CN106041759B - 超硬材料制品用添加剂原料组合物，添加剂及其制备方法，复合结合剂及超硬材料制品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超硬材料制品用添加剂原料组合物，添加剂及其制备方法，复合结合剂及超硬材料制品。该原料组合物由以下质量百分比的组分组成：Bi₂O₃ 25％～40％、B₂O₃25％～40％、ZnO 5％～25％、SiO₂ 2％～10％、Al₂O₃ 2％～10％、Na₂CO₃ 1％～5％、Li₂CO₃1％～5％、MgCO₃ 0～5％、CaF₂ 1％～5％。采用该原料组合物制成的添加剂具有微晶结构，强度大于200MPa，耐火度低于500℃，远低于金属结合剂超硬材料制品的烧结温度，烧结后在骨架颗粒间分散均匀、组织细腻，对制品整体强度影响较小，能显著提高金属结合剂超硬材料制品的磨削效率和使用寿命。

Description

超硬材料制品用添加剂原料组合物，添加剂及其制备方法，复 合结合剂及超硬材料制品

技术领域

本发明属于超硬材料制品技术领域，具体涉及一种超硬材料制品用添加剂原料组合物，同时还涉及一种采用该添加剂原料组合物制成的超硬材料制品用添加剂及其制备方法，还涉及含有该添加剂的复合结合剂及采用该复合结合剂的砂轮。

背景技术

超硬材料主要是指金刚石和立方氮化硼，其硬度都远高于其它材料的硬度。超硬材料及制品是国家重点支持的新兴产业，“十二五”国家战略性新兴产业发展规划中指出：要大力发展新型功能材料，积极发展高纯石墨、人工晶体、超硬材料及制品。超硬材料制品按照结合剂类型的不同主要有：金属结合剂超硬材料制品、陶瓷结合剂超硬材料制品、树脂结合剂超硬材料制品和电镀金属结合剂超硬材料制品等。

金属结合剂超硬材料制品作为超硬材料制品最主要类型之一，具有对磨料把持力强、强度高、耐磨性好、工作面形状保持性好、寿命长等优点，被广泛应用于石材、玻璃、陶瓷、人工晶体等无机非金属硬脆材料的切、磨及成型磨加工。但是金属结合剂金刚石制品存在自锐性差，易堵塞，磨削效率低等问题，限制了其应用与发展。

针对金属结合剂超硬材料制品存在的问题，学者们进行了大量的研究与尝试，主要是添加石墨、陶瓷、氧化铁等瘠性材料作为添加剂。但是，这些添加剂如果添加量过多，会严重降低磨料层的强度和结合剂对磨料的把持力，导致寿命大幅度降低，并极易产生划伤；如果加入量过少，对磨削性能和磨削效率的提升作用不明显。

如现有技术中，CN1326663C公开了一种可在线电解的金属结合剂超硬磨料砂轮，磨料为金刚石与CBN的一种或者两种，结合剂主要成分的质量百分比：60-80％的铁粉、铜粉5％-15％，5-20％的金属添加剂和3-5％的石墨、四氧化三铁粉末一种或者两种配制成的非金属添加剂，采用冷压烧结的方法制作可在线电解的金属结合剂超硬磨料砂轮。该超硬磨料砂轮采用石墨、四氧化三铁中的一种或两种作为非金属添加剂，粘合作用小，本身强度较小，与金属结合剂的强度差距大，不利于保持磨料层的强度及对磨料的把持力。

