CN104999385B - 一种磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具及其制备方法，该磨具是由包括下列步骤的方法制备的：1)取磨料、陶瓷结合剂、分散剂和溶剂，混合制成浆料；2)将所得浆料注入模具后，置于强度为1～50T的磁场中进行磁化得磁化浆料；3)将所得磁化浆料进行干燥后脱模得素坯，将素坯烧结固化即得。本发明的磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，将浆料注入模具后，静置在高强磁场中，在电磁力的作用下，磨料发生旋转，产生定向排列；通过磨料的定向排布，制备出磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，增加了磨具磨削时的有效切削刃，提高了磨具的磨削能力，改善了磨削表面质量。

Description

一种磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具及其制备方法

技术领域

本发明属于磨料磨具技术领域，具体涉及一种磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，同时还涉及一种磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具的制备方法。

背景技术

人造超硬磨料，即立方氮化硼、金刚石，晶型各向异性，形状不规则，用超硬磨料制备的磨具就是超硬磨具。传统的超硬砂轮磨料随机排列，砂轮磨削时，不能保证切削刃朝向一致，使得有效切削刃数量大大降低。所以，如果实现砂轮切削刃一致径向排布，可以大大增加有效切削刃的数量，进而提高砂轮磨削能力，改善磨削效果。因此，如何实现磨料层内磨料的定向排布，在砂轮生产中引起广泛的关注。

现有技术中，CN1830626A公开了一种针状磨粒砂轮，由填充料在模具中固化形成，填充料由结合剂和磨粒组成，磨粒为经外加磁场定向的针状磨粒；其制备方法具体包括：用搅拌机把光固化树脂与针状磨粒均匀混合成填充料，外加磁场，使针状磨粒定向，把填充料填充在模具的固化腔内，然后光照固化成型。其中，磨粒为表面镀覆镍合金的碳化硅；结合剂为光固化树脂结合剂，主要由环氧丙烯酸酯、二官能团稀释剂、三官能团稀释剂、紫外光引发剂组成。该制备方法是通过碳化硅磨粒表面镀覆镍合金使之成为铁磁性高的材料，再通过磁场作用定向制备针状磨料定向排布的树脂结合剂普通砂轮；其局限在于：必须对磨料表面镀覆一层铁磁性材料，否则无法实现；只限于针状(或片状)磨料，对形状规则的磨料，比如晶型规整的超硬磨料不能适用；光固化树脂结合剂成型料呈固态，针状(或片状)磨料在磁力作用下旋转定向的阻力很大，磨料实际定向率很低。

现有技术中，CN102085645A公开了一种磁控砂轮的生产方法，具体步骤为：依次按照70-95:30-40:30-50重量比取金刚石微粉磨料、羟基铁粉、树脂混合搅拌得混合物；将所得混合物进行70-120℃常规加热处理后，浇注入磁控砂轮模具，施加电磁场使浇注物的羟基铁粉规则排列，进而使得浇注物内的金刚石微粉磨粒也规则排列，后冷却，待模具内浇注物凝固成型后脱模得成品。该制备方法是将磁性颗粒、磨粒以及高分子聚合物(树脂)混合成可固化的磁流变液，在外加磁场作用下经冷却固化作为研磨体的材料。但是，该方法也需要加入大量的磁性材料(羟基铁粉)，否则无法实现；高分子聚合物(树脂)粘度比较大，磨料在磁力作用下旋转定向的阻力很大，磨料实际定向率很低；同时，无高温固化过程，砂轮对磨粒的固结力不强，砂轮使用性能较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，无需加入磁性材料，同时解决现有磁控磨具制备过程中磨料实际定向率低的问题。

本发明的第二个目的是提供一种磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，是由包括下列步骤的方法制备的：

