CN104440597B - 树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮及其制备方法 - Google Patents

树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮及其制备方法。以质量百分含量表示，磨轮工作层的原料组成为微晶玻璃陶瓷粉10～30%、工业金刚石15～37.5%、树脂结合剂23～60%和氧化锌0～10%。首先将树脂结合剂和微晶玻璃陶瓷粉混匀，得到复合材料结合剂；将甲酚加入工业金刚石中，使金刚石表面被完全润湿，润湿后和氧化锌加入复合材料结合剂中混匀，得到成型料；将成型料投入模具内压制成金刚石磨轮毛坯；所得毛坯进行烧结，最后进行车床加工、修整处理，得到产品。本发明采用微晶玻璃陶瓷粉末作为填料，从而改善了树脂结合剂金刚石磨轮的耐热性差、硬度低、保型性差和锋利度差的技术问题。

Description

树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石磨轮及其加工方法，特别是涉及一种树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮及其制备方法。
背景技术
数控CNC磨床加工硬质合金工具90%使用树脂结合剂金刚石磨轮，虽然它具有自锐性好、磨削锋利的优点，但是由于树脂自身结构的原因，也存在不足之处。一是其耐热性低：在磨削过程中，由于瞬时磨削高温或累积高温下，树脂容易炭化、分解，难以把持超硬磨料，导致磨料大量脱落或者造成磨轮工作层开裂、脱环，大大降低磨轮的使用寿命和磨轮表面精度；二是树脂磨轮力学性能和形状保持性差：二者都会影响加工工件的表面质量，一般采用在树脂结合剂金刚石磨轮的配方中添加铜粉的方式，但铜粉塑性太大，导致磨轮磨削过程中易堵塞，从而烧伤加工工件的表面，影响加工工件的表面质量，降低磨轮的磨削性能；也有在树脂结合剂金刚石磨轮的配方中采用其它金属粉或铜锡二元合金粉来改善树脂结合剂金刚石磨轮的性能。金属粉作为填料制作的树脂结合剂金刚石磨轮存在的共性问题是：在树脂结合剂金刚石磨轮耐热性改善的同时其力学性能改善不明显。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：根据数控CNC磨床加工硬质合金用树脂结合剂金刚石磨轮形状保持性差和耐热性低等技术问题，本发明提供一种树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮及其制备方法。利用本发明技术方案制备的树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮提高了磨轮的开槽深度，减少了磨轮的修整次数，提高了工作效率，延长了磨轮寿命，从而达到改善和提高树脂结合剂金刚石磨轮耐热性、力学性能和磨削性能的目的。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮，所述金刚石磨轮包括基体和工作层，以质量百分含量表示，所述工作层的原料组成为：
微晶玻璃陶瓷粉10～30%，工业金刚石15～37.5%，树脂结合剂23～60%和氧化锌0～10%。
根据上述的树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮，所述微晶玻璃陶瓷粉是通过以下方法制备而成：
a、以质量百分比表示，微晶玻璃陶瓷粉的原料组成为Li2O 1～5%、Na2O 10～20%、B2O3 15～30%、Al2O3 5～20%、SiO2 40～60%、ZnO 2～8%，MgO 2～10%，ZrO2 0～6%和TiO2 0～8%；
b、按照步骤a中所述微晶玻璃陶瓷粉的原料组成准备各种原料，将各种原料首先加入球磨机中进行球磨，球磨混匀后所得混合料加入高温炉中进行熔融，熔融温度为1300～1400℃，时间为2～3小时；
c、将步骤b熔融后的混合料采用循环的常温蒸馏水进行水淬；
d、将步骤c水淬后的物料进行干燥；
e、干燥后的物料进行研磨，研磨后过400目筛；过筛后的物料加入电阻炉进行核化处理，核化处理时温度控制为650～680℃，时间为2～3小时；
f、将步骤e得到的物料利用电阻炉在850℃条件下进行晶化处理，处理时间为2～3小时，晶化处理后再进行研磨，研磨后过400目筛即得到微晶玻璃陶瓷粉。