CN103831740A公开了一种用于制备金刚石砂轮的金属陶瓷复合结合剂，由以下重量比的原料组成：663青铜粉60-80％、陶瓷粉20-40％，所述陶瓷粉由以下重量比的原料混合熔炼制得：二氧化硅45-60％、氧化硼20-30％、氧化钾10-15％、氧化镁5-10％、氧化钙2-5％。将制备陶瓷粉的原料混合球磨后过筛制得混合粉末，再将混合粉末于1700℃熔炼3h，急冷得到微晶玻璃块体，球磨破碎过325目标准筛，制得陶瓷粉。将663青铜粉与陶瓷粉球磨后静置得金属陶瓷复合结合剂；将该复合结合剂与金刚石磨料球磨混合后加入造孔剂，得砂轮混合料；将砂轮混合料置于模具中冷压制得坯体后再进行真空热压烧结，得到复合结合剂砂轮。该复合结合剂砂轮采用陶瓷粉与青铜粉制成复合结合剂，但是该陶瓷粉的耐火度较高，需要在1700℃进行熔炼，且高于砂轮的烧结温度，在烧结过程中不容易分散均匀，对砂轮磨削效率和使用寿命的提高有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种超硬材料制品用添加剂原料组合物，制得的添加剂与金属结合剂强度差距小，耐火度低，能显著提高金属结合剂超硬材料制品的磨削效率和使用寿命。

本发明的目的还在于提供一种采用上述添加剂原料组合物制成的超硬材料制品用添加剂及其制备方法，及含有该添加剂的复合结合剂和采用该复合结合剂的超硬材料制品。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

超硬材料制品用添加剂原料组合物，由以下质量百分比的组分组成：

上述原料组合物中，各原料的纯度均为分析纯。

超硬材料制品用添加剂，由以下质量百分比的原料制成：

所述添加剂的粒度D90<200nm。

上述的添加剂的制备方法，包括下列步骤：

1)取配方量的Bi₂O₃、B₂O₃、ZnO、SiO₂、Al₂O₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、MgCO₃混合，升温至1200～1400℃并保温1～3h，得混合物；

2)将步骤1)所得混合物降温至850～950℃，加入配方量的CaF₂混合，保温1～2h，得烧结物；

3)将步骤2)所得烧结物急冷，后粉碎至粒度D90<200nm，即得。

步骤1)中，所述升温的速率为8～12℃/min。将混合后的原料放入石英坩埚中，置于高温电阻炉中进行加热。

步骤2)中，所述降温的速率为4～6℃/min。

步骤3)中，所述急冷是指将所得烧结物置于水中急冷，得块状物料。所述的水优选室温的水。

所述粉碎是指将所得块状物料与乙醇混合进行球磨。将块状物料连同乙醇装入球磨罐中在高能球磨机上球磨；球磨至所得粉料的粒度D90<200nm；优选的，球磨的时间为40～60h。优选的，物料与乙醇的体积比为1:3。

复合结合剂，由金属结合剂与上述的添加剂组成。所述添加剂在复合结合剂中的质量百分含量不超过30％。优选的，所述添加剂在复合结合剂中的质量百分含量为1.1％～30％。

所述金属结合剂为青铜结合剂或Co基结合剂。

采用上述复合结合剂的超硬材料制品；所述超硬材料制品为砂轮。该砂轮中，添加剂的质量为砂轮原料总质量的1％～10％。所述砂轮原料包括复合结合剂和磨料。优选的，所述磨料为金刚石磨料。

本发明的超硬材料制品用添加剂原料组合物，采用Bi₂O₃、B₂O₃、ZnO、SiO₂、Al₂O₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、MgCO₃与CaF₂复配，各组分相互协调，配合作用；采用该原料组合物制成的添加剂，具有微晶结构，其强度大于200MPa，与金属结合剂的强度差距较小，不会大幅度降低金属结合剂超硬材料制品的强度；该添加剂的耐火度低于500℃，远低于金属结合剂超硬材料制品的烧结温度，金属结合剂超硬材料制品在烧结时添加剂处于熔融状态，烧结后在骨架颗粒间呈放射状分布；添加剂粒度达到亚微米级，在制品中分散均匀、组织细腻，对制品整体强度影响较小，能显著提高金属结合剂超硬材料制品的磨削效率和使用寿命。

本发明的超硬材料制品用添加剂的制备方法，是将Bi₂O₃、B₂O₃、ZnO、SiO₂、Al₂O₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、MgCO₃混合熔炼后，降温再加入CaF₂保温后急冷、粉碎制成的；所得添加剂具有微晶结构，强度高，耐火度低，粒径小；该制备方法工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。