1)取磨料、陶瓷结合剂、分散剂和溶剂，混合制成浆料；

2)将步骤1)所得浆料注入模具后，置于强度为1～50T的磁场中进行磁化，得磁化浆料；

3)将步骤2)所得磁化浆料进行干燥后脱模得素坯，将素坯烧结固化，即得。

所述磨具包括本领域常规的磨具类型；所述磨具根据磨料种类的不同可以是超硬磨具，也可以是普通磨具。优选的，所述磨具为超硬砂轮。

步骤1)所得浆料包括以下重量份数的组分：磨料100份、陶瓷结合剂20～30份、分散剂10～20份、溶剂100份。

所述磨料为超硬磨料或普通磨料。所述普通磨料为刚玉或碳化硅等本领域常见磨料。

所述超硬磨料为金刚石磨料或立方氮化硼磨料。超硬磨料为本领域常用粒度的磨料，如粒度35/40～325/400，或粒度W0.5～W40的磨料都是可行的。

上述制备过程中，本领域常规的用于制备磨具的陶瓷结合剂都是可行的；本领域常用的陶瓷结合剂一般是无机陶瓷粉体的混合物；无机陶瓷粉体多为金属氧化物和/或非金属氧化物。所述陶瓷结合剂主要为R₂O、RO、B₂O₃、Al₂O₃中的任意两种或多种与SiO₂的组合物；其中，R₂O为碱金属氧化物，RO为碱土金属氧化物。优选的，所述R₂O为Li₂O、Na₂O；所述RO为MgO、CaO、SrO、BaO；进一步优选的，所述RO为MgO、CaO。所述陶瓷结合剂中也可添加其他金属、金属氧化物，如Cu、ZnO、Y₂O₃等；

所述陶瓷结合剂包括但不限于以下体系：R₂O-Al₂O₃-SiO₂、R₂O-R’O-Al₂O₃-SiO₂、R₂O-B₂O₃-SiO₂、Na₂O-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂。优选的，所述陶瓷结合剂由以下质量百分比的组分组成：SiO₂ 60％～70％，Al₂O₃ 5％～12％，B₂O₃ 13％～15％，Na₂O 10％～15％；或者所述陶瓷结合剂由以下质量百分比的组分组成：SiO₂ 53％～58％，Al₂O₃ 17.5％～18.5％，Na₂O或B₂O₃ 10.5％～12％，Li₂O 8％～12.5％，ZnO 5％。

所述分散剂为聚丙烯酸钠、柠檬酸钠、三聚磷酸钠中的任意一种或组合。

所述溶剂为水或有机溶剂。此处的溶剂在浆料中起分散作用，本领域常用的不与其他组分反应且易于挥发除去的有机溶剂都是可行的。优选的，所述有机溶剂为乙醇或丁酮。

步骤1)中，混合制成浆料的具体方法为：将磨料、陶瓷结合剂、分散剂与溶剂的混合物搅拌均匀后，调节pH为8～10，分散即得浆料。所述分散为超声分散；超声分散的时间为30～60min。调节pH的方法是采用氨水调节pH。

上述方法中，所用的模具为本领域常规磨具成型用模具。为了避免模具本身对磁化过程的影响，模具采用非铁磁材料制成；优选的，所用的模具为塑料模具。

步骤2)中，通过强磁场诱导定向实现陶瓷结合剂磨具的磨料定向排列，磁化时间以实现磨料定向排列的时间为准。优选的，所述磁化的时间为1～60h。

步骤3)中，干燥的作用是使模具中的磁化浆料形成砂轮素坯，干燥温度和时间满足浆料中溶剂挥发的温度和时间即可。优选的，所述干燥的温度为60～80℃，干燥的时间为1～48h。

步骤3)中，烧结温度可采用本领域常规的陶瓷结合剂砂轮的烧结温度。优选的，所述烧结固化的温度为600～900℃。烧结时间以砂轮完全固化为准。优选的，所述烧结时间为1～6h。

一种磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具的制备方法，包括下列步骤：

1)取磨料、陶瓷结合剂、分散剂和溶剂，混合制成浆料；

2)将步骤1)所得浆料注入模具后，置于强度为1～50T的磁场中进行磁化，得磁化浆料；

3)将步骤2)所得磁化浆料进行干燥后脱模得素坯，将素坯烧结固化，即得。

Kimura理论认为：在强磁场中，当磁化能ΔE₁＝-ΔχVB²/2μ₀大于热能ΔE₂＝K_BT时，陶瓷晶体将发生定向排列。其中，Δχ：晶体两轴的磁化率差；V：晶粒的体积；B：磁场强度；μ₀：真空导磁率；K_B：玻尔兹曼常数；T：温度。陶瓷材料的Δχ一般很小，所以通常的磁场不能使之定向，但在强磁场下，将会产生明显的磁效应。

