CN105397648A - 一种陶瓷金属复合结合剂、制备方法及金刚石砂轮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷金属复合结合剂、制备方法及金刚石砂轮，该复合结合剂由以下重量份数的组分组成：35～40份的SiO2，25～30份的H3BO3，10～15份的Li2B4O7，3～10份的AlF3，2～6份的Na2S，2～5份的Fe2N，3～8份的Mg3N2，2～6份的CaF2，15～20份的铅锡合金或镍钛合金；既具有耐火度低(低于650℃)、热膨胀系数小(3.0～4.0×10-6/℃)、强度高(抗弯强度达150～220Mpa)、气孔率可调、自锐性好、化学稳定性好等优点，还兼具热导率高(20～50W/m·K)、韧性好的优良性能，适合金刚石砂轮成型使用，更好地满足了现代精密磨削加工的需要。
Description
技术领域
本发明属于磨削加工工具用结合剂技术领域，具体涉及一种陶瓷金属复合结合剂，同时还涉及一种陶瓷金属复合结合剂的制备方法及采用该种陶瓷金属复合结合剂制备的金刚石砂轮。
背景技术
在现代制造领域，磨削加工已经成为实现精密与超精密加工最有效、应用最广泛的工艺技术。随着磨削加工向高速、高效、高精方向的不断发展，同时鉴于陶瓷结合剂金刚石砂轮具有刚性好、磨削锋利、耐用度高、易于修整、使用寿命长等优点，陶瓷结合剂金刚石砂轮的应用范围越来越广泛，用量不断增长。
目前陶瓷结合剂体系主要有B-Zn-Si系、Na-B-Al-Si系、Li-Al-Si系及铅玻璃系。陶瓷结合剂金刚石砂轮主要由金刚石磨料、陶瓷结合剂以及填充料混合烧制而成。结合剂性能的好坏直接关系到金刚石磨料的优良性能能否得到充分的发挥，从而最终影响到金刚石砂轮的磨削效果。
现有技术中，CN104496437A公开了一种陶瓷结合剂，由下列重量份数的物质组成：SiO236-45份，B2O323-33份，Fe2O330-40份，CaO2-8份，Li2CO37-10份，KNO33-5份，Na2O6-9份；将所有原料在球磨机中充分混合，再加入水，球磨10-15h，然后静置3-4h，将水倒出，在90-105℃条件下烘干，再球磨、过筛制备得到陶瓷结合剂。CN103624696B公开了一种陶瓷结合剂，其组分及含量按重量百分比为：二氧化硅25％-45％，粒度不大于5微米的超细二氧化硅15％-25％，四硼酸钠14％-20％，氧化铝8％-13％，碳酸锂4％-8％，氧化锌5％-10％，氧化镁1％-2％，碳酸钡0-1％，氧化钛3％-5％；由于在组分中引入超细二氧化硅，提高陶瓷结合剂的强度，同时降低耐火度。
由于金刚石磨料高温下易氧化或者分解，所以要求陶瓷结合剂的耐火度要低；此外，由于金刚石的热膨胀系数通常为4.0×10-6/℃，所以要求陶瓷结合剂的热膨胀系数要小。适用于金刚石砂轮的结合剂应该具备耐火度低、热膨胀系数小、热导率高、强度高等优点，但是，现有的陶瓷结合剂存在耐火度较高(850℃以上)、热膨胀系数较大(大于6.0×10-6/℃)、热导率低(0～1W/m·K)、强度不高(40～80Mpa)等缺点。由于结合剂耐火度较高，导致陶瓷结合剂砂轮烧结温度过高而致使金刚石磨料氧化分解，从而丧失了磨料应有的作用；由于结合剂热膨胀系数较大导致与金刚石磨料热膨胀系数不匹配，从而造成磨料与结合剂的结合强度下降；由于结合剂热导率低导致磨削过程中产生的磨削热不能及时排出，从而造成工件烧伤；由于结合剂自身强度不高导致金刚石砂轮的强度也不高，从而难以实现高速磨削。
因此，现有的陶瓷结合剂不能完全达到上述特定的商业需求，难以完全满足现代高效精密磨削加工的需要；制备出一种低耐火度、低膨胀系数、高热导率、高强度的结合剂具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种热导率高、强度高、耐火度低、热膨胀系数小的陶瓷金属复合结合剂。
