CN103921222A - 一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法。该方法利用金属纳米粒子的低温熔点特性，按照不同质量百分比进行配比，通过超声振动及添加不同分散剂、热蜡的复合分散法使铜或铁纳米粒子、金刚石微粉磨粒、分散剂和热蜡在砂轮模具中充分分散、均匀混合，成形膏状物；脱模后，将砂轮放至微波加热装置中，对砂轮进行微波快速烧结，保温一定时间，冷却至室温，从而得到直径在5-20mm之间的微小金刚石微粉砂轮。该低温制备方法节约了烧结成本，减少了金刚石磨粒的热损伤，提高了金刚石磨粒的锋利性，增强了砂轮的强度及耐用性，满足了以光学玻璃、碳化硅、碳化钨等典型脆硬材料为代表的微小球面、非球面光学元件超精密磨削加工要求。

Description

一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法

技术领域

本发明涉及到超硬磨料磨具制造领域，具体涉及到一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法。

背景技术

近年来，以光学玻璃、碳化硅、碳化钨等脆硬材料为代表的微小球面、非球面光学元件在光电通讯产品、光学、航天以及生命科学等领域的应用日趋广泛。金刚石砂轮是加工硬脆材料最为有效的工具之一，由于小口径非球面工件形状限制，加工空间狭小，通常在几毫米的尺寸范围中进行加工，为了避免砂轮与工件干涉，采用斜轴磨削（图1b）替代直轴磨削（图1a）对小口径非球面工件进行超精密磨削。但是斜轴磨削时，砂轮与工件是点接触，参与磨削的磨粒少，砂轮磨损快，导致修整次数增多，影响磨削加工精度和加工效率。

目前，在对小口径球面、非球面光学元件的斜轴超精密磨削中，常采用树脂结合剂或金属结合剂金刚石微粉砂轮来进行加工。树脂结合剂金刚石微粉砂轮制备较容易，但砂轮磨损速度过快，砂轮形状保持性差，导致加工精度低，需要多次补偿加工才符合要求；电镀金刚石微粉砂轮制备工艺复杂，工作层薄，使用寿命低；普通的烧结型金属结合剂金刚石微粉砂轮具有把持力好，可适用于精加工磨削，但自锐性差，修整修锐困难且烧结温度高（850-1050℃），易造成金刚石磨料的热损伤。目前国内用于超精密磨削加工的微小直径金刚石微粉砂轮基本上依赖进口，缺乏纳米级精度磨削加工用微小直径（5-20mm）金属结合剂金刚石微粉砂轮的成熟制备技术。

发明内容

本发明的目的是利用金属纳米粒子的低温熔点特性，提供一种直径为5-20mm的微小金刚石微粉砂轮的低温制备方法，使其烧结温度能够控制在400-500℃之间，能够有效保护金刚石磨粒的热稳定性、增强结合剂的把持力、提高砂轮的强度，从而获得一种适合于以光学玻璃、碳化硅、碳化钨等典型脆硬材料为代表的微小球面光学元件超精密磨削用的微小直径金刚石微粉砂轮。

为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法，包括如下步骤：

1、按质量百分比，选取35%-50%的粒径在20-100nm之间的铁纳米粒子或铜纳米粒子，添加5%-12%的乙醇、十二烷基苯环酸钠或者聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者两种作为分散剂，采用机械搅拌5min进行初步分散混合，得到混合物Ⅰ；

2、按质量百分比，选取30%-45%的粒度号在1000-8000#之间的金刚石微粉磨粒，添加3%-8%的次磷酸钠或者聚乙二醇中的一种作为分散剂，采用机械搅拌5min进行初步分散混合，得到混合物Ⅱ；

3、将混合物Ⅰ和Ⅱ注入砂轮模具中，按质量百分比再加入5%-10%的石蜡，然后将砂轮模具一并放置在有加热板的超声振动装置上，设置好加热板温度60-70℃，对砂轮模具进行加热，保证石蜡处于熔融状态下；超声振动装置功率为300-600W，边加热边振动10-20min，使铁/铜纳米粒子、金刚石微粉磨粒、分散剂和热蜡充分分散、混合均匀，成形膏状物；