强磁场下电磁力的作用可达到原子尺度，因此非铁磁性材料，比如陶瓷晶粒这种弱磁性体也可在强磁场中表现出明显的磁效应。在磁场中，具有磁各向异性的晶粒，不同方向所受的磁化能不同，因此晶粒在磁力作用下具有发生旋转的趋势，直到所受的磁性力达到最小为止，这是磁场中磁各向异性晶体的旋转趋向基本原理。在强磁场诱导下，即便是圆形的陶瓷晶粒也能定向排列，打破了传统定向排列技术的不足。

常用的超硬磨料一般是单晶体，晶型各向异性，具有各向异性的磁化率，磁各向异性的磨料晶粒在磁场中会自动调整为磁化能最低的状态，即垂直于磁场方向，从而产生定向排列的结构，以此实现超硬磨料的定向排布。近年来，超导强磁场相关技术及设备研究取得了较大发展，特别是强磁场发生装置已经商品化，价格便宜，操作简单，体积小，适用于工业生产应用，这也使得制备磨料定向排布的超硬砂轮成为可能。

本发明的磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，是将磨料、陶瓷结合剂、分散剂及溶剂混合均匀制成浆料，将浆料注入模具后，将其静置在高强磁场中，在电磁力的作用下，磨料发生旋转，产生定向排列；磁化后进行干燥、脱模，使定向排列的磨料烧结固化，即得磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具；采用胶态成型，通过磨料的定向排布，制备出磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，增加了磨具磨削时的有效切削刃，提高了磨具的磨削能力，改善了磨削表面质量。

本发明的磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具的制备方法，具有以下有益效果：

1)通过强磁场诱导定向，实现了陶瓷结合剂磨具的磨料定向排列，大大提高了磨具磨削时有效磨削刃的数量，提高了磨具磨削能力，磨具寿命、磨削表面质量等都具有显著的提高；

2)利用强磁场诱导技术，实现了磨料这种弱磁性体的定向排布，不需对磨料进行表面镀覆，定向效果更加显著；

3)传统定向排布技术要求材料是片状、针状，超硬磨料由于晶型较规整而不适用；强磁场诱导定向无此限制，只需晶体各向异性就可，非常适用于超硬磨料的定向排布。

附图说明

图1为砂轮成型浆料磁化定向过程示意图；

图2为磨料定向排列的陶瓷结合剂超硬砂轮断面示意图；

图3为磨料随机排列的陶瓷结合剂超硬砂轮断面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例的磨料定向排布的陶瓷结合剂超硬磨具，为超硬砂轮，是由包括下列步骤的方法制备的：

1)取粒度325/400的CBN磨料100g、陶瓷结合剂粉末30g、聚丙烯酸钠10g、去离子水100g，混合并搅拌均匀后，用氨水调节pH为9，超声分散30min，得浆料；

所述陶瓷结合剂由以下质量百分比的组分组成：SiO₂ 60％，Al₂O₃ 12％，B₂O₃13％，Na₂O 15％；

2)将步骤1)所得浆料注入塑料模具(砂轮成型模具)中，然后将其静置于强磁场发生器中，在磁场强度为10T的条件下磁化20h，得磁化浆料；

磁化定向过程如图1所示，浆料1在强磁场的作用下，在沿磁场方向定向排布；

3)将步骤2)所得磁化浆料在60℃条件下干燥24h后，脱模得砂轮素坯，将所得砂轮素坯在750℃条件下完全烧结固化，即得超硬砂轮。

按照砂轮规格要求，对所得超硬砂轮进行后期加工处理，并按要求检验合格后，即得超硬砂轮产品。

所得超硬砂轮的断面如图2所示，超硬磨料2在陶瓷结合剂1中定向排布，与图3所示的磨料随机排列的陶瓷结合剂超硬砂轮相比，切削刃一致径向排布，大大增加了有效切削刃的数量，进而提高了砂轮磨削能力，改善了磨削效果。

