔融的液体水淬后在70℃下烘干24小时，通过球磨机研磨、过200目筛获得粉料，该粉料即为低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂。
本发明进一步提供含有上述低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的金刚石砂轮。选取金刚石（粒度为100/120目）、白刚玉（辅助磨料、粒度为120/140目）、本实施例所述的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂三者为砂轮的原料，将上述组分按比例（质量百分数）：金刚石45%，白刚玉20%，低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂35%称量。再根据砂轮的规格尺寸计算砂轮的成型单重。配料混料并冷压成型。随后将成型后的坯件放入电阻炉中并在700℃下烧结，冷却后得到金刚石砂轮成品。
对本实施例所制备的陶瓷结合剂进行检测，其最佳烧结温度在700℃左右，热膨胀系数约为6.9×10-6/℃，抗折强度为107MPa，摩擦系数μ为0.24。以加工PCD刀具为例，该陶瓷结合剂制备金刚石砂轮使用的加工线速度可达85m/s，加工节拍平均约为1.3分钟/片，砂轮单次修整可加工10片以上，单片砂轮工作寿命达到90片左右。
实施例三
| 氧化物 | SiO2 | B2O3 | Al2O3 | CaO | Na2O | ZnO | BaO | TiO2 | WO3 | Bi2O3 | 总计 |
| 质量份数 | 49 | 20 | 5 | 15 | 5.5 | 1.5 | 1.5 | 0.5 | 1.5 | 0.5 | 100 |
按照上表所示配方选择原料并进行配料计算，原料配料单如下表所示：
将上表中的原料按配料比例投入到高温炉中进行熔化，高温炉内升温过程为：以5℃/分钟的速率升温至800℃；继续以3℃/分钟的速率升温至1350℃保温2小时；再以3℃/分钟的速率升温至1500℃，并在1500℃保温2小时后得到熔融的液体。再将该熔融的液体水淬后在70℃下烘干24小时，通过球磨机研磨、过200目筛获得粉料，该粉料即为低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂。
本发明进一步提供含有上述低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的金刚石砂轮。选取金刚石（粒度为140/170目）、白刚玉（辅助磨料、粒度为170/200目）、本实施例所述的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂三者为砂轮的原料，将上述组分按比例（质量百分数）：金刚石55%，白刚玉15%，低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂30%称量。再根据砂轮的规格尺寸计算砂轮的成型单重。配料混料并冷压成型。随后将成型后的坯件在电阻炉中并在660℃下烧结，冷却后得到金刚石砂轮成品。
对本实施例所制备的陶瓷结合剂进行检测，其最佳烧结温度在660℃左右，热膨胀系数约为7.1×10-6/℃，抗折强度为103MPa，摩擦系数μ为0.26。以加工PCD刀具为例，该陶瓷结合剂制备金刚石砂轮使用的加工线速度可达88m/s，加工节拍平均约为1.2分钟/片，砂轮单次修整可加工11片以上，单片砂轮工作寿命达到95片左右。
实施例四
| 氧化物 | SiO2 | B2O3 | Al2O3 | CaO | Na2O | ZnO | BaO | TiO2 | WO3 | Bi2O3 | 总计 |
| 质量份数 | 44 | 25 | 5 | 15 | 5.5 | 1.5 | 1.5 | 0.5 | 1.5 | 0.5 | 100 |
按照上表所示配方选择原料并进行配料计算，原料配料单如下表所示：
将上表中的原料按配料比例投入到高温炉中进行熔化，高温炉内升温过程为：以5℃/分钟的速率升温至800℃；继续以3℃/分钟的速率升温至1350℃保温2小时；再以3℃/分钟的速率升温至1500℃，并在1500℃保温2小时后得到熔融的液体。再将该熔融的液体水淬后在70℃下烘干24小时，通过球磨机研磨、过200目筛获得粉料，该粉料即为低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂。
本发明进一步提供含有上述低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的金刚石砂轮。选取金刚石（粒度为200/230目）、白刚玉（辅助磨料、粒度为230/270目）、本实施例所述的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂三者为砂轮的原料，将上述组分按比例（质量百分数）：金刚石65%，白刚玉10%，低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂25%称量。再根据砂轮的规格尺寸计算砂轮的成型单重。配料混料并冷压成型。随后将成型后的坯件在电阻炉中并在620℃下烧结，冷却后得到金刚石砂轮成品。
对本实施例所制备的陶瓷结合剂进行检测，其最佳烧结温度在620℃左右，热膨胀系数约为7.0×10-6/℃，抗折强度大于112MPa，摩擦系数μ为0.25。以加工PCD刀具为例，该陶瓷结合剂制备金刚石砂轮使用的加工线速度可达90m/s，加工节拍平均约为1.0分钟/片，砂轮单次修整可加工12片以上，单片砂轮工作寿命达到100片左右。