本发明的第二个目的是提供一种陶瓷金属复合结合剂的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种采用上述陶瓷金属复合结合剂制备的金刚石砂轮。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种陶瓷金属复合结合剂，由以下重量份数的组分组成：35～40份的SiO2，25～30份的H3BO3，10～15份的Li2B4O7，3～10份的AlF3，2～6份的Na2S，2～5份的Fe2N，3～8份的Mg3N2，2～6份的CaF2，15～20份的铅锡合金或镍钛合金。
所述铅锡合金由以下重量百分比的组分组成：Pb30％～45％、Sn55％～70％。
所述镍钛合金由以下重量百分比的组分组成：Ni40％～60％、Ti40％～60％。
本发明的陶瓷金属复合结合剂，热导率为20～50W/m·K，抗弯强度达150～220Mpa，耐火度低于650℃，热膨胀系数为3.0～4.0×10-6/℃(与金刚石的热膨胀系数相匹配)。
本发明的陶瓷金属复合结合剂中，由SiO2、H3BO3、Li2B4O7、AlF3、Na2S、Fe2N、Mg3N2和CaF2组成基础陶瓷结合剂，与现有技术相比，通过调整基础陶瓷结合剂的配方，得到耐火度较低、热膨胀系数较小的基础陶瓷结合剂；向基础陶瓷结合剂中加入高导热、韧性好的铅锡合金或镍钛合金，得到同时兼具陶瓷结合剂耐火度低、热膨胀系数小、气孔率可调、自锐性好、化学稳定性好和金属结合剂热导率高、韧性好等优良性能的陶瓷金属复合结合剂。
本发明的陶瓷金属复合结合剂，向基础陶瓷结合剂中加入铅锡合金或镍钛合金，一方面，可以改善陶瓷结合剂的热导率。在陶瓷结合剂金刚石砂轮的工作层中，金刚石磨料具有很高的热导率(2000W/m·K)，而在工作层中起到粘接作用的陶瓷结合剂却是热的不良导体(热导率一般为0～1W/m·K)，严重阻碍热量的传递，使得磨削热不能有效、快速地散发出去，导致磨削区温度太高，造成工件表面烧伤、砂轮粘附现象加重，最终导致工件加工质量差，砂轮使用寿命短。本发明是向陶瓷结合剂中加入高导热的填料，提高了陶瓷结合剂的热导率，进而提高陶瓷结合剂金刚石砂轮的热导率，让更多的磨削热传入砂轮，减少磨削区热量，降低磨削温度。
向基础陶瓷结合剂中加入合金粉末，另一方面，可以改善陶瓷结合剂的脆性，起到增韧补强的作用。金属对陶瓷基体的增韧机制主要有：裂纹桥接机制、裂纹偏转机制和裂纹屏障机制；大量研究结果表明，韧性的提高主要来源于裂纹桥接机制。裂纹在陶瓷基体复合材料中扩展时，作为第二相的金属粒子在外力的作用下产生一定的塑性变形或沿晶界滑移产生蠕变，使裂纹扩展应力得到释放，达到增韧效果，从而提高陶瓷结合剂的抗弯强度。
一种上述的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的SiO2、H3BO3、Li2B4O7、AlF3、Na2S、Fe2N、Mg3N2和CaF2混合后进行熔炼，后经水淬并烘干，得玻璃料；
2)将步骤1)所得玻璃料球磨后过筛，得基础料；
3)将步骤2)所得基础料中加入配方量的铅锡合金粉或镍钛合金粉，混合均匀，即得。
步骤1)中，所述混合是指球磨混合。球磨能使各原料混合更充分，粒度更均匀。
步骤1)中，所述熔炼的温度为1200～1300℃，保温的时间为2.5～3.5h。熔炼的目的是形成玻璃料。
步骤1)中，所述烘干是指在95～105℃条件下烘干。此处烘干的作用是除去水淬后残留的水分。
步骤2)中，所述过筛是指过200～250目筛。
步骤3)中，所述铅锡合金粉或镍钛合金粉的粒度为200～250目。
一种采用上述的陶瓷金属复合结合剂制备的金刚石砂轮。