实施例2

本实施例的磨料定向排布的陶瓷结合剂超硬磨具，为超硬砂轮，是由包括下列步骤的方法制备的：

1)取粒度W20的CBN磨料100g、陶瓷结合剂粉末20g、柠檬酸钠12g、去离子水100g，混合并搅拌均匀后，用氨水调节pH为10，超声分散60min，得浆料；

所述陶瓷结合剂由以下质量百分比的组分组成：SiO₂ 70％，Al₂O₃ 5％，B₂O₃ 15％，Na₂O10％；

2)将步骤1)所得浆料注入塑料模具(砂轮成型模具)中，然后将其静置于强磁场发生器中，在磁场强度为8T的条件下磁化15h，得磁化浆料；磁化定向过程同实施例1；

3)将步骤2)所得磁化浆料在80℃条件下干燥15h后，脱模得砂轮素坯，将所得砂轮素坯在800℃条件下完全烧结固化，即得超硬砂轮。

按照砂轮规格要求，对所得超硬砂轮进行后期加工处理，并按要求检验合格后，即得超硬砂轮产品。所得超硬砂轮的断面示意同实施例1。

实施例3

本实施例的磨料定向排布的陶瓷结合剂超硬磨具，为超硬砂轮，是由包括下列步骤的方法制备的：

1)取粒度W40的金刚石磨料100g、陶瓷结合剂粉末20g、三聚磷酸钠20g、去离子水100g，混合并搅拌均匀后，用氨水调节pH为8，超声分散60min，得浆料；

所述陶瓷结合剂由以下质量百分比的组分组成：SiO₂ 58％，Al₂O₃ 18.5％，Na₂O10.5％，Li₂O 8％，ZnO 5％；

2)将步骤1)所得浆料注入塑料模具(砂轮成型模具)中，然后将其静置于强磁场发生器中，在磁场强度为12T的条件下磁化20h，得磁化浆料；磁化定向过程同实施例1；

3)将步骤2)所得磁化浆料在80℃条件下干燥20h后，脱模得砂轮素坯，将所得砂轮素坯在700℃条件下完全烧结固化，即得超硬砂轮。

按照砂轮规格要求，对所得超硬砂轮进行后期加工处理，并按要求检验合格后，即得超硬砂轮产品。所得超硬砂轮的断面示意同实施例1。

实施例4

本实施例的磨料定向排布的陶瓷结合剂超硬磨具，为超硬砂轮，是由包括下列步骤的方法制备的：

1)取粒度325/400的CBN磨料100g、陶瓷结合剂粉末20g、聚丙烯酸钠10g、去离子水100g，混合并搅拌均匀后，用氨水调节pH为9，超声分散40min，得浆料；

所述陶瓷结合剂由以下质量百分比的组分组成：SiO₂ 60％，Al₂O₃ 12％，B₂O₃13％，Na₂O 15％；

2)将步骤1)所得浆料注入塑料模具(砂轮成型模具)中，然后将其静置于强磁场发生器中，在磁场强度为1T的条件下磁化60h，得磁化浆料；磁化定向过程同实施例1；

3)将步骤2)所得磁化浆料在60℃条件下干燥48h后，脱模得砂轮素坯，将所得砂轮素坯在750℃条件下完全烧结固化，即得超硬砂轮。

按照砂轮规格要求，对所得超硬砂轮进行后期加工处理，并按要求检验合格后，即得超硬砂轮产品。所得超硬砂轮的断面示意同实施例1。

实施例5

本实施例的磨料定向排布的陶瓷结合剂超硬磨具，为超硬砂轮，是由包括下列步骤的方法制备的：

1)取粒度W40的金刚石磨料100g、陶瓷结合剂粉末25g、三聚磷酸钠15g、去离子水100g，混合并搅拌均匀后，用氨水调节pH为9，超声分散50min，得浆料；