根据上述的树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮，步骤c中所述水淬过程为：将在1300～1400℃条件下熔融后的混合液体直接注入常温的蒸馏水中进行水淬，蒸馏水为循环水。
根据上述的树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮，步骤d中所述干燥是采用恒温干燥箱在120℃条件下、干燥5小时。
根据上述的树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮，所述微晶玻璃陶瓷粉的粒度为400目以细；所述工业金刚石的粒度为80/100～400/500；所述树脂结合剂的粒度为30～40μm；所述氧化锌为纳米级的分析纯。
根据上述的树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮，所述树脂结合剂为聚酰亚胺树脂和酚醛树脂。
另外，提供一种树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
（1）混料：按照上述金刚石磨轮的原料组成比例称取各种原料，首先将称取的树脂结合剂和微晶玻璃陶瓷粉通过三维混料机混合5～12小时，得到复合材料结合剂；
（2）将甲酚滴入称取的工业金刚石中，使甲酚和金刚石充分混匀，金刚石表面被完全润湿；湿润过的工业金刚石和氧化锌加入步骤（1）得到的复合材料结合剂中，通过三维混料机混合5～12小时，得到成型料；
（3）成型：将所得成型料缓慢投入组装好的模具内，填置均匀、刮平，然后置于液压机操作台冷压至设定高度，得到压制好的金刚石磨轮毛坯；
（4）烧结：将压制好的金刚石磨轮毛坯置于热压机内升温到100℃，然后以3～5℃/min的升温速率升至烧结温度230±5℃，达到烧结温度后保温240±5min，保温后随热压机缓慢冷却至100℃以下取出；
（5）加工：将烧结后的金刚石磨轮半成品在车床上进行加工，然后用磨床进行修整，最后所得产品检验入库。
本发明的积极有益效果：
本发明采用微晶玻璃陶瓷粉末作为填料，从而改善了树脂结合剂金刚石磨轮的耐热性差、硬度低、保型性差和锋利度差的技术问题；本发明制备的树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮，在五轴联动数控CNC磨床上使用时，实现了强力开槽，明显地提高了磨轮的开槽深度，减少了磨轮的修整次数，使工作效率提高了80%，磨轮寿命延长了3倍。另外，其磨削工件的表面粗糙度降低，这符合现代加工工业越来越要求高效率、自动化、高精度的趋势。
本发明制作的树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮，其性能优于传统树脂金刚石磨轮，详见表1本发明产品相关性能检测数据。
.
附图说明：
图1 本发明树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮的制备方法工艺流程示意图。
具体实施方式：
以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明的内容。
实施例1：
本发明树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮，金刚石磨轮包括基体和工作层，其工作层的原料组成为（以质量百分含量表示）：
微晶玻璃陶瓷粉23%，工业金刚石27%，聚酰亚胺树脂42%和氧化锌(ZnO) 8%。
采用的微晶玻璃陶瓷粉的粒度为400目以细，氧化锌粉为：氧化锌（ZnO）为分析纯，ZnO质量百分含量>99%；采用的工业金刚石的粒度为80/100～400/500；树脂结合剂聚酰亚胺树脂粉的粒度为30～40μm。
采用的聚酰亚胺树脂的性能技术指标条件为（详见表2）：
.
所述微晶玻璃陶瓷粉是通过以下方法制备而成：
a、以质量百分比表示，微晶玻璃陶瓷粉的原料组成为Li2O 3%、Na2O 14%、B2O321%、Al2O3 8%、SiO2 48%、ZnO 2%、MgO 3%和ZrO2 1%；
b、按照步骤a中所述微晶玻璃陶瓷粉的原料组成准备各种原料，将各种原料首先加入球磨机中进行球磨，球磨混匀后所得混合料加入高温炉中进行熔融，熔融温度为1400℃，时间为2小时；
c、将步骤b熔融后的混合料进行水淬，即将在1400℃条件下熔融后的混合液体直接注入常温的蒸馏水中进行水淬，蒸馏水为循环水；
