CN105856085A - 用碳化硼制备研磨盘的方法 - Google Patents

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Abstract

用碳化硼制备研磨盘的方法，属于磨具的制备领域。方法：1)以优质的碳化硼为磨料，分别与树脂结合剂热压成型、陶瓷结合剂高温烧结、金属结合剂电镀或烧结制备碳化硼研磨层；2)通过粘结剂或电镀，将磨料层和基体相结合制成碳化硼研磨盘。本发明方法，可减少因金刚石硬度过高造成的工件粗糙、崩边和破裂等现象，增加了研磨面的平整度，提高了工件合格率，降低了后续抛光工序的难度和强度；本发明方法，大幅度降低研磨盘的成本，显著地提高其经济效益。

Description

用碳化硼制备研磨盘的方法
技术领域
本发明属于磨具的制备领域，特别涉及一种用碳化硼制备研磨盘的方法。
背景技术
随着科技的进步，研磨和抛光作为超精密加工的重要手段，在工程陶瓷、光学玻璃、光电晶体、精密光学等器件得到越来越广泛的应用，研磨和抛光成为影响了、甚至决定了产品质量的关键工序。研磨是作为抛光的前道工序，直接会影响着后续的抛光效率和工件的表面质量。研磨主要有两种方式：(1)固结磨料研磨；(2)游离磨料研磨。其中固结磨料磨具主要有研磨盘、砂带、砂轮等。
研磨盘作为固结磨料磨具的一种，以其高效、低廉等优点而得到广泛应用。研磨盘主要有金刚石研磨盘、氧化铝研磨盘和铸铁研磨盘等。金刚石研磨盘研磨速率高但存在以下不足：(1)金刚石粉价格昂贵且产量低，致使研磨成本大大增加；(2)金刚石硬度过高，在研磨过程中容易造成工件表面粗糙度高、划痕多、质量差等。针对金刚石研磨盘这些不足之处，现提出一种用碳化硼粉制备研磨盘的方法，即用碳化硼替代金刚石作为磨料制备碳化硼研磨盘。碳化硼磨料可分别与树脂结合剂热压成型、陶瓷结合剂高温烧结、金属结合剂电镀或烧结制备成碳化硼研磨盘。
碳化硼具有硬度高、耐磨性好、密度低(2.52g/cm3)及熔点高(2450℃)等优异特性，被广泛应用于机械研磨、耐火材料、工程陶瓷、核工业和军事等领域。碳化硼莫氏硬度为9.36，硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，所以可作为固结磨料研磨盘的磨料。
发明内容
本发明的目的是针对金刚石研磨盘存在的不足，提供一种以碳化硼为磨料制备研磨盘的方法。该方法以优质的碳化硼代替金刚石作为磨料，分别与树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂相结合制备碳化硼研磨盘。
方法一：本发明的用碳化硼制备研磨盘的方法，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶树脂结合剂∶填料＝(5～20)∶(2～20)∶(60～95)配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为95～99.9％；碳化硼的粒度为2～500μm；碳化硼中硼碳比为3.8～4.5；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.35；
树脂结合剂和填料的平均粒度均为20～100μm；
步骤2，制备磨料层：
(1)将粉料，热压成生坯：热压的温度为200～500℃，热压的时间为0.5～2h，热制的压力为20～60MPa；
(2)将生坯在50～300℃固化1～2h，机械加工制得所需尺寸的树脂碳化硼磨料层；
步骤3，与基体结合：
将基体清洗干净，将树脂碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使树脂碳化硼磨料层与基体结合牢固，制得树脂碳化硼研磨盘。
上述的方法一：
所述的步骤1中，树脂结合剂可为酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酰亚胺树脂中的一种；
所述的步骤2(1)中，采用热压机进行热压成型；
方法二：本发明的用碳化硼制备研磨盘的方法，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶陶瓷结合剂∶填料＝(5～20)∶(2～20)∶(60～95)配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为95～99.9％；碳化硼的粒度为2～500μm；碳化硼中硼碳比为3.8～4.5；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.35；
陶瓷结合剂和填料的平均粒度均为20～100μm；
步骤2，制备磨料层：
