CN105349868A - 一种金属陶瓷结合剂及其制备方法，cbn砂轮及其制备方法 - Google Patents

一种金属陶瓷结合剂及其制备方法，cbn砂轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属陶瓷结合剂及其制备方法，CBN砂轮及其制备方法。该金属陶瓷结合剂，由质量分数为75～92％的陶瓷成分和8～25％的金属成分组成；所述陶瓷成分由以下质量分数的组分组成：SiO240-65％，B2O38-35％，Al2O36-20％，Na2O5-18％，CaO0.5-5％，K2O3-10％，MgO0.5-2％，TiO22-6％；所述金属成分由以下质量分数的组分组成：Cu55-80％，Sn15-30％，Ni5-20％。该金属陶瓷结合剂，可用作CBN砂轮的结合剂，解决陶瓷CBN砂轮在磨削过程中工件表面粗糙度大，易形成振纹、抗冲击性能差等缺陷。

Description

一种金属陶瓷结合剂及其制备方法，CBN砂轮及其制备方法
技术领域
本发明属于超硬材料制品技术领域，具体涉及一种金属陶瓷结合剂及其制备方法，CBN砂轮及其制备方法。
背景技术
CBN砂轮与普通砂轮相比，具有磨削效率高，表面光洁度好，磨削质量高等特点。CBN砂轮是使用结合剂将CBN磨粒粘结起来并制成具有一定强度和形状的磨具，可以对各种金属和合金进行高精度、高效率的磨削加工。随着工业快速发展的需要以及材料科学的不断突破和创新，各种高强度、高硬度、抗腐蚀和耐高温的新型材料应运而生，这些材料比较难加工，特别是在精密磨削加工过程中，数控磨床对CBN砂轮的性能要求更高，要求砂轮的切削力好，锋利；又要求砂轮的形状保持性好，能持续加工；同时要求砂轮能够耐强力挤压等。
在CBN砂轮中用于固结CBN磨粒的结合剂有树脂、金属和陶瓷三种材料。传统的树脂结合剂CBN砂轮虽然锋利性好，自锐性好，砂轮磨削效率高，并且可以改善工件表面的粗糙度，但是耐热性低，对CBN磨料把持力低，CBN磨粒易于脱落；同时其耐磨性不足，而且由于树脂结合剂是有机材料，受树脂本身性能限制，砂轮耐热性、耐磨性较差，不能进行精密成型磨削。陶瓷结合剂CBN砂轮虽然磨削能力强、磨削温度低、自锐性强、锋利性好，但是耐磨性差，难修整；金属结合剂金刚石砂轮虽然强度高、工作面几何形状保持性好、寿命长、耐冲击，但是自锐性不好、效率低，无法满足持续加工的需要。CBN砂轮优良的锋利、自锐性以及超强的耐磨性是能否充分提高数控磨床加工效率的关键；而砂轮结合剂又是影响CBN砂轮性能的关键因素，传统的单一结合剂已不能满足要求高加工效率的数控磨床用CBN砂轮性能的需要。
CN101362316A公开了一种低温高强度微晶玻璃陶瓷结合剂CBN砂轮，其原料组分及重量百分比含量为45-80％CBN，0-20％刚玉，20-35％陶瓷结合剂，所述陶瓷结合剂为一种微晶玻璃陶瓷结合剂，其原料组成及重量百分比含量为：40-70％SiO2，B2O35-25％，Al2O32-5％，Na2O2-15％，CaO2-4％，K2O2-5％，MgO2-4％，LiO21-10％，ZrO22-5％，Sb2O32-5％；线速度可达160m/s，该CBN砂轮主要用于汽车曲轴磨削加工及各类高速数控磨削加工，具有切削锋利，磨削效率高，热膨胀系数小，加工精度容易控制的特点。
CN100478307C公开了一种用于立方氮化硼砂轮的陶瓷金属复合结合剂，该结合剂由以下重量百分比原料组成：SiO245-50％、Al2O320-25％、K2O6-8.5％、Na2O2.5-6.5％、BaO4-9％、Cu2-6％、Sn0.5-1.5％、Zn0.3-1％，使用该结合剂的CBN砂轮的加工精度、形状保持性和砂轮的使用寿命，都得到了进一步提升。
现有技术中，用于CBN砂轮的陶瓷金属复合结合剂，在磨削锋利、耐磨性和形状保持性上都得到了一定的提高，但是在磨削过程中砂轮易形成振纹，崩口等缺陷，更不适合磨削加工一些硬而脆的材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属陶瓷结合剂，从而可以用于制备CBN砂轮，解决现有技术中，陶瓷金属复合结合剂制备的CBN砂轮在磨削加工中，易形成振纹、抗冲击性能差的问题。