d、将步骤c水淬后的物料进行干燥（采用恒温干燥箱在120℃下、干燥5小时）；
e、干燥后的物料进行研磨，研磨后过400目筛；过筛后的物料加入电阻炉进行核化处理，核化处理时温度控制为650℃，时间为3小时；
f、将步骤e得到的物料利用电阻炉在850℃条件下进行晶化处理，处理时间为3小时，晶化处理后再进行研磨，研磨后过400目筛即得到微晶玻璃陶瓷粉（所得微晶玻璃陶瓷粉的热膨胀系数为3.12×10-6/℃，与金刚石的热膨胀系数3.1×10-6/℃相匹配）。
实施例2：与实施例1基本相同，不同之处在于：
本发明树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮，金刚石磨轮包括基体和工作层，其工作层的原料组成为（以质量百分含量表示）：
微晶玻璃陶瓷粉15%，工业金刚石25%，聚酰亚胺树脂55%和氧化锌（ZnO）5%。
所述微晶玻璃陶瓷粉的制备方法与实施例1不同之处为：
步骤a中：以质量百分比表示，微晶玻璃陶瓷粉的原料组成为Li2O 5%、Na2O 20%、B2O3 15%、Al2O3 5%、SiO2 44.5%、ZnO 5%、MgO 5%和ZrO2 0.5%；
步骤b中：球磨混匀后所得混合料加入高温炉中进行熔融，熔融温度为1350℃，时间为2.5小时；
步骤c中：将步骤b熔融后的混合料进行水淬，即将在1350℃条件下熔融后的混合液体直接注入常温的蒸馏水中进行水淬，蒸馏水为循环水；
步骤e中：过筛后的物料加入电阻炉进行核化处理，核化处理时温度控制为680℃，时间为2小时；
步骤f中：将步骤e得到的物料利用电阻炉在850℃条件下进行晶化处理，处理时间为2小时，晶化处理后再进行研磨，研磨后过400目筛即得到微晶玻璃陶瓷粉。
实施例3：与实施例1基本相同，不同之处在于：
本发明树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮，金刚石磨轮包括基体和工作层，其工作层的原料组成为（以质量百分含量表示）：
微晶玻璃陶瓷粉30%，工业金刚石35%，聚酰亚胺树脂32%和氧化锌（ZnO）3%。
所述微晶玻璃陶瓷粉的制备方法与实施例1不同之处为：
步骤a中：以质量百分比表示，微晶玻璃陶瓷粉的原料组成为Li2O 4%、Na2O 10%、B2O3 25%、Al2O3 9.5%、SiO2 40%、ZnO 8%、MgO 2%和ZrO2 1.5%；
步骤b中：球磨混匀后所得混合料加入高温炉中进行熔融，熔融温度为1300℃，时间为3小时；
步骤c中：将步骤b熔融后的混合料进行水淬，即将在1300℃条件下熔融后的混合液体直接注入常温的蒸馏水中进行水淬，蒸馏水为循环水；
步骤e中：过筛后的物料加入电阻炉进行核化处理，核化处理时温度控制为660℃，时间为2.5小时；
步骤f中：将步骤e得到的物料利用电阻炉在850℃条件下进行晶化处理，处理时间为2.5小时，晶化处理后再进行研磨，研磨后过400目筛即得到微晶玻璃陶瓷粉。
实施例4：与实施例1基本相同，不同之处在于：
本发明树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮，金刚石磨轮包括基体和工作层，其工作层的原料组成为（以质量百分含量表示）：
微晶玻璃陶瓷粉10%，工业金刚石37.5%，聚酰亚胺树脂49.5%和氧化锌(ZnO) 3%。
所述微晶玻璃陶瓷粉的制备方法与实施例1不同之处为：
步骤a中：以质量百分比表示，微晶玻璃陶瓷粉的原料组成为Li2O 1%、Na2O 10%、B2O3 17%、Al2O3 14.5%、SiO2 50%、ZnO 2%、MgO 4%和TiO2 1.5%；
步骤b中：球磨混匀后所得混合料加入高温炉中进行熔融，熔融温度为1350℃，时间为2.5小时；
步骤c中：将步骤b熔融后的混合料进行水淬，即将在1350℃条件下熔融后的混合液体直接注入常温的蒸馏水中进行水淬，蒸馏水为循环水；
步骤e中：过筛后的物料加入电阻炉进行核化处理，核化处理时温度控制为650℃，时间为2小时；
步骤f中：将步骤e得到的物料利用电阻炉在850℃条件下进行晶化处理，处理时间为2小时，晶化处理后再进行研磨，研磨后过400目筛即得到微晶玻璃陶瓷粉。
实施例5：与实施例1基本相同，不同之处在于：
本发明树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮，金刚石磨轮包括基体和工作层，其工作层的原料组成为（以质量百分含量表示）：