(1)将粉料，常温压制成生坯后，进行干燥，其中，压制的压力为5～50MPa，压制的时间为0.1～2h；干燥的温度为50～300℃，干燥时间为0.5～5h；
(2)将干燥后的生坯，高温烧结后，机械加工制得所需尺寸的陶瓷碳化硼磨料层，其中，烧结的温度为600～2000℃，烧结时间为0.5～4h；
步骤3，与基体结合：
将基体清洗干净，将陶瓷碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使陶瓷碳化硼磨料层与基体结合牢固，制得陶瓷碳化硼研磨盘。
上述的方法二：
所述的步骤1中，陶瓷结合剂为陶瓷或玻璃；
方法三：本发明的用碳化硼制备研磨盘的方法，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶金属结合剂∶填料＝(5～20)∶(2～20)∶(60～95)配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为95～99.9％；碳化硼的粒度为2～500μm；碳化硼中硼碳比为3.8～4.5；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.35；
金属结合剂和填料的平均粒度均为20～100μm；
步骤2，制备磨料层：
将粉料，在真空或惰性气体保护下，热压烧结后，机械加工制得所需尺寸的金属碳化硼磨料层；其中，热压的温度为1000～2300℃，热压的时间为0.5～2h，热压的压力为20～60MPa；
步骤3，与基体结合：
当金属结合剂为铜基合金粉或铁基合金粉时：
将基体清洗干净，将金属碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使金属碳化硼磨料层与基体结合牢固，制得金属碳化硼研磨盘；
当金属结合剂为镍或镍合金时：
(1)将金属碳化硼磨料层进行除油和超声清洗预处理；将基体进行除锈、除油和阳极腐蚀预处理；
(2)将预处理后的基体，进行电镀；其中，电镀金属为镍或镍合金，电镀电流密度为1.0～1.5A/dm2；
(3)将预处理后的金属碳化硼磨料层，通过电镀植砂的方法与基体结合；其中，电镀金属为镍或镍合金；电镀植砂的电流密度为0.1～0.6A/dm2；
(4)将金属碳化硼磨料层与基体结合的部位，进行电镀，使碳化硼磨料牢固地固定在基体上，制得电镀碳化硼研磨盘；其中，镀金属为镍或镍合金，电镀电流密度为0.8～1.8A/dm2。
上述的方法三：
所述的步骤1中，金属结合剂为铜基合金粉或铁基合金粉；
所述的步骤2中，惰性气体为氩气。
上述的方法一至方法三：
所述的步骤1中，碳化硼的粒度为6～12μm、8～16μm、20～30μm、36～54μm、60～70μm、70～80μm、100～120μm或325～400μm；
所述的步骤1中，填料为为三氧化二铬粉、氧化锌粉或白刚玉中的一种或几种，平均粒度均为2～100μm；
所述的步骤1中，在混料机将配料混合均匀；
所述的步骤3中，基体为铝合金或者铁合金；
所述的方法一至方法三，制备的碳化硼研磨盘的直径为50～1500mm。
本发明的用碳化硼制备研磨盘的方法，选用的碳化硼的硬度(莫氏硬度为9.36)仅次于金刚石(莫氏硬度10)，但其价格仅为金刚石的约十分之一。所以本发明用碳化硼替代金刚石制备研磨盘，具有以下优点：
(1)可减少因金刚石硬度过高造成的工件粗糙、崩边和破裂等现象，增加了研磨面的平整度，提高了工件合格率，降低了后续抛光工序的难度和强度；
(2)可大幅度降低研磨盘的成本，显著地提高其经济效益。
具体实施方式：
以下实施例中，所选用的基体为铝合金。
实施例1
用碳化硼制备研磨盘的方法，采用方法一，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶酚醛树脂∶三氧化二铬粉＝5∶2∶93配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为97％；碳化硼的粒度为60～70μm；碳化硼中硼碳比为3.9；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.36；
酚醛树脂和三氧化二铬粉的平均粒度均为50μm；
步骤2，制备磨料层：
(1)将粉料，采用热压机将粉料热压成生坯：热压的温度为250℃，热压的时间为0.3h，热压的压力为20MPa；
(2)将生坯，在100℃固化2h，机械加工制得直径为150mm的树脂碳化硼磨料层；
步骤3，与基体结合：
将直径为150mm基体清洗干净，将树脂碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使树脂碳化硼磨料层与基体结合牢固，制得直径为150mm树脂碳化硼研磨盘。