本发明的第二个目的是提供上述金属陶瓷结合剂的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种使用上述金属陶瓷结合剂的CBN砂轮。
本发明的第四个目的是提供上述CBN砂轮的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种金属陶瓷结合剂，由质量分数为75～92％的陶瓷成分和8～25％的金属成分组成(陶瓷成分与金属成分质量分数之和为100％)；所述陶瓷成分由以下质量分数的组分组成：SiO240-65％，B2O38-35％，Al2O36-20％，Na2O5-18％，CaO0.5-5％，K2O3-10％，MgO0.5-2％，TiO22-6％(陶瓷成分各组分质量分数之和为100％)；所述金属成分由以下质量分数的组分组成：Cu55-80％，Sn15-30％，Ni5-20％(金属成分各组分质量分数之和为100％)。
本发明所提供的金属陶瓷结合剂，陶瓷成分和金属成分合理配比，使该结合剂既保持了陶瓷结合剂锋利性好、自锐性好、超强耐磨的特性，又具有金属结合剂强度高、形状保持性好、耐冲击的优点；选用Cu-Sn-Ni活性合金加入陶瓷成分，可以实现金属陶瓷结合剂对磨粒的优良润湿和牢固把持，同时保持CBN磨粒自身的超强耐磨性和锋利切削刃，在实现CBN砂轮磨削锋利、耐磨性和形状保持性好的同时，可以有效减少刚性磨削形成的裂纹，从而改善CBN砂轮在磨削加工中，易形成振纹、抗冲击性能差的问题。
上述金属陶瓷结合剂的制备方法，包括：将SiO2粉、B2O3粉、Al2O3粉、Na2O粉、CaO粉、K2O粉、MgO粉、TiO2粉研磨过筛后混合，升温至1300～1600℃进行熔炼，然后经淬冷，研磨，干燥后过筛，得陶瓷结合剂粉；将陶瓷结合剂粉与Cu粉、Sn粉、Ni粉混匀，即得。
所述淬冷为水淬。
优选的，可将上述金属陶瓷结合剂过325目筛，使各原料的粒度更加均一。
所述研磨过筛所用的筛网为40目，所述干燥后过筛所用的筛网为200目。
所述升温的速率为10℃/min。
所述熔炼的时间至少为2h。
金属粉中，Cu粉、Sn粉、Ni粉的粒度均为325目以细。优选各金属粉的纯度为99.8％以上。
本发明所提供的金属陶瓷结合剂的制备方法，陶瓷成分经混合、熔炼、淬冷、粉碎得到是一种微晶玻璃陶瓷；在CBN砂轮的制备中，经过合适的烧结温度保温热处理即可析晶，得到一种具有低热膨胀系数、高强度和优良耐蚀性的玻璃陶瓷结合剂。玻璃陶瓷结合剂与金属粉起到的金属结合剂的合理搭配，起到调节金属结合剂强度、刚度和韧性的作用，从而使CBN磨料切削锋利、耐磨性好、易修整等特性更好的发挥出来。
一种使用上述金属陶瓷结合剂的CBN砂轮，由以下质量百分含量的原料制成：金属陶瓷结合剂15～30％，CBN磨料62～78％，氧化铝空心球0.5～3％，润湿剂2～5％。
氧化铝空心球的直径为50～100μm。优选的，氧化铝空心球的堆积密度为0.15g/cm3。
本发明提供的CBN砂轮，通过使用金属陶瓷结合剂，使得砂轮在使用过程中形状保持性好，寿命长，能承受较大载荷；各组分的合理配比，在保证CBN砂轮磨削锋利的基础上，提高了砂轮的导热性能，使砂轮在磨削过程中散热加快，有利于降低磨削温度，减少工件扭曲变形，使加工精度得到保证，同时磨具的修整频次减少，提高了机械化和自动化程度，降低了加工工件的尺寸公差，提高了其尺寸精度和一致性；配方中一定比例的氧化铝空心球，使得原来致密的砂轮层具有一定的孔隙率，不仅砂轮的气孔率和容屑空间得到保证，而且凭借颗粒增强效应，还能提高砂轮磨削层的型面强度和磨削层对磨粒的支撑强度。
上述CBN砂轮的制备方法，包括：用润湿剂将CBN磨料和氧化铝空心球润湿后，加入金属陶瓷结合剂混匀，冷压成型，干燥，在氩气气氛下升温至650～760℃进行烧结，即得。
所述润湿剂为聚乙烯醇溶液。优选的，聚乙烯醇溶液的质量浓度为25％。