微晶玻璃陶瓷粉15%，工业金刚石20%，聚酰亚胺树脂粉55%和氧化锌(ZnO) 粉10%。
所述微晶玻璃陶瓷粉的制备方法与实施例1不同之处为：
步骤a中：以质量百分比表示，微晶玻璃陶瓷粉的原料组成为Li2O 3%、Na2O 11%、B2O3 15%、Al2O3 6%、SiO2 60%、ZnO 2.5%、MgO 2%和TiO2 0.5%；
步骤b中：球磨混匀后所得混合料加入高温炉中进行熔融，熔融温度为1350℃，时间为2小时；
步骤c中：将步骤b熔融后的混合料进行水淬，即将在1350℃条件下熔融后的混合液体直接注入常温的蒸馏水中进行水淬，蒸馏水为循环水；
步骤e中：过筛后的物料加入电阻炉进行核化处理，核化处理时温度控制为670℃，时间为2小时；
步骤f中：将步骤e得到的物料利用电阻炉在850℃条件下进行晶化处理，处理时间为2小时，晶化处理后再进行研磨，研磨后过400目筛即得到微晶玻璃陶瓷粉。
实施例6：与实施例1基本相同，不同之处在于：
本发明树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮，金刚石磨轮包括基体和工作层，其工作层的原料组成为（以质量百分含量表示）：
微晶玻璃陶瓷粉25%，工业金刚石15%和聚酰亚胺树脂60%。
所述微晶玻璃陶瓷粉的制备方法与实施例1不同之处为：
步骤a中：以质量百分比表示，微晶玻璃陶瓷粉的原料组成为Li2O 2%、Na2O 18%、B2O3 19.5%、Al2O3 6%、SiO2 42%、ZnO 5%、MgO 5%和TiO2 2.5%；
步骤b中：球磨混匀后所得混合料加入高温炉中进行熔融，熔融温度为1350℃，时间为2.5小时；
步骤c中：将步骤b熔融后的混合料进行水淬，即将在1350℃条件下熔融后的混合液体直接注入常温的蒸馏水中进行水淬，蒸馏水为循环水；
步骤e中：过筛后的物料加入电阻炉进行核化处理，核化处理时温度控制为680℃，时间为2小时；
步骤f中：将步骤e得到的物料利用电阻炉在850℃条件下进行晶化处理，处理时间为2小时，晶化处理后再进行研磨，研磨后过400目筛即得到微晶玻璃陶瓷粉。
实施例7：与实施例1基本相同，不同之处在于：
本发明树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮，金刚石磨轮包括基体和工作层，其工作层的原料组成为（以质量百分含量表示）：
微晶玻璃陶瓷粉28%，工业金刚石36%，聚酰亚胺树脂30%和氧化锌(ZnO) 6%。
所述微晶玻璃陶瓷粉的制备方法与实施例1不同之处为：
步骤a中：以质量百分比表示，微晶玻璃陶瓷粉的原料组成为Li2O 2%、Na2O 11%、B2O3 30%、Al2O3 5%、SiO2 40%、ZnO 3%、MgO 7.5%、TiO2 1%和ZrO2 0.5%；
步骤b中：球磨混匀后所得混合料加入高温炉中进行熔融，熔融温度为1380℃，时间为2.5小时；
步骤c中：将步骤b熔融后的混合料进行水淬，即将在1380℃条件下熔融后的混合液体直接注入常温的蒸馏水中进行水淬，蒸馏水为循环水；
步骤e中：过筛后的物料加入电阻炉进行核化处理，核化处理时温度控制为680℃，时间为2小时；
步骤f中：将步骤e得到的物料利用电阻炉在850℃条件下进行晶化处理，处理时间为2小时，晶化处理后再进行研磨，研磨后过400目筛即得到微晶玻璃陶瓷粉。
实施例8：与实施例1基本相同，不同之处在于：
本发明树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮，金刚石磨轮包括基体和工作层，其工作层的原料组成为（以质量百分含量表示）：
微晶玻璃陶瓷粉22%，工业金刚石18%和聚酰亚胺树脂60%。
所述微晶玻璃陶瓷粉的制备方法与实施例1不同之处为：
步骤a中：以质量百分比表示，微晶玻璃陶瓷粉的原料组成为Li2O 3%、Na2O 10%、B2O3 15%、Al2O3 12%、SiO2 44%、ZnO 4%、MgO 10%、TiO2 1.5%和ZrO2 0.5%；
步骤b中：球磨混匀后所得混合料加入高温炉中进行熔融，熔融温度为1320℃，时间为3小时；
步骤c中：将步骤b熔融后的混合料进行水淬，即将在1320℃条件下熔融后的混合液体直接注入常温的蒸馏水中进行水淬，蒸馏水为循环水；
步骤e中：过筛后的物料加入电阻炉进行核化处理，核化处理时温度控制为680℃，时间为2小时；
步骤f中：将步骤e得到的物料利用电阻炉在850℃条件下进行晶化处理，处理时间为2小时，晶化处理后再进行研磨，研磨后过400目筛即得到微晶玻璃陶瓷粉。