实施例2
用碳化硼制备研磨盘的方法，采用方法一，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶聚酰亚胺树脂∶氧化锌粉＝20∶15∶65配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为99％；碳化硼的粒度为6～12μm；碳化硼中硼碳比为4.0；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.36；
聚酰亚胺树脂和氧化锌粉的平均粒度均为20μm；
步骤2，制备磨料层：
(1)将粉料，采用热压机将粉料热压成生坯：热压的温度为500℃，热压的时间为2h，热压的压力为60MPa；
(2)将生坯，在300℃固化1h，机械加工制得直径为500mm的树脂碳化硼磨料层；
步骤3，与基体结合：
将直径为500mm基体清洗干净，将树脂碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使树脂碳化硼磨料层与基体结合牢固，制得直径为500mm树脂碳化硼研磨盘。
实施例3
用碳化硼制备研磨盘的方法，采用方法二，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶玻璃∶白刚玉＝20∶20∶60配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为98％；碳化硼的粒度为325～400μm；碳化硼中硼碳比为4.2；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.36；
玻璃和白刚玉的平均粒度均为100μm；
步骤2，制备磨料层：
(1)将粉料，常温压制成生坯后，进行干燥，其中，压制的压力为50MPa，压制的时间为0.1h；干燥的温度为50℃，干燥时间为5h；
(2)将干燥后的生坯，高温烧结后，机械加工制得直径为600mm的陶瓷碳化硼磨料层，其中，烧结的温度为1200℃，烧结时间为2.5h；
步骤3，与基体结合：
将直径为600mm的基体清洗干净，将陶瓷碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使陶瓷碳化硼磨料层与基体结合牢固，制备直径为600mm的陶瓷碳化硼研磨盘。
实施例4
用碳化硼制备研磨盘的方法，采用方法二，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶陶瓷∶白刚玉∶氧化锌粉＝3∶2∶40∶55配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为98.5％；碳化硼的粒度为450～500μm；碳化硼中硼碳比为4.3；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.36；
陶瓷、白刚玉和氧化锌粉的平均粒度均为80μm；
步骤2，制备磨料层：
(1)将粉料，常温压制成生坯后，进行干燥，其中，压制的压力为10MPa，压制的时间为2h；干燥的温度为100℃，干燥时间为3h；
(2)将干燥后的生坯，高温烧结后，机械加工制得直径为50mm的陶瓷碳化硼磨料层，其中，烧结的温度为2000℃，烧结时间为1h；
步骤3，与基体结合：
将直径为50mm的基体清洗干净，将陶瓷碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使陶瓷碳化硼磨料层与基体结合牢固，制备直径为50mm的陶瓷碳化硼研磨盘。
实施例5
用碳化硼制备研磨盘的方法，采用方法三，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶铜铝合金∶氧化锌粉＝8∶2∶90配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为98.5％；碳化硼的粒度为36～54μm；碳化硼中硼碳比为4.1；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.36；
铜铝合金和氧化锌粉的平均粒度为20μm；
步骤2，制备磨料层：
将粉料，在氩气气体保护下，热压烧结后，机械加工制得直径为380mm的金属碳化硼磨料层；其中，热压的温度为1500℃，热压的时间为0.5h，热压的压力为50MPa；
步骤3，与基体结合：
将直径为380mm的基体清洗干净，将金属碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使金属碳化硼磨料层与基体结合牢固，制得直径为380mm金属碳化硼研磨盘。
