CN105397651B - 一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，包括砂轮基体、磨料和结合剂组成的磨料层，磨料层中各原料的重量份数为：微粉金刚石18~28份、碳化硅微粉18.6~22份、不饱和聚酯树脂液50~60份、固化剂1.5~3份、消泡剂为0.3~1份、填料为2~5份。加工时只需将磨料层物料混合加热制作成混合液，加热基体和模具至85~95℃，迅速将混合液均匀浇铸于模腔中，保温1‑2个小时即得到砂轮成品。采用本发明涉及的配方和浇铸成型工艺制备的砂轮气孔小于1mm，且分布均匀，磨料层整体结构致密，且本发明涉及的浇铸成型工艺无需抽真空设备，在常压条件下即可实现，且工艺操作简便。
Description
技术领域
本发明属于机械加工中的超硬材料及制品领域，具体涉及应用于人造宝石（包括锆石、水晶等）抛光用树脂结合剂微粉金刚石砂轮及其制备方法。
背景技术
随着国内人民生活水平的提高，人造宝石（包括锆石、水晶等）在高级服饰、手包、灯具、首饰、饰品等方面的应用越来越多，在中国浙江义乌和广西梧州等地形成了区域性宝石加工聚集区。宝石的磨削加工一般分为三个工序，即粗磨、半精磨和抛光工序，抛光工序目前普遍使用的是氧化铈磨料抛光盘为载体，配合添加游离金刚石溶液，其中游离的金刚石磨料起抛光作用（属于游离研磨方式）。在宝石加工行业，氧化铈抛光盘的使用量很大。
随着国家政策、环保要求及加工性能的要求，氧化铈磨料抛光盘问题凸显，具体有以下几个方面：1、国家稀土矿资源稀有性凸显，氧化铈价格升高，成本增加；2、抛光时需要配合使用游离微粉金刚石溶液，金刚石使用率较低，污染严重；3、抛光效率低。因此，亟需开发出一种新型、环保、高效加工人造宝石的抛光用微粉金刚石砂轮。
此外，据了解，浇铸成型方法已被成功应用于塑料制品的制备中，工艺较成熟；目前该方法在非超硬磨料（即金刚石、立方氮化硼除外）制品的制备中也已实现应用，如氧化铈磨料抛光盘、碳化硅砂轮等。但若将现有的浇铸成型方法直接用于超硬磨料制品的制备中，则存在以下几个方面的问题：1、存在大气孔，且大气孔不可控制；2、微粉金刚石比表面积大，若金刚石添加量大，金刚石与树脂的混合液的流动性较差，成型困难；若金刚石添加量小，不能较好的起到磨削作用；3、结合剂硬度高，则抛光盘容易划伤宝石表面；结合剂硬度低，金刚石容易脱落；4、采用抽真空的除泡方法则制造成本高且不易实现模具的控温。
发明内容
本发明的目的就在于为解决现有技术的不足提供一种新型的制备微粉金刚石砂轮的配方和成型工艺，即浇铸成型配方和工艺，将该配方及工艺应用于研制微粉金刚石砂轮，该砂轮满足宝石抛光加工的环保、高效磨削要求，磨削表面粗糙度达到纳米级。此外，本发明涉及的浇铸成型配方和工艺解决了常压条件下成型过程中存在的不可控大气孔、组织结构疏松的问题。
本发明的目的是以下述技术方案实现的：
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，包括砂轮基体、磨料和结合剂组成的磨料层，所述砂轮基体为铝合金；所述磨料为微粉金刚石和碳化硅微粉；所述结合剂由不饱和聚酯树脂液、固化剂、消泡剂和填料组成；磨料层中各原料的重量份数为：微粉金刚石18~28份、碳化硅微粉18.6~22份、不饱和聚酯树脂液50~60份、固化剂1.5~3份、消泡剂为0.3~1份、填料为2~5份。
所述不饱和聚酯树脂液为邻苯型不饱和聚酯树脂。
所述固化剂选自过氧化甲乙酮及环烷酸钴组合物、T-31、低分子聚酰胺、改性芳胺、脂环族多胺、叔胺的任一种。
所述过氧化甲乙酮及环烷酸钴两者质量比为1:1~5:1。
所述消泡剂为聚醚类消泡剂、有机硅消泡剂、BYK-A555中的任一种。
所述填料为石墨粉、高岭土粉、二硫化铝粉的任一种。
所述微粉金刚石粒度为M0/2-M4/8。
碳化硅微粉粒径为W1或W1.5，或W2.5。
如上所述的宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
①将上述金刚石微粉磨料、碳化硅微粉磨料和填料按照配方份额称料后混合均匀，得到混合磨料，混合磨料过140~160目筛得到所需成型料；
②将树脂液加热至140~160℃，加入步骤①中的成型料，搅拌均匀；
③依次加入消泡剂、固定剂，搅拌均匀，得到磨料和结合剂的混合液；
④加热基体和模具至85~95℃，迅速将混合液均匀浇铸于模腔中，保温1-2个小时得到砂轮成品。