4、然后关闭加热电源，超声振动装置继续振动10-15min，使铁或铜纳米粒子、金刚石微粉磨粒、分散剂和热蜡组成的膏状物冷却至室温后，停止超声振动，在蜡的固化作用下，使膏状物在砂轮模具中固化成型，再脱模；

5、在脱模后的砂轮周围均匀埋覆一层除蜡剂，将砂轮至于微波烧结装置中，调节微波功率为400W左右，在纯度为99.99%的氩气保护下，对砂轮进行微波快速烧结，烧结温度为400-500℃，烧结时间为15-30min，保温30-60min，然后炉内冷却至室温。

有益效果

本发明具有以下创新点：

1、利用金属纳米粒子低温熔点特性，采用纳米尺寸的金属铜或铁粒子作为结合剂，使得烧结温度降低到400-500℃。

2、采用超声波振动及添加分散剂、热蜡的复合分散法，对金属纳米粒子及金刚石磨料进行充分分散和均匀混合。

3、采用微波快速烧结方法，可以有效阻止金属纳米粒子在烧结过程中的非均匀扩散行为。

本发明具有以下优点：

1、烧结温度的降低一方面能够有效保证金刚石磨料的锋利性，避免热损伤，另一方面能够减少烧结时间、节约烧结成本。

2、采用复合分散法，利用石蜡的低熔点、粘度大、易固化特点，可有效把铜、铁纳米粒子和金刚石磨粒均匀分散在熔化的热蜡中，并形成一种类似膏状的物质，方便注模定型和低温烧结，防止金刚石磨粒沉积，提高分散效果。

3、利用金属纳米粒子熔点低、比表面积大、自扩散系数高等特性来制备砂轮，能够有效提高砂轮强度、耐用度及加工效率等性能，从而获得一种适合于以光学玻璃、碳化硅、碳化钨等典型脆硬材料为代表的微小球面光学元件超精密磨削用的微小直径金刚石微粉砂轮。

附图说明

图1为小口径非球面透镜元件超精密磨削方式示意图

图2为复合分散示意图

图3为砂轮微波烧结示意图

具体实施方式

实施例1：

1、按质量百分比，选取35%-50%制备好的铁纳米粒子，平均粒径为30nm，添加5%-12%的乙醇、十二烷基苯环酸钠或者聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者两种作为分散剂，采用机械搅拌5min进行初步分散混合，得到混合物质Ⅰ；另选取30%-45%的金刚石微粉磨料，平均粒度为2000#，添加5%-8%的次磷酸钠或者聚乙二醇中的一种作为分散剂，采用机械搅拌5min进行初步分散混合，得到混合物质Ⅱ；2、将Ⅰ和Ⅱ注入砂轮模具3中，再加入5%-10%的石蜡。砂轮直径为8mm。然后将砂轮模具3放到有加热板4的超声波振动装置5上，设置好加热板4温度60-70℃，对砂轮模具3进行加热，保证石蜡处于熔融状态下。同时调节超声振动装置5功率为350W左右，边加热边振动10-20min，使金属纳米粒子、金刚石微粉磨粒、分散剂和热蜡充分分散、混合均匀，成形膏状物；3、然后关闭加热电源，超声振动装置5继续振动10-15min，使金属纳米粒子、金刚石微粉磨粒、分散剂和热蜡组成的膏状物冷却至室温后，停止超声振动，在蜡的固化作用下，使膏状物在砂轮模具3中结块成型，再脱模；4、在脱模后的砂轮周围涂覆一层除蜡剂7，放至于微波烧结装置6中，调节微波功率为400W左右，对砂轮进行快速加热烧结，烧结温度为420℃，烧结过程加纯度为99.99%的氩气作为保护气体，加热时间为15-25min，保温30-60min，炉内冷却至室温。从而得到直径为8mm的金属结合剂金刚石微粉砂轮。