本发明实施例1～8树脂陶瓷复合材料金刚石磨轮的制备方法为：
（1）混料：按照上述任一实施例所述金刚石磨轮的原料组成比例称取各种原料，首先将称取的树脂结合剂和微晶玻璃陶瓷粉通过三维混料机混合5～12小时，得到复合材料结合剂；
（2）将甲酚滴入称取的工业金刚石中，使甲酚和金刚石充分混匀，金刚石表面被完全润湿；湿润过的工业金刚石和氧化锌加入步骤（1）得到的复合材料结合剂中，通过三维混料机混合5～12小时，得到成型料；
（3）成型：将所得成型料缓慢投入组装好的模具内，填置均匀、刮平，然后置于液压机操作台冷压至设定高度，得到压制好的金刚石磨轮毛坯；
（4）烧结：将压制好的金刚石磨轮毛坯置于热压机内升温到100℃，然后以3～5℃/min的升温速率升至烧结温度230±5℃，达到烧结温度后保温240±5min，保温后随热压机缓慢冷却至100℃以下取出；
（5）加工：将烧结后的金刚石磨轮半成品在车床上进行加工，然后用磨床进行修整，最后所得产品检验入库。

Claims (4)

1.一种树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮，所述金刚石磨轮包括基体和工作层，其特征在于，以质量百分含量表示，所述工作层的原料组成为：
微晶玻璃陶瓷粉10～30%，工业金刚石15～37.5%，树脂结合剂23～60%和氧化锌0～10%；所述微晶玻璃陶瓷粉的粒度为400目以细；所述工业金刚石的粒度为80/100～400/500；所述树脂结合剂的粒度为30～40μm；所述氧化锌为纳米级的分析纯；
所述微晶玻璃陶瓷粉是通过以下方法制备而成：
a、以质量百分比表示，微晶玻璃陶瓷粉的原料组成为Li2O 1～5%、Na2O 10～20%、B2O315～30%、Al2O3 5～20%、SiO2 40～60%、ZnO 2～8%，MgO 2～10%，ZrO2 0～6%和TiO2 0～8%；
b、按照步骤a中所述微晶玻璃陶瓷粉的原料组成准备各种原料，将各种原料首先加入球磨机中进行球磨，球磨混匀后所得混合料加入高温炉中进行熔融，熔融温度为1300～1400℃，时间为2～3小时；
c、将步骤b熔融后的混合料采用循环的常温蒸馏水进行水淬；所述水淬过程为：将在1300～1400℃条件下熔融后的混合液体直接注入常温的蒸馏水中进行水淬，蒸馏水为循环水；
d、将步骤c水淬后的物料进行干燥；
e、干燥后的物料进行研磨，研磨后过400目筛；过筛后的物料加入电阻炉进行核化处理，核化处理时温度控制为650～680℃，时间为2～3小时；
f、将步骤e得到的物料利用电阻炉在850℃条件下进行晶化处理，处理时间为2～3小时，晶化处理后再进行研磨，研磨后过400目筛即得到微晶玻璃陶瓷粉。
2.根据权利要求1所述的树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮，其特征在于，步骤d中所述干燥是采用恒温干燥箱在120℃条件下、干燥5小时。
3.根据权利要求1所述的树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮，其特征在于：所述树脂结合剂为聚酰亚胺树脂和酚醛树脂。
4.一种树脂陶瓷复合材料的金刚石磨轮的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
（1）混料：按照权利要求1所述金刚石磨轮的原料组成比例称取各种原料，首先将称取的树脂结合剂和微晶玻璃陶瓷粉通过三维混料机混合5～12小时，得到复合材料结合剂；
（2）将甲酚滴入称取的工业金刚石中，使甲酚和金刚石充分混匀，金刚石表面被完全润湿；湿润过的工业金刚石和氧化锌加入步骤（1）得到的复合材料结合剂中，通过三维混料机混合5～12小时，得到成型料；
（3）成型：将所得成型料缓慢投入组装好的模具内，填置均匀、刮平，然后置于液压机操作台冷压至设定高度，得到压制好的金刚石磨轮毛坯；
（4）烧结：将压制好的金刚石磨轮毛坯置于热压机内升温到100℃，然后以3～5℃/min的升温速率升至烧结温度230±5℃，达到烧结温度后保温240±5min，保温后随热压机缓慢冷却至100℃以下取出；
（5）加工：将烧结后的金刚石磨轮半成品在车床上进行加工，然后用磨床进行修整，最后所得产品检验入库。
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