所述添加剂在复合结合剂中呈均匀的亚微米级弥散放射分布，添加剂与金属结合剂复配成复合结合剂，采用该复合结合剂的超硬材料制品，对金属结合剂的强度影响较小，提高了制品的锋利度和使用寿命，提高了制品的磨削性能。

附图说明

图1为实施例1所得超硬材料制品用添加剂的粒度分布图；

图2为实施例1所得添加剂在复合结合剂中的分布示意图；其中，1-骨架材料，2-添加剂。

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。

具体实施方式中，原料组合物中所用原料均为分析纯。

实施例1

本实施例的超硬材料制品用添加剂原料组合物，由以下质量百分比的组分组成：

本实施例的超硬材料制品用添加剂，是由上述原料组合物制成的，制备方法包括下列步骤：

1)取配方量的Bi₂O₃、B₂O₃、ZnO、SiO₂、Al₂O₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、MgCO₃混合均匀后，放入石英坩埚中，置于高温电阻炉中，以10℃/min的加热至1250℃并保温2h，得混合物；

2)将步骤1)所得混合物以5℃/min的速率降温至850℃，加入配方量的CaF₂并搅拌混合，保温2h，得烧结物；

3)将步骤2)所得烧结物倒入冷水中急冷，得块状物料；按照物料与乙醇的体积比为1:3比例，将得到的块状物料连同乙醇装入球磨罐中在高能球磨机上球磨60h，得到粒度D90<200nm的粉料(采用激光粒度仪对粉料进行粒度检测，粒度分布如图1所示)，即为所述添加剂。

本实施例的复合结合剂，由金属结合剂与上述的添加剂组成。添加剂在复合结合剂中的质量百分含量为10％。其中所述金属结合剂为青铜结合剂，由以下质量百分比的组分组成：Cu粉71％、Sn粉21％、Co粉7％、Ni粉1％。

本实施例的砂轮，是将上述的复合结合剂与金刚石磨料混匀后，经150MPa压制成坯料后装入相应的模具中经580℃烧结制成。添加剂的质量为砂轮原料(复合结合剂与金刚石磨料)总质量的8％。

图2为添加剂在复合结合剂中的分布示意图。从图2可以看出，添加剂在复合结合剂中呈均匀的亚微米级弥散放射分布，添加剂在超硬材料制品中的分布也是一致的。其中，骨架材料是指金属结合剂中的难熔组分，是复合结合剂的一部分。

将实施例1所得砂轮用于硬质合金的磨削，其磨削效果如表1所示。其中，对比例1为青铜结合剂金刚石砂轮，不含添加剂，其余同实施例1。

表1 实施例1所得砂轮的磨削效果对比表

砂轮	强度(MPa)	去除速率(g/min)	修整频率(kg/次)	砂轮寿命(kg)
					对比例1	280	3	2.5	30
实施例1	260	4	4	42

实施例2

本实施例的超硬材料制品用添加剂原料组合物，由以下质量百分比的组分组成：

本实施例的超硬材料制品用添加剂，是由上述原料组合物制成的，制备方法包括下列步骤：

1)取配方量的Bi₂O₃、B₂O₃、ZnO、SiO₂、Al₂O₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃混合均匀后，放入石英坩埚中，置于高温电阻炉中，以10℃/min的加热至1300℃并保温1h，得混合物；

2)将步骤1)所得混合物以5℃/min的速率降温至850℃，加入配方量的CaF₂并搅拌混合，保温2h，得烧结物；

3)将步骤2)所得烧结物倒入冷水中急冷，得块状物料；按照物料与乙醇的体积比为1:3比例，将得到的块状物料连同乙醇装入球磨罐中在高能球磨机上球磨50h，得到粒度D90<200nm的粉料(采用激光粒度仪对粉料进行粒度检测)，即为所述添加剂。