本发明的有益效果：
1、本发明涉及的宝石抛光用微粉金刚石砂轮在抛光加工中只需要使用水做冷却液，与之前用微粉金刚石溶液相比，微粉金刚石利用率大幅度提高，且环保；砂轮的硬度高于橡胶结合剂制品，低于常用的酚醛树脂结合剂砂轮，有明显的弹性以及硬度。本发明涉及的砂轮为固结磨具，相比微粉金刚石溶液研磨抛光工艺，具有加工效率高的优点，采用该砂轮抛光锆石、水晶的效率为10-16秒/盘（金刚石粒度为M0/2-M4/8），加工的锆石、水晶表面粗糙度为1.0-7.8×10-3 um，且工件表面无大于0.02mm的崩口，满足加工要求。
2、采用本发明涉及的配方和浇铸成型工艺制备的砂轮气孔小于1mm，且分布均匀，磨料层整体结构致密。
3、本发明涉及的浇铸成型工艺无需抽真空设备，在常压条件下即可实现，且工艺操作简便。
附图说明
图1是本发明砂轮结构示意图；
图2是本发明制备的砂轮磨料层断面图；
图3 是本发明制备的砂轮磨料层俯视示意图。
具体实施方式
实施例1
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，如图1所示，包括砂轮基体2、磨料和结合剂组成的磨料层1，砂轮基体主要是支撑作用，是砂轮的载体；磨料主要是磨削作用，是砂轮的“牙齿”；结合剂使磨料粘接在一起，与基体形成一定的形状，并对磨料具有很好的把持强度。所述结合剂和磨料通过浇铸成型工艺在基体上方形成磨料层，用于宝石的抛光工序中。
所述砂轮基体为铝合金；铝合金基体具有一定的强度，一方面牢固的承载磨料层，一方面与机床主轴安装固定，从而能够保证砂轮在高转速下对宝石进行抛光加工。
所述磨料为微粉金刚石和碳化硅微粉，微粉金刚石粒度为M0/2-M4/8，碳化硅微粉粒度为W1、W1.5或W2.5；金刚石微粉是该砂轮的主要磨料，碳化硅微粉是该砂轮的辅助磨料，并具有一定的增强作用。以上所述两种磨料按照一定比例与结合剂混合搅拌均匀，采用浇铸成型工艺在相应模具中固化、成型为具有抛光作用的磨料层。结合剂包含树脂液、固化剂、消泡剂和填料。
其中树脂液为邻苯型不饱和聚酯树脂，可使用E51、191、196、3301、902、199、191C、196S等的其中任一种，优选为191树脂；固化剂为过氧化甲乙酮及环烷酸钴组合物、T-31、低分子聚酰胺、改性芳胺、脂环族多胺、叔胺、等其他固化剂的任一种，优选为过氧化甲乙酮及环烷酸钴，过氧化甲乙酮作为引发剂、环烷酸钴作为促进剂，两者按照一定的比例先后添加；消泡剂为聚醚类消泡剂（牌号可为DF-8205、DF-876、DF-886等）、有机硅消泡剂（牌号可为EL-2708、EL-2713等）、BYK-A555中的一种，优选为BYK-A555；填料选自石墨粉、高岭土粉、二硫化铝粉中的一种，优选为石墨粉。
磨料层中各原料的重量份数为：微粉金刚石18~28份、碳化硅微粉18.6~22份、不饱和聚酯树脂液50~60份、固化剂1.5~3份、消泡剂为0.3~1份、填料为2~5份；引发剂和促进剂两种物质的质量比为1:1~5:1。
如上所述的宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
①将上述金刚石微粉磨料、碳化硅微粉磨料和填料按照配方份额称料后放入玻璃瓶中震荡2分钟，混合均匀，得到混合磨料，混合磨料匀速搅拌，过140~160目筛得到所需成型料；
②将树脂液充分加热至140~160℃，加入步骤①中的成型料，搅拌均匀；
③加入消泡剂，匀速搅拌2-5分钟；加入固定剂匀速搅拌1-3分钟，得到磨料和结合剂的混合液；
④加热基体和模具至85~95℃，迅速将混合液均匀浇铸于模腔中，可辅助短时的轻微震动；保温1-2个小时即可得到本发明所述的砂轮成品。采用该浇铸成型方法制备的该砂轮具有一定的强度、韧性和弹性。
本发明采用开发的新型浇铸成型配方和工艺制备出了宝石抛光用树脂结合剂微粉金刚石砂轮，该砂轮气孔小、分布均匀、结构致密，兼具强度、弹性和锋利度，能够较好的满足宝石抛光加工。该产品在宝石抛光加工中为首创，该配方和浇铸成型工艺也为首次应用于超硬材料磨具制造中。
实施例2
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，磨料层原料及重量份数分别为：磨料为微粉金刚石和碳化硅微粉，微粉金刚石粒度为M1/2，22.5份；碳化硅微粉粒度为W1.5，19.5份；石墨粉为3.6份；不饱和聚酯树脂树脂液为191树脂，52.8份；固化剂选用过氧化甲乙酮和环烷酸钴，二者共2.5份，过氧化甲乙酮和环烷酸钴质量比为2:1；消泡剂为BYK-A555，0.5份。