所述冷压成型方式为定模成型，均匀压制成型。
所述升温包括：第一阶段升温，以3℃/min的速率从室温升温至450℃，保温90min；第二阶段升温，以2℃/min的速率升温至650～760℃。升温至650～760℃后，保温1.5h～2.5h，停炉，随炉冷却，低于40℃出炉。
本发明提供的CBN砂轮的制备方法，烧结的温度低，CBN磨料的超硬特性得到保持；金属陶瓷结合剂与升温烧结过程的控制，使金属陶瓷结合剂和磨料、空心球组分充分结合，使CBN砂轮在磨削硬度较高的材料时，不易堵塞，自锐性好，磨削锋利。该方法制备工艺简单，所得砂轮质量稳定性好，适合大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明CBN砂轮的制备流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例的金属陶瓷结合剂，由质量分数90％的陶瓷成分和质量分数10％的金属成分组成；陶瓷成分由以下重量百分含量的组分组成：SiO252％，B2O326％，Al2O310％，Na2O5％，CaO0.5％，K2O4％，MgO0.5％，TiO22％；金属成分由以下重量百分含量的组分组成：Cu70％，Sn18％，Ni12％。
本实施例的金属陶瓷结合剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将SiO2粉、B2O3粉、Al2O3粉、Na2O粉、CaO粉、K2O粉、MgO粉、TiO2粉研磨过40目筛网，放入刚玉坩埚中，并通过高温电炉以10℃/min的速率升温至1400℃，保温2小时使充分澄清、均化，得到熔体；
2)将步骤1)所得熔体倒出，水淬成玻璃颗粒，研磨120min，干燥后过200目筛即得陶瓷结合剂粉；
将陶瓷结合剂粉与Cu粉、Sn粉、Ni粉混匀，过325目标准筛，即得；所述Cu粉、Sn粉、Ni粉的粒度均为325目以细，纯度为99.8wt％以上。
本实施例的CBN砂轮，由以下重量百分比的原料制成：金属陶瓷结合剂21％，CBN磨料74％，氧化铝空心球2％，润湿剂3％。所述润湿剂为25wt％的聚乙烯醇溶液。
本实施例的CBN砂轮的制备方法，工艺流程如图1所示，包括以下步骤：
1)用润湿剂将CBN磨料和氧化铝空心球充分润湿后，加入金属陶瓷结合剂混匀，得到成型料；所述氧化铝空心球的直径为50μm，堆积密度为0.15g/cm3；
2)将步骤1)所得成型料均匀倒入事先准备好的模具，刮平，在压机下均匀压制成型，干燥，得到成型品；
3)将步骤2)所得成型品放入烧结炉中，在氩气气氛下从室温升温至450℃，升温速率3℃/min，保温90min，然后按照升温速率2℃/min，升温至710℃，保温1.5h，停炉，随炉冷却，低于40℃出炉，粘结后加工，检测产品性能，即得。
实施例2
本实施例的金属陶瓷结合剂，由质量分数92％的陶瓷成分和质量分数8％的金属成分组成；陶瓷成分由以下重量百分含量的组分组成：SiO240％，B2O38％，Al2O311％，Na2O18％，CaO5％，K2O10％，MgO2％，TiO26％；金属成分由以下重量百分含量的组分组成：Cu55％，Sn30％，Ni15％。
本实施例的金属陶瓷结合剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将SiO2粉、B2O3粉、Al2O3粉、Na2O粉、CaO粉、K2O粉、MgO粉、TiO2粉研磨过40目筛网放入刚玉坩埚中，并通过高温电炉以10℃/min的速率升温至1300℃，保温2小时使充分澄清、均化，得到熔体；
2)将步骤1)所得熔体倒出，水淬成玻璃颗粒，研磨120min，干燥后过200目筛即得陶瓷结合剂粉；
将陶瓷结合剂粉与Cu粉、Sn粉、Ni粉混匀，过325目标准筛，即得；所述Cu粉、Sn粉、Ni粉的粒度均为325目以细，纯度为99.8wt％以上。
本实施例的CBN砂轮，由以下重量百分比的原料制成：金属陶瓷结合剂18％，CBN磨料78％，氧化铝空心球1.5％，润湿剂2.5％。所述润湿剂为25wt％的聚乙烯醇溶液。