所述金刚石砂轮由以下重量份的原料制成：金刚石磨料30～55份、辅助磨料15～35份、陶瓷金属复合结合剂20～40份、临时粘结剂5份。其中，所述辅助磨料为碳化硅或刚玉。所述临时粘结剂为糊精。
所述金刚石砂轮按照常本领域常规方法制备即可。优选的，其制备方法为：将原料混合后冷压成型，于680℃烧结，即得所述金刚石砂轮。
本发明的陶瓷金属复合结合剂，由SiO2、H3BO3、Li2B4O7、AlF3、Na2S、Fe2N、Mg3N2、CaF2和合金(铅锡合金或镍钛合金)组成，既具有耐火度低(低于650℃)、热膨胀系数小(3.0～4.0×10-6/℃)、强度高(抗弯强度达150～220Mpa)、气孔率可调、自锐性好、化学稳定性好等优点，还兼具热导率高(20～50W/m·K)、韧性好的优良性能，适合于金刚石砂轮成型使用，使其更好地满足了现代精密磨削加工的需要。
本发明的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，先通过熔炼、水淬、球磨、过筛得到低熔点的基础料(基础陶瓷结合剂)，再在基础料中加入高导热、韧性好的铅锡合金粉或镍钛合金粉，制得的陶瓷金属复合结合剂兼具陶瓷结合剂和金属结合剂的优点，耐火度低、热膨胀系数小、热导率高、强度高。
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
本实施例的陶瓷金属复合结合剂，由以下重量份数的组分组成：35份的SiO2，30份的H3BO3，10份的Li2B4O7，9份的AlF3，2份的Na2S，2份的Fe2N，8份的Mg3N2，4份的CaF2，15份的铅锡合金。
所述铅锡合金由以下重量百分比的组分组成：Pb30％、Sn70％。
本实施例的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)取配方量的SiO2、H3BO3、Li2B4O7、AlF3、Na2S、Fe2N、Mg3N2和CaF2，置于球磨机中混合研磨均匀，得原料粉备用；
2)将步骤1)所得原料粉放入高温熔块炉中加热至1250℃并保温3h进行熔炼，后经水淬，将水淬后的物料置于100℃烘箱中烘干，得玻璃料；
3)将步骤2)所得玻璃料放入球磨机中进行研磨后，过230目筛，得基础料；
4)将步骤3)所得基础料中加入配方量的铅锡合金粉，混合均匀，即得所述陶瓷金属复合结合剂。
本实施例所得陶瓷金属复合结合剂经检测，其热导率为23W/m·K；抗弯强度达152Mpa；耐火度为647℃；热膨胀系数为3.9×10-6/℃，与金刚石的热膨胀系数相匹配。
本实施例的金刚石砂轮，是采用上述的陶瓷金属复合结合剂制备的。所述金刚石砂轮由以下重量份的原料制成：金刚石磨料40份、辅助磨料(碳化硅)25份、陶瓷金属复合结合剂30份、临时粘结剂(糊精)5份。制备方法为：将原料混合后冷压成型，于680℃烧结，即得所述金刚石砂轮。
实施例2
本实施例的陶瓷金属复合结合剂，由以下重量份数的组分组成：36份的SiO2，29份的H3BO3，11份的Li2B4O7，8份的AlF3，2份的Na2S，2份的Fe2N，6份的Mg3N2，6份的CaF2，16份的铅锡合金。
所述铅锡合金由以下重量百分比的组分组成：Pb40％、Sn60％。
本实施例的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)取配方量的SiO2、H3BO3、Li2B4O7、AlF3、Na2S、Fe2N、Mg3N2和CaF2，置于球磨机中混合研磨均匀，得原料粉备用；
2)将步骤1)所得原料粉放入高温熔块炉中加热至1250℃并保温3.5h进行熔炼，后经水淬，将水淬后的物料置于100℃烘箱中烘干，得玻璃料；
3)将步骤2)所得玻璃料放入球磨机中进行研磨后，过250目筛，得基础料；
4)将步骤3)所得基础料中加入配方量的铅锡合金粉，混合均匀，即得所述陶瓷金属复合结合剂。