浇铸成型工艺参数如下：
1、将上述金刚石微粉磨料、碳化硅微粉磨料和石墨粉按照配方份额称料后，放入玻璃瓶中震荡2分钟，得到混合磨料；
2、将步骤1所得混合磨料，匀速搅拌，过150目筛网3次得到所需成型料；
3、将树脂液充分加热至150℃，加入步骤2中的成型料，搅拌均匀；
4、加入消泡剂，匀速搅拌4分钟；
5、加入环烷酸钴，匀速搅拌2分钟；
6、加入过氧化甲乙酮，匀速搅拌2分钟，得到磨料和结合剂的混合液；
7、加热基体和模具至90℃，迅速将混合液均匀浇铸于模腔中，可辅助短时的轻微震动；保温2个小时即可得到本发明所述的砂轮成品。
采用该浇铸成型配方和工艺制作的砂轮抛光￠3mm锆石的效率为15秒/个，锆石表面粗糙度为1.3-1.8×10-3 um，且工件表面无大于0.02mm的崩口，满足加工要求。如图2和图3所示，该方法制作的砂轮表面和内部的气孔均匀，结构致密。
实施例3
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，磨料层原料及重量份数分别为：磨料为微粉金刚石和碳化硅微粉，微粉金刚石粒度为M3/6，26.4份；碳化硅微粉粒度为W1.5，22份；石墨粉为4.2份；不饱和聚酯树脂树脂液为191树脂，52.8份；固化剂选用过氧化甲乙酮和环烷酸钴，二者共2.5份，过氧化甲乙酮和环烷酸钴质量比为2:1；消泡剂为BYK-A555，0.5份。
浇铸成型工艺参数如下：
1、将上述金刚石微粉磨料、碳化硅微粉磨料和石墨粉按照配方份额称料后，放入玻璃瓶中震荡2分钟，得到混合磨料；
2、将步骤1所得混合磨料，匀速搅拌，过150目筛网3次得到所需成型料；
3、将树脂液充分加热至150℃，加入步骤2中的成型料，搅拌均匀；
4、加入消泡剂，匀速搅拌4分钟；
5、加入环烷酸钴，匀速搅拌2分钟；
6、加入过氧化甲乙酮，匀速搅拌1分钟，得到磨料和结合剂的混合液；
7、加热基体和模具至90℃，迅速将混合液均匀浇铸于模腔中，可辅助短时的轻微震动；保温1.5个小时即可得到本发明所述的砂轮成品，其他同实施例1。
采用该浇铸成型配方和工艺制作的砂轮抛光￠3mm锆石的效率为15秒/个，锆石表面粗糙度为1.3-1.8×10-3 um，且工件表面无大于0.02mm的崩口，满足加工要求。
实施例4
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，磨料层原料及重量份数分别为：磨料为微粉金刚石和碳化硅微粉，微粉金刚石粒度为M4/8，20份；碳化硅微粉粒度为W1，20份；填料为二硫化铝粉， 3份；不饱和聚酯树脂树脂液为E51树脂，55份；固化剂为T-31，3份，消泡剂为DF-8205，0.3份。
浇铸成型工艺参数如下：
1、将上述金刚石微粉磨料、碳化硅微粉磨料和石墨粉按照配方份额称料后，放入玻璃瓶中震荡2分钟，得到混合磨料；
2、将步骤1所得混合磨料，匀速搅拌，过140目筛网2次得到所需成型料；
3、将树脂液充分加热至160℃，加入步骤2中的成型料，搅拌均匀；
4、加入消泡剂，匀速搅拌2分钟；
5、加入固定剂，匀速搅拌2分钟，得到磨料和结合剂的混合液；
6、加热基体和模具至95℃，迅速将混合液均匀浇铸于模腔中，可辅助短时的轻微震动；保温1个小时即可得到本发明所述的砂轮成品，其他同实施例1。
实施例5
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，磨料层原料及重量份数分别为：磨料为微粉金刚石和碳化硅微粉，微粉金刚石粒度为M2/4，25份；碳化硅微粉粒度为W2.5，19份；填料为高岭土粉，2份；不饱和聚酯树脂树脂液为196树脂，60份；固化剂为脂环族多胺，1.5份；消泡剂为EL-2713，0.6份。
浇铸成型工艺参数如下：
1、将上述金刚石微粉磨料、碳化硅微粉磨料和石墨粉按照配方份额称料后，放入玻璃瓶中震荡2分钟，得到混合磨料；
2、将步骤1所得混合磨料，匀速搅拌，过160目筛网3次得到所需成型料；
3、将树脂液充分加热至140℃，加入步骤2中的成型料，搅拌均匀；
4、加入消泡剂，匀速搅拌5分钟；
5、加入固定剂，匀速搅拌3分钟，得到磨料和结合剂的混合液；
6、加热基体和模具至85℃，迅速将混合液均匀浇铸于模腔中，可辅助短时的轻微震动；保温2个小时即可得到本发明所述的砂轮成品，其他同实施例1。