本实施例的CBN砂轮的制备方法，工艺流程如图1所示，包括以下步骤：
1)用润湿剂将CBN磨料和氧化铝空心球充分润湿后，加入金属陶瓷结合剂混匀，得到成型料；所述氧化铝空心球的直径为50μm，堆积密度为0.15g/cm3；
2)将步骤1)所得成型料均匀倒入事先准备好的模具，刮平，在压机下均匀压制成型，干燥，得到成型品；
3)将步骤2)所得成型品放入烧结炉中，在氩气气氛下从室温升温至450℃，升温速率3℃/min，保温90min，然后按照升温速率2℃/min，升温至730℃，保温1.5h，停炉，随炉冷却，低于40℃出炉，粘结后加工，检测产品性能，即得。
实施例3
本实施例的金属陶瓷结合剂，由质量分数88％的陶瓷成分和质量分数12％的金属成分组成；陶瓷成分由以下重量百分含量的组分组成：SiO260％，B2O38％，Al2O320％，Na2O6％，CaO0.5％，K2O3％，MgO0.5％，TiO22％；金属成分由以下重量百分含量的组分组成：Cu65％，Sn15％，Ni20％。
本实施例的金属陶瓷结合剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将SiO2粉、B2O3粉、Al2O3粉、Na2O粉、CaO粉、K2O粉、MgO粉、TiO2粉研磨过40目筛网放入刚玉坩埚中，并通过高温电炉以10℃/min的速率升温至1400℃，保温2小时使充分澄清、均化，得到熔体；
2)将步骤1)所得熔体倒出，水淬成玻璃颗粒，研磨120min，干燥后过200目筛即得陶瓷结合剂粉；
将陶瓷结合剂粉与Cu粉、Sn粉、Ni粉混匀，过325目标准筛，即得；所述Cu粉、Sn粉、Ni粉的粒度均为325目以细，纯度为99.8wt％以上。
本实施例的CBN砂轮，由以下重量百分比的原料制成：金属陶瓷结合剂25％，CBN磨料71％，氧化铝空心球2％，润湿剂2％。所述润湿剂为25wt％的聚乙烯醇溶液。
本实施例的CBN砂轮的制备方法，工艺流程如图1所示，包括以下步骤：
1)用润湿剂将CBN磨料和氧化铝空心球充分润湿后，加入金属陶瓷结合剂混匀，得到成型料；所述氧化铝空心球的直径为70μm，堆积密度为0.15g/cm3；
2)将步骤1)所得成型料均匀倒入事先准备好的模具，刮平，在压机下均匀压制成型，干燥，得到成型品；
3)将步骤2)所得成型品放入烧结炉中，在氩气气氛下从室温升温至450℃，升温速率3℃/min，保温90min，然后按照升温速率2℃/min，升温至760℃，保温2.0h，停炉，随炉冷却，低于40℃出炉，粘结后加工，检测产品性能，即得。
实施例4
本实施例的金属陶瓷结合剂，由质量分数75％的陶瓷成分和质量分数25％的金属成分组成；陶瓷成分由以下重量百分含量的组分组成：SiO240％，B2O335％，Al2O32％，Na2O10％，CaO2％，K2O7％，MgO1％，TiO23％；金属成分由以下重量百分含量的组分组成：Cu80％，Sn25％，Ni5％。
本实施例的金属陶瓷结合剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将SiO2粉、B2O3粉、Al2O3粉、Na2O粉、CaO粉、K2O粉、MgO粉、TiO2粉研磨过40目筛网放入刚玉坩埚中，并通过高温电炉以10℃/min的速率升温至1600℃，保温2小时使充分澄清、均化，得到熔体；
2)将步骤1)所得熔体倒出，水淬成玻璃颗粒，研磨120min，干燥后过200目筛即得陶瓷结合剂粉；
将陶瓷结合剂粉与Cu粉、Sn粉、Ni粉混匀，过325目标准筛，即得；所述Cu粉、Sn粉、Ni粉的粒度均为325目以细，纯度为99.8wt％以上。
本实施例的CBN砂轮，由以下重量百分比的原料制成：金属陶瓷结合剂30％，CBN磨料62％，氧化铝空心球3％，润湿剂5％。所述润湿剂为25wt％的聚乙烯醇溶液。
本实施例的CBN砂轮的制备方法，工艺流程如图1所示，包括以下步骤：
1)用润湿剂将CBN磨料和氧化铝空心球充分润湿后，加入金属陶瓷结合剂混匀，得到成型料；所述氧化铝空心球的直径为100μm，堆积密度为0.15g/cm3；