实施例2：

本实施例与实施例1相同部分不重述，不同部分是采用铜纳米粒子作为结合剂。

实施例3

1、按质量百分比，选取35%-50%制备好的铁纳米粒子，平均粒径为60nm，添加5%-12%的乙醇、十二烷基苯环酸钠或者聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者两种作为分散剂，采用机械搅拌5min进行初步分散混合，得到混合物质Ⅰ；另选取30%-45%的金刚石磨料，平均粒度为4000#，添加5%-8%的次磷酸钠或者聚乙二醇中的一种作为分散剂，采用机械搅拌5min进行初步分散混合，得到混合物质Ⅱ；2、将Ⅰ和Ⅱ注入砂轮模具3中，再加入5%-10%的石蜡。砂轮直径为16mm。然后将砂轮模具3放到有加热板4的超声波振动装置5上，设置好加热板4温度60-70℃，对砂轮模具3进行加热，保证石蜡处于熔融状态下。同时调节超声振动装置5功率为450W左右，边加热边振动10-20min，使金属纳米粒子、金刚石微粉磨粒、分散剂和热蜡充分分散、混合均匀，成形膏状物；3、然后关闭加热电源，超声振动装置5继续振动10-15min，使金属纳米粒子、金刚石微粉磨粒、分散剂和热蜡组成的膏状物冷却至室温后，停止超声振动，在蜡的固化作用下，使膏状物在砂轮模具3中结块成型，再脱模；4、在脱模后的砂轮周围涂覆一层除蜡剂7，放至于微波烧结装置6中，调节微波功率为400W左右，对砂轮进行快速加热烧结，烧结温度为460℃，烧结过程加纯度为99.99%的氩气作为保护气体，加热时间为20-30min，保温30-60min，炉内冷却至室温。从而得到直径为16mm的金属结合剂金刚石微粉砂轮。

实施例4：

本实施例与实施例3相同部分不重述，不同部分是采用铜纳米粒子作为结合剂。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和配方，这些改进和配方也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法，该砂轮主要由砂轮基体（1）、磨料层（2）组成。其特征在于：通过超声振动(5)及添加分散剂、热蜡的复合分散法，采用加热板（4）加热，使蜡熔化，一边加热一边振动使铜或铁纳米粒子、金刚石微粉磨粒、分散剂和热蜡在砂轮模具（3）中充分分散、混合均匀，成形膏状物，然后在模具中3固化定型；脱模后，在砂轮周围埋一层除蜡剂（7），将砂轮放在微波烧结装置（6）中，在惰性气体氩气的保护下，利用金属纳米粒子低温熔点特性，采用微波快速加热对砂轮进行低温烧结，保温一定时间，然后冷却至室温。从而制备直径在5-20mm之间的微小金刚石微粉砂轮。 

2.根据权利要求1所述的一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法，其特征在于：按照不同质量百分比进行配比，其中铁或铜纳米粒子在35%-50%之间，金刚石微粉磨粒在30%-45%之间，分散剂在8%-20%之间，石蜡在5%-10%之间。 

3.根据权利要求1或2所述的一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法，其特征在于：采用铁纳米粒子或铜纳米粒子作为砂轮结合剂，粒径为20-100nm之间的某一特定值。

4.根据权利要求1或2所述的一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法，其特征在于：磨料采用微粉金刚石，磨粒粒度为1000-8000#之间的某一特定值。

5.根据权利要求1或2所述的一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法，其特征在于：采用超声振动（5）及添加分散剂和石蜡的复合分散方法来提高铜、铁粒子及金刚石磨料的分散均匀程度，防止纳米粒子的团聚。

6.根据权利要求1或5所述的一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法，其特征在于：利用石蜡低熔点、粘度大、易固化特点，采用加热板对石蜡进行加热使之处于熔融状态，同时在超声振动的作用下，能有效地把铜、铁纳米粒子和金刚石磨粒均匀分散在熔化的热蜡中，并形成一种类似膏状的物质，防止金刚石磨粒沉积。 

7.根据权利要求1或6所述的一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法，其特征在于：利石蜡在室温下易固化的特点，使铜、铁纳米粒子和金刚石磨粒等所组成的膏状物质在砂轮模具（3）中固化定型后，再进行脱模。 

8.根据权利要求1所述的一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法，采用微波烧结方法对砂轮进行低温烧结，其特征在于：为抑制铜或铁纳米粒子在烧结过程中的异常增长和非均匀扩散，利用微波烧结方法对砂轮进行快速低温烧结，烧结温度为400-500℃区间内的某一特定温度，保温15-30min，炉内冷却至室温。烧结过程采用惰性气体中进行保护。 

9.根据权利要求1或8所述的一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法，其特征在于：烧结前，在砂轮周围均匀涂覆一层除蜡剂（7），在烧结过程中可以对砂轮进行排蜡处理。