实施例6
用碳化硼制备研磨盘的方法，采用方法三，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶铁基合金粉∶三氧化二铬粉∶氧化锌粉＝20∶20∶30∶30配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为98.0％；碳化硼的粒度为100～120μm；碳化硼中硼碳比为4.5；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.35；
铁基合金粉、三氧化二铬粉和氧化锌粉平均粒度均为60μm；
步骤2，制备磨料层：
将粉料，在氩气气体保护下，热压烧结后，机械加工制得直径为1000mm的金属碳化硼磨料层；其中，热压的温度为2300℃，热压的时间为1.5h，热压的压力为60MPa；
步骤3，与基体结合：
将直径为1000mm的基体清洗干净，将金属碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使金属碳化硼磨料层与基体结合牢固，制得直径为1000mm金属碳化硼研磨盘。
实施例7
本发明的用碳化硼制备研磨盘的方法，采用方法三，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶镍∶氧化锌粉＝10∶10∶80配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为98.5％；碳化硼的粒度为20～30μm；碳化硼中硼碳比为4.1；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.36；
镍的纯度为99.9％；
镍和氧化锌粉的平均粒度均为25μm；
步骤2，制备磨料层：
将粉料，在真空气体保护下，热压烧结后，机械加工制得直径为1500mm的金属碳化硼磨料层；其中，热压的温度为1500℃，热压的时间为1h，热压的压力为20MPa；
步骤3，与基体结合：
(1)将金属碳化硼磨料层进行除油和超声清洗预处理；将直径为1500mm的基体进行除锈、除油和阳极腐蚀预处理；
(2)将预处理后的基体，进行电镀；其中，电镀金属为镍，电镀电流密度为1.0A/dm2；
(3)将预处理后的金属碳化硼磨料层，通过电镀植砂的方法与基体结合；其中电镀金属为镍；电镀植砂的电流密度为0.1A/dm2；
(4)将电镀碳化硼磨料层与基体结合的部位，进行电镀，使碳化硼磨料牢固地固定在基体上，制得直径为1500mm的电镀碳化硼研磨盘；其中，电镀金属为镍，电镀电流密度为1.1A/dm2。
实施例8
本发明的用碳化硼制备研磨盘的方法，采用方法三，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶镍合金∶白刚玉＝15∶15∶70配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为96.5％；碳化硼的粒度为60～70μm；碳化硼中硼碳比为4.2；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.36；
镍合金和白刚玉的平均粒度均为50μm；
步骤2，制备磨料层：
将粉料，在氩气气体保护下，热压烧结后，机械加工制得直径为100mm的金属碳化硼磨料层；其中，热压的温度为1000℃，热压的时间为2h，热压的压力为20MPa；
步骤3，与基体结合：
(1)将金属碳化硼磨料层进行除油和超声清洗预处理；将直径为100mm的基体进行除锈、除油和阳极腐蚀预处理；
(2)将预处理后的基体，进行电镀；其中，电镀金属为镍，电镀电流密度为1.5A/dm2；
(3)将预处理后的金属碳化硼磨料层，通过电镀植砂的方法与基体结合；其中电镀金属为镍；电镀植砂的电流密度为0.6A/dm2；
(4)将电镀碳化硼磨料层与基体结合的部位，进行电镀，使碳化硼磨料牢固地固定在基体上，制得直径为100mm的电镀碳化硼研磨盘；其中，电镀金属为镍，电镀电流密度为0.8A/dm2。

Claims (9)

1.一种用碳化硼制备研磨盘的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶树脂结合剂∶填料＝(5～20)∶(2～20)∶(60～95)配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为95～99.9％；碳化硼的粒度为2～500μm；碳化硼中硼碳比为3.8～4.5；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.35；
