CN106392908A - 一种陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法 - Google Patents

一种陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法，陶瓷结合剂金刚石砂轮由质量百分比为20％‑50％的金刚石粉末、25％‑35％的绿碳化硅粉末、5％‑15％的陶瓷空心球、15％‑30％的陶瓷结合剂制备得到。本发明通过加入陶瓷空心球在砂轮中引入气孔，并使用陶瓷结合剂，使砂轮具有自锐性好、强度高、磨削效率高、刚性好及磨削过程中不易堵塞和烧伤工件，对高脆硬难加工材料的加工有较高磨削效率，具有很好的应用前景。

Description

一种陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法
技术领域
本发明属于精密磨削技术领域，涉及一种陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法。
技术背景
金刚石磨具超精密切削在加工铜、铝及其合金等软金属材料中已获得极大成功，但在工程陶瓷、半导体、光学玻璃、石材等各种硬脆材料的精密和超精密加工上，却在很大程度依赖于研磨、抛光等加工方法，虽然这些方法可以达到很高的精度和极低的表面粗糙度，但加工效率较低，在形状复杂如非球面零件等的超精密加工方面应用效果有限。陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削高脆硬性材料是一种有效的磨削加工方法，相比金属结合剂金刚石砂轮和树脂结合剂金刚石砂轮，具有自锐性好、强度高、磨削效率高、刚性好、磨削过程中不易堵塞和烧伤工件等优点，近年来得到广泛应用。
气孔是影响砂轮磨削性能的重要参数之一，气孔率、孔径及其分布对砂轮磨削性能起重要作用，气孔使冷却液更便捷的流入工作面，在磨削过程中起到容屑、排屑的作用，有效防止加工过程中工件的烧伤和砂轮堵塞，同时气孔对砂轮的抗弯强度和洛