实施例五
| 氧化物 | SiO2 | B2O3 | Al2O3 | CaO | Na2O | ZnO | BaO | TiO2 | WO3 | Bi2O3 | 总计 |
| 质量份数 | 40 | 30 | 6 | 12 | 6 | 0.5 | 1.5 | 1 | 2 | 1 | 100 |
按照上表所示配方选择原料并进行配料计算，原料配料单如下表所示：
将上表中的原料按配料比例投入到高温炉中进行熔化，高温炉内升温过程为：以5℃/分钟的速率升温至800℃；继续以3℃/分钟的速率升温至1350℃保温2小时；再以3℃/分钟的速率升温至1500℃，并在1500℃保温2小时后得到熔融的液体。再将该熔融的液体水淬后在70℃下烘干24小时，通过球磨机研磨、过200目筛获得粉料，该粉料即为低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂。
本发明进一步提供含有上述低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的金刚石砂轮。选取金刚石（粒度为200/230目）、白刚玉（辅助磨料、粒度为230/270目）、本实施例所述的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂三者为砂轮的原料，将上述组分按比例（质量百分数）：金刚石65%，白刚玉10%，低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂25%称量。再根据砂轮的规格尺寸计算砂轮的成型单重。配料混料并冷压成型。随后将成型后的坯件在电阻炉中并在600℃下烧结，冷却后得到金刚石砂轮成品。
对本实施例所制备的陶瓷结合剂进行检测，其最佳烧结温度在600℃左右，热膨胀系数约为6.9×10-6/℃，抗折强度大于115MPa，摩擦系数μ为0.26。以加工PCD刀具为例，该陶瓷结合剂制备金刚石砂轮使用的加工线速度可达90m/s，加工节拍平均约为1.1分钟/片，砂轮单次修整可加工12片以上，单片砂轮工作寿命达到98片左右。
由以上对本发明实施例的详细描述，可以了解本发明解决了常规金刚石砂轮陶瓷结合剂制备工艺复杂、成本高的问题，所制备的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂各项性能良好，陶瓷结合剂粒径可达1－30μm，烧结温度为600－720℃，烧结后抗折强度达100－120MPa，热膨胀系数为6×10-6－7×10-6/℃，摩擦系数μ为0.24－0.27，气孔可调性良好等特点。该陶瓷结合剂制备金刚石砂轮使用的线速度可达85-90m/s，加工节拍平均约为1.0-1.3分钟/片，砂轮单次修整可加工10-12片以上，单片砂轮工作寿命达到90-100片左右（目前市场上类似结合剂产品，制备的金刚石砂轮加工线速度约为60m/s，加工节拍平均约为2分钟/片，砂轮单次修整可加工5片左右，单片砂轮工作寿命达到80片左右）。可见本发明陶瓷结合剂金刚石砂轮具有磨削能力强、加工效率高、自锐性好、修正次数少、工作寿命长等优点，适合于金刚石刀具、金刚石复合片等磨削加工，具有广阔的市场前景。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）配料计算：以矿物原料和化工原料为氧化物来源，通过其所含氧化物组分及含量进行配料计算，使原料中各氧化物组成及重量份含量为：二氧化硅40－60份、三氧化二硼10－30份、氧化铝2－6份、氧化钙12－16份、氧化钠2－8份、氧化锌0.5－2份、氧化钡0.5－1.5份、二氧化钛0.5－1份、三氧化钨0.5－2份、氧化铋0.5－1份；
（2）熔化：调节高温炉内温度至1350-1500℃，再将步骤（1）所述含量的氧化物置于高温炉中，保温2-6h，得到熔融的液体；
（3）水淬、研磨：将步骤（2）所得熔融的液体水淬后烘干，再通过球磨机研磨成粉末，并过筛得到低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂。
2.根据权利要求1所述的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述矿物原料包括石英砂；步骤（1）所述化工原料包括硼酸、氧化铝、碳酸钙、碳酸钠、氧化锌、碳酸钡、二氧化钛、三氧化钨、氧化铋。
3.根据权利要求1所述的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述调节高温炉内温度至1350-1500℃的过程为：以5－8℃/分钟的速率升温至800℃，随后以3－5℃/分钟的速率升温至1350℃，保温2小时，再以2－3℃/分钟的速率升温至1500℃。
4.根据权利要求1所述的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述过筛是过200目筛。
5.根据权利要求1－4任一所述的制备方法得到的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂，其特征在于其粒径为1－30μm，烧结温度为600－720℃，烧结后抗折强度为100－120MPa、热膨胀系数为6×10-6－7×10-6/℃。
6.一种金刚石砂轮，其特征在于含有权利要求5所述的低烧结温度高强金刚石砂轮陶瓷结合剂。
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Granted publication date: 20160817 Termination date: 20210225 |