本实施例所得陶瓷金属复合结合剂经检测，其热导率为26W/m·K；抗弯强度达158Mpa；耐火度为645℃；热膨胀系数为3.8×10-6/℃，与金刚石的热膨胀系数相匹配。
本实施例的金刚石砂轮，是采用上述的陶瓷金属复合结合剂制备的。所述金刚石砂轮由以下重量份的原料制成：金刚石磨料30份、辅助磨料(刚玉)35份、陶瓷金属复合结合剂20份、临时粘结剂(糊精)5份。制备方法为：将原料混合后冷压成型，于680℃烧结，即得所述金刚石砂轮。
实施例3
本实施例的陶瓷金属复合结合剂，由以下重量份数的组分组成：37份的SiO2，28份的H3BO3，10份的Li2B4O7，7份的AlF3，2份的Na2S，2份的Fe2N，8份的Mg3N2，6份的CaF2，18份的铅锡合金。
所述铅锡合金由以下重量百分比的组分组成：Pb45％、Sn55％。
本实施例的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)取配方量的SiO2、H3BO3、Li2B4O7、AlF3、Na2S、Fe2N、Mg3N2和CaF2，置于球磨机中混合研磨均匀，得原料粉备用；
2)将步骤1)所得原料粉放入高温熔块炉中加热至1300℃并保温2.5h进行熔炼，后经水淬，将水淬后的物料置于105℃烘箱中烘干，得玻璃料；
3)将步骤2)所得玻璃料放入球磨机中进行研磨后，过230目筛，得基础料；
4)将步骤3)所得基础料中加入配方量的铅锡合金粉，混合均匀，即得所述陶瓷金属复合结合剂。
本实施例所得陶瓷金属复合结合剂经检测，其热导率为30W/m·K；抗弯强度达163Mpa；耐火度为642℃；热膨胀系数为3.6×10-6/℃，与金刚石的热膨胀系数相匹配。
本实施例的金刚石砂轮，是采用上述的陶瓷金属复合结合剂制备的。所述金刚石砂轮由以下重量份的原料制成：金刚石磨料55份、辅助磨料(碳化硅)15份、陶瓷金属复合结合剂40份、临时粘结剂(糊精)5份。制备方法为：将原料混合后冷压成型，于680℃烧结，即得所述金刚石砂轮。
实施例4
本实施例的陶瓷金属复合结合剂，由以下重量份数的组分组成：38份的SiO2，27份的H3BO3，11份的Li2B4O7，6份的AlF3，2份的Na2S，2份的Fe2N，8份的Mg3N2，6份的CaF2，15份的镍钛合金。
所述镍钛合金由以下重量百分比的组分组成：Ni50％、Ti50％。
本实施例的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)取配方量的SiO2、H3BO3、Li2B4O7、AlF3、Na2S、Fe2N、Mg3N2和CaF2，置于球磨机中混合研磨均匀，得原料粉备用；
2)将步骤1)所得原料粉放入高温熔块炉中加热至1250℃并保温3h进行熔炼，后经水淬，将水淬后的物料置于100℃烘箱中烘干，得玻璃料；
3)将步骤2)所得玻璃料放入球磨机中进行研磨后，过200目筛，得基础料；
4)将步骤3)所得基础料中加入配方量的镍钛合金粉，混合均匀，即得所述陶瓷金属复合结合剂。
本实施例所得陶瓷金属复合结合剂经检测，其热导率为28W/m·K；抗弯强度达167Mpa；耐火度为640℃；热膨胀系数为3.5×10-6/℃，与金刚石的热膨胀系数相匹配。
本实施例的金刚石砂轮，是采用上述的陶瓷金属复合结合剂制备的；其余原料及其制备方法同实施例1。
实施例5
本实施例的陶瓷金属复合结合剂，由以下重量份数的组分组成：40份的SiO2，25份的H3BO3，15份的Li2B4O7，6份的AlF3，3份的Na2S，2份的Fe2N，3份的Mg3N2，6份的CaF2，16份的镍钛合金。
所述镍钛合金由以下重量百分比的组分组成：Ni40％、Ti60％。