树脂结合剂和填料的平均粒度均为20～100μm；
步骤2，制备磨料层：
(1)将粉料，热压成生坯：热压的温度为200～500℃，热压的时间为0.3～2h，热压的压力为20～60MPa；
(2)将生坯在50～300℃固化1～2h，机械加工制得所需尺寸的树脂碳化硼磨料层；
步骤3，与基体结合：
将基体清洗干净，将树脂碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使树脂碳化硼磨料层与基体结合牢固，制得树脂碳化硼研磨盘。
2.根据权利要求1所述的用碳化硼制备研磨盘的方法，其特征在于，所述的步骤1中，树脂结合剂可为酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酰亚胺树脂中的一种。
3.一种用碳化硼制备研磨盘的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶陶瓷结合剂∶填料＝(5～20)∶(2～20)∶(60～95)配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为95～99.9％；碳化硼的粒度为2～500μm；碳化硼中硼碳比为3.8～4.5；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.35；
陶瓷结合剂和填料的平均粒度均为20～100μm；
步骤2，制备磨料层：
(1)将粉料，常温压制成生坯后，进行干燥，其中，压制的压力为5～50MPa，压制的时间为0.1～2h；干燥的温度为50～300℃，干燥时间为0.5～5h；
(2)将干燥后的生坯，高温烧结后，机械加工制得所需尺寸的陶瓷碳化硼磨料层，其中，烧结的温度为600～2000℃，烧结时间为0.5～4h；
步骤3，与基体结合：
将基体清洗干净，将陶瓷碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使陶瓷碳化硼磨料层与基体结合牢固，制得陶瓷碳化硼研磨盘。
4.根据权利要求3所述的用碳化硼制备研磨盘的方法，其特征在于，所述的步骤1中，陶瓷结合剂为陶瓷或玻璃。
5.一种用碳化硼制备研磨盘的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按质量比，碳化硼∶金属结合剂∶填料＝(5～20)∶(2～20)∶(60～95)配料，混合均匀制得粉料，其中：
碳化硼的纯度为95～99.9％；碳化硼的粒度为2～500μm；碳化硼中硼碳比为3.8～4.5；碳化硼为单晶颗粒，莫氏硬度大于9.35；
金属结合剂和填料的平均粒度均为20～100μm；
步骤2，制备磨料层：
将粉料，在真空或惰性气体保护下，热压烧结后，机械加工制得所需尺寸的金属碳化硼磨料层；其中，热压的温度为1000～2300℃，热压的时间为0.3～2h，热压的压力为20～60MPa；
步骤3，与基体结合：
当金属结合剂为铜基合金粉或铁基合金粉时：
将基体清洗干净，将金属碳化硼磨料层置于基体上，接触的部位涂抹粘结剂，使金属碳化硼磨料层与基体结合牢固，制得金属碳化硼研磨盘；
当金属结合剂为镍或镍合金时：
(1)将金属碳化硼磨料层进行除油和超声清洗预处理；将基体进行除锈、除油和阳极腐蚀预处理；
(2)将预处理后的基体，进行电镀；其中，电镀金属为镍或镍合金，电镀电流密度为1.0～1.5A/dm2；
(3)将预处理后的金属碳化硼磨料层，通过电镀植砂的方法与基体结合；其中，电镀金属为镍或镍合金；电镀植砂的电流密度为0.1～0.6A/dm2；
(4)将金属碳化硼磨料层与基体结合的部位，进行电镀，使碳化硼磨料牢固地固定在基体上，制得电镀碳化硼研磨盘；其中，镀金属为镍或镍合金，电镀电流密度为0.8～1.8A/dm2。
6.根据权利要求1或3或5所述的用碳化硼制备研磨盘的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的步骤1中，碳化硼的粒度为6～12μm、8～16μm、20～30μm、36～54μm、60～70μm、70～80μm、100～120μm或325～400μm。
7.根据权利要求1或3或5所述的用碳化硼制备研磨盘的方法，其特征在于，所述的步骤1中，填料为三氧化二铬粉、氧化锌粉或白刚玉中的一种或几种。
8.根据权利要求1或3或5所述的用碳化硼制备研磨盘的方法，其特征在于，所述的步骤3中，基体为铝合金或者铁合金。
9.根据权利要求1或3或5所述的用碳化硼制备研磨盘的方法，其特征在于，所述的方法制得的碳化硼研磨盘的直径为50～1500mm。
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