所述陶瓷结合剂由以下质量百分比的组分组成：SiO₂ 53％，Al₂O₃ 17.5％，B₂O₃12％，Li₂O 12.5％，ZnO 5％；

2)将步骤1)所得浆料注入塑料模具(砂轮成型模具)中，然后将其静置于强磁场发生器中，在磁场强度为50T的条件下磁化1h，得磁化浆料；磁化定向过程同实施例1；

3)将步骤2)所得磁化浆料在80℃条件下干燥5h后，脱模得砂轮素坯，将所得砂轮素坯在600℃条件下完全烧结固化，即得超硬砂轮。

按照砂轮规格要求，对所得超硬砂轮进行后期加工处理，并按要求检验合格后，即得超硬砂轮产品。所得超硬砂轮的断面示意同实施例1。

实验例

本实验例对实施例1-5所得磨料定向排布的陶瓷结合剂超硬砂轮进行检测。检测方法：分别采用实施例1-5及对比例1-5所得超硬砂轮对待加工零件(GCr15，HRC55-62)进行磨削加工，计算加工节拍并检测加工后零件的表面粗糙度(Ra)。结果如表1所示。

其中，对比例1-5的超硬砂轮在制备时，没有置于磁场中进行磁化的过程，其余分别同实施例1-5。对比例1-5的超硬砂轮在检测时，加工对象分别同实施例1-5同规格。

表1实施例1-5所得磨料定向排布的陶瓷结合剂超硬砂轮性能检测结果

检测项目	表面粗糙度(Ra)	加工节拍
			实施例1	0.20	18s
对比例1	0.25	25s
			实施例2	0.15	27s
对比例2	0.22	38s
			实施例3	0.19	20s
对比例3	0.23	31s
			实施例4	0.22	17s
对比例4	0.31	25s
			实施例5	0.18	21s
对比例5	0.24	34s

从表1可以看出，采用实施例1-5所得磨料定向排布的陶瓷结合剂超硬砂轮加工零件，与对比例1-5相比，加工后零件的表面粗糙度(Ra)低，加工节拍短。实验结果表明：本发明的磨料定向排布的陶瓷结合剂超硬砂轮通过磨料的定向排布，增加了磨具磨削时的有效切削刃，提高了磨具的磨削能力，改善了磨削表面质量并显著提高了磨削效率。

Claims (7)

1.一种磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，其特征在于：是由包括下列步骤的方法制备的：

1）取磨料、陶瓷结合剂、分散剂和溶剂，混合制成浆料；

2）将步骤1）所得浆料注入模具后，置于强度为1～50T的磁场中进行磁化，得磁化浆料；

3）将步骤2）所得磁化浆料进行干燥后脱模得素坯，将素坯烧结固化，即得；

步骤1）中浆料由以下重量份数的组分组成：磨料100份，陶瓷结合剂20～30份，分散剂10～20份，溶剂100份；

所述陶瓷结合剂由以下质量百分比的组分组成：SiO₂ 60%～70%，Al₂O₃ 5%～12%，B₂O₃13%～15%，Na₂O 10%～15%；或者由以下质量百分比的组分组成：SiO₂ 53%～58%，Al₂O₃17.5%～18.5%，Na₂O或B₂O₃ 10.5%～12%，Li₂O 8%～12.5%，ZnO 5%；

所述分散剂为聚丙烯酸钠、柠檬酸钠、三聚磷酸钠中的任意一种或组合；

所述溶剂为水或有机溶剂。

2.根据权利要求1所述的磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，其特征在于：步骤1）中，混合制成浆料的具体方法为：将磨料、陶瓷结合剂、分散剂与溶剂的混合物搅拌均匀后，调节pH为8～10，分散即得浆料。

3.根据权利要求2所述的磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，其特征在于：调节pH的方法是采用氨水调节pH。

4.根据权利要求1所述的磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，其特征在于：步骤2）中，所述磁化的时间为1～60h。

5.根据权利要求1所述的磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，其特征在于：步骤3）中，所述干燥的温度为60～80℃，干燥的时间为1～48h。

6.根据权利要求1所述的磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具，其特征在于：步骤3）中，所述烧结固化的温度为600～900℃。

7.一种如权利要求1所述的磨料定向排布的陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

1）取磨料、陶瓷结合剂、分散剂和溶剂，混合制成浆料；

2）将步骤1）所得浆料注入模具后，置于强度为1～50T的磁场中进行磁化，得磁化浆料；

3）将步骤2）所得磁化浆料进行干燥后脱模得素坯，将素坯烧结固化，即得。