2)将步骤1)所得成型料均匀倒入事先准备好的模具，刮平，在压机下均匀压制成型，干燥，得到成型品；
3)将步骤2)所得成型品放入烧结炉中，在氩气气氛下从室温升温至450℃，升温速率3℃/min，保温90min，然后按照升温速率2℃/min，升温至650℃，保温2.5h，停炉，随炉冷却，低于40℃出炉，粘结后加工，检测产品性能，即得。
试验例1
本试验例对实施例1～4所得CBN砂轮的磨削性能进行检测。以空调压缩机活塞内孔为磨削工件，工件规格为24.5x26xM8，材质为FC330，硬度为HRC45～62，磨削余量为0.2～0.45mm，线速度为55m/s，检测结果如表1所示。
表1实施例1～4所得CBN砂轮的磨削性能测试结果
项目 粗糙度RZ(μm) 直线度(μm) 圆度(μm) 寿命(个)
磨削标准 ≤3.0 ≤1.5 ≤1.5 —
实例1 2.12 1.12 1.35 9600
实例2 2.04 1.08 1.24 10800
实例3 1.86 0.74 0.96 13200
实例4 1.92 1.04 1.15 11500
由表1的试验结果可知，本实施例1～4所得的砂轮具有很高的磨削质量，粗糙度，直线度，圆度很好，磨削工件精度稳定，磨削锋利，耐用度很高。

Claims (10)

1.一种金属陶瓷结合剂，其特征在于，由质量分数为75～92％的陶瓷成分和8～25％的金属成分组成；所述陶瓷成分由以下质量分数的组分组成：SiO240-65％，B2O38-35％，Al2O36-20％，Na2O5-18％，CaO0.5-5％，K2O3-10％，MgO0.5-2％，TiO22-6％；所述金属成分由以下质量分数的组分组成：Cu55-80％，Sn15-30％，Ni5-20％。
2.一种如权利要求1所述的金属陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，包括：将SiO2粉、B2O3粉、Al2O3粉、Na2O粉、CaO粉、K2O粉、MgO粉、TiO2粉研磨过筛后混合，升温至1300～1600℃进行熔炼，然后经淬冷，研磨，干燥后过筛，得陶瓷结合剂粉；将陶瓷结合剂粉与Cu粉、Sn粉、Ni粉混匀，即得。
3.如权利要求2所述的金属陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，所述研磨过筛所用的筛网为40目，所述干燥后过筛所用的筛网为200目。
4.如权利要求2所述的金属陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，所述升温的速率为10℃/min。
5.如权利要求2所述的金属陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，熔炼的时间至少为2h。
6.如权利要求2所述的金属陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，Cu粉、Sn粉、Ni粉的粒度均为325目以细。
7.一种使用权利要求1所述金属陶瓷结合剂的CBN砂轮，其特征在于，由以下质量百分含量的原料制成：金属陶瓷结合剂15～30％，CBN磨料62～78％，氧化铝空心球0.5～3％，润湿剂2～5％。
8.如权利要求7所述的CBN砂轮，其特征在于，氧化铝空心球的直径为50～100μm。
9.一种如权利要求7所述CBN砂轮的制备方法，其特征在于，包括：用润湿剂将CBN磨料和氧化铝空心球润湿后，加入金属陶瓷结合剂混匀，冷压成型，干燥，在氩气气氛下升温至650～760℃进行烧结，即得。
10.如权利要求9所述的CBN砂轮的制备方法，其特征在于，所述升温包括：第一阶段升温，以3℃/min的速率从室温升温至450℃，保温90min；第二阶段升温，以2℃/min的速率升温至650～760℃。
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