本实施例的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)取配方量的SiO2、H3BO3、Li2B4O7、AlF3、Na2S、Fe2N、Mg3N2和CaF2，置于球磨机中混合研磨均匀，得原料粉备用；
2)将步骤1)所得原料粉放入高温熔块炉中加热至1250℃并保温3h进行熔炼，后经水淬，将水淬后的物料置于95℃烘箱中烘干，得玻璃料；
3)将步骤2)所得玻璃料放入球磨机中进行研磨后，过230目筛，得基础料；
4)将步骤3)所得基础料中加入配方量的镍钛合金粉，混合均匀，即得所述陶瓷金属复合结合剂。
本实施例所得陶瓷金属复合结合剂经检测，其热导率为31W/m·K；抗弯强度达177Mpa；耐火度为637℃；热膨胀系数为3.3×10-6/℃，与金刚石的热膨胀系数相匹配。
本实施例的金刚石砂轮，是采用上述的陶瓷金属复合结合剂制备的；其余原料及其制备方法同实施例1。
实施例6
本实施例的陶瓷金属复合结合剂，由以下重量份数的组分组成：39份的SiO2，26份的H3BO3，13份的Li2B4O7，3份的AlF3，6份的Na2S，5份的Fe2N，4份的Mg3N2，2份的CaF2，20份的镍钛合金。
所述镍钛合金由以下重量百分比的组分组成：Ni60％、Ti40％。
本实施例的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)取配方量的SiO2、H3BO3、Li2B4O7、AlF3、Na2S、Fe2N、Mg3N2和CaF2，置于球磨机中混合研磨均匀，得原料粉备用；
2)将步骤1)所得原料粉放入高温熔块炉中加热至1200℃并保温3.5h进行熔炼，后经水淬，将水淬后的物料置于100℃烘箱中烘干，得玻璃料；
3)将步骤2)所得玻璃料放入球磨机中进行研磨后，过230目筛，得基础料；
4)将步骤3)所得基础料中加入配方量的镍钛合金粉，混合均匀，即得所述陶瓷金属复合结合剂。
本实施例所得陶瓷金属复合结合剂经检测，其热导率为42W/m·K；抗弯强度达183Mpa；耐火度为635℃；热膨胀系数为3.1×10-6/℃，与金刚石的热膨胀系数相匹配。
本实施例的金刚石砂轮，是采用上述的陶瓷金属复合结合剂制备的；其余原料及其制备方法同实施例1。
Claims (6)
1.一种陶瓷金属复合结合剂，其特征在于：由以下重量份数的组分组成：35～40份的SiO2，25～30份的H3BO3，10～15份的Li2B4O7，3～10份的AlF3，2～6份的Na2S，2～5份的Fe2N，3～8份的Mg3N2，2～6份的CaF2，15～20份的铅锡合金或镍钛合金。
2.一种如权利要求1所述的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)取配方量的SiO2、H3BO3、Li2B4O7、AlF3、Na2S、Fe2N、Mg3N2和CaF2混合后进行熔炼，后经水淬并烘干，得玻璃料；
2)将步骤1)所得玻璃料球磨后过筛，得基础料；
3)将步骤2)所得基础料中加入配方量的铅锡合金粉或镍钛合金粉，混合均匀，即得。
3.根据权利要求2所述的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述熔炼的温度为1200～1300℃，保温的时间为2.5～3.5h。
4.根据权利要求2所述的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述烘干是指在95～105℃条件下烘干。
5.根据权利要求2所述的陶瓷金属复合结合剂的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述过筛是指过200～250目筛。
6.一种采用如权利要求1所述的陶瓷金属复合结合剂制备的金刚石砂轮。
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