本实施例的复合结合剂，由金属结合剂与上述的添加剂组成。添加剂在复合结合剂中的质量百分含量为3.8％。其中所述金属结合剂为Co基结合剂，由以下质量百分比的组分组成：Co 64％、Cu 21％、Sn 10％、WC 5％。

本实施例的砂轮，是将上述的复合结合剂与金刚石磨料混匀后，经200MPa压制成坯料后装入相应的模具中经620℃烧结制成。添加剂的质量为砂轮原料(复合结合剂与金刚石磨料)总质量的3％。

将实施例2所得砂轮用于铁基粉末冶金工件的磨削，为流水线作业，其磨削效果如表2所示。其中，对比例2为Co基结合剂金刚石砂轮，不含添加剂，其余同实施例2。

表2 实施例2所得砂轮的磨削效果对比表

砂轮	强度(MPa)	加工节拍(sec)	修整频率(件/次)	砂轮寿命(件)
					对比例2	260	18	3200	28000
实施例2	250	14	5800	42000

实施例3-6的超硬材料制品用添加剂原料组合物的组成如表3所示。

表3 实施例3-6的超硬材料制品用添加剂原料组合物的组成(质量百分比)

实施例3-6的超硬材料制品用添加剂是分别采用上述的原料组合物制成的，制备方法的技术参数如表4所示，其余同实施例1。

表4 实施例3-6的超硬材料制品用添加剂的制备方法参数表

实施例3-6的复合结合剂是分别采用的上述的添加剂与金属结合剂组成的，其余同实施例1。实施例3-6的砂轮是分别采用上述的复合结合剂与金刚石磨料制成的，其余同实施例1。

对实施例3-6的砂轮的磨削效果进行检测，结果如表5所示。

表5 实施例3-6所得砂轮的磨削效果检测结果

从表5可以看出，采用本发明的添加剂的砂轮制品，在基本保持原有强度的基础上，提高了制品的锋利度和使用寿命，提高了制品的磨削性能。

Claims (9)

1.超硬材料制品用添加剂，其特征在于：由以下质量百分比的原料制成：

Bi₂O₃ 25%～40%，

B₂O₃ 25%～40%，

ZnO 5%～25%，

SiO₂ 2%～10%，

Al₂O₃ 2%～10%，

Na₂CO₃ 1%～5%，

Li₂CO₃ 1%～5%，

MgCO₃ 0～5%，

CaF₂ 1%～5%；

制备方法包括下列步骤：

1）取配方量的Bi₂O₃、B₂O₃、ZnO、SiO₂、Al₂O₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、MgCO₃混合，升温至1200～1400℃并保温1～3h，得混合物；

2）将步骤1）所得混合物降温至850～950℃，加入配方量的CaF₂混合，保温1～2h，得烧结物；

3）将步骤2）所得烧结物急冷，后粉碎至粒度D90<200nm，即得。

2.如权利要求1所述的添加剂的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

1）取配方量的Bi₂O₃、B₂O₃、ZnO、SiO₂、Al₂O₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、MgCO₃混合，升温至1200～1400℃并保温1～3h，得混合物；

2）将步骤1）所得混合物降温至850～950℃，加入配方量的CaF₂混合，保温1～2h，得烧结物；

3）将步骤2）所得烧结物急冷，后粉碎至粒度D90<200nm，即得。

3.根据权利要求2所述的添加剂的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述升温的速率为8～12℃/min。

4.根据权利要求2所述的添加剂的制备方法，其特征在于：步骤2）中，所述降温的速率为4～6℃/min。

5.根据权利要求2所述的添加剂的制备方法，其特征在于：步骤3）中，所述急冷是指将所得烧结物置于水中急冷，得块状物料。

6.根据权利要求5所述的添加剂的制备方法，其特征在于：所述粉碎是指将所得块状物料与乙醇混合进行球磨。

7.复合结合剂，其特征在于：由金属结合剂与权利要求1所述的添加剂组成。

8.根据权利要求7所述的复合结合剂，其特征在于：所述金属结合剂为青铜结合剂或Co基结合剂。

9.采用如权利要求7或8的复合结合剂的超硬材料制品。