实施例6
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，磨料层原料及重量份数分别为：微粉金刚石28份；碳化硅18.6份；填料为白石墨粉为3份；不饱和聚酯树脂树脂液为199树脂，55份；固化剂选用过氧化甲乙酮和环烷酸钴，二者共2.5份，比例为过氧化甲乙酮和环烷酸钴质量比为5:1；消泡剂为DF-876，0.8份；其他同实施例3。
实施例7
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，磨料层原料及重量份数分别为：微粉金刚石20份；碳化硅20份；填料为白石墨粉为2份；不饱和聚酯树脂树脂液为3301树脂，50份；固化剂选用过氧化甲乙酮和环烷酸钴，二者共3份，比例为过氧化甲乙酮和环烷酸钴质量比为1:1；消泡剂为EL-2708，1份；其他同实施例3。
实施例8
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，磨料层原料及重量份数分别为：微粉金刚石18份；碳化硅22份；填料为高岭土粉为5份；不饱和聚酯树脂树脂液为191C树脂，60份；固化剂选用低分子聚酰胺，2份；消泡剂为DF-886，0.3份；其他同实施例4。
实施例9
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，磨料层原料及重量份数分别为：微粉金刚石24份；碳化硅21份；填料为二硫化铝粉为4份；不饱和聚酯树脂树脂液为902树脂，52份；固化剂选用改性芳胺，1.5份；消泡剂为BYK-A555，0.7份；其他同实施例4。
实施例10
一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，磨料层原料及重量份数分别为：微粉金刚石26份；碳化硅19份；填料为石墨粉为2份；不饱和聚酯树脂树脂液为196S树脂，54份；固化剂选用叔胺，2份；消泡剂为BYK-A555，0.9份；其他同实施例4。
Claims (5)
1.一种宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，包括砂轮基体、磨料和结合剂组成的磨料层，其特征在于：所述砂轮基体为铝合金；所述磨料为微粉金刚石和碳化硅微粉；所述结合剂由不饱和聚酯树脂液、固化剂、消泡剂和填料组成；磨料层中各原料的重量份数为：微粉金刚石18~28份、碳化硅微粉18.6~22份、不饱和聚酯树脂液50~60份、固化剂1.5~3份、消泡剂为0.3~1份、填料为2~5份；
所述不饱和聚酯树脂液为邻苯型不饱和聚酯树脂；
所述固化剂选自过氧化甲乙酮及环烷酸钴组合物、T-31、低分子聚酰胺、改性芳胺、脂环族多胺、叔胺的任一种；
所述消泡剂为聚醚类消泡剂、有机硅消泡剂、BYK-A555中的任一种；
所述填料为石墨粉、高岭土粉、二硫化铝粉的任一种。
2.如权利要求1所述的宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，其特征在于：所述过氧化甲乙酮及环烷酸钴两者质量比为1:1~5:1。
3.如权利要求1所述的宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，其特征在于：所述微粉金刚石粒度为M0/2-M4/8。
4.如权利要求1所述的宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮，其特征在于：碳化硅微粉粒径为W1或W1.5，或W2.5。
5.如权利要求1~4任一项所述的宝石抛光用浇铸成型微粉金刚石砂轮的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
①将上述金刚石微粉磨料、碳化硅微粉磨料和填料按照配方份额称料后混合均匀，得到混合磨料，混合磨料过140~160目筛得到所需成型料；
②将树脂液加热至140~160℃，加入步骤①中的成型料，搅拌均匀；
③依次加入消泡剂、固定剂，搅拌均匀，得到磨料和结合剂的混合液；
④加热基体和模具至85~95℃，迅速将混合液均匀浇铸于模腔中，保温1-2个小时得到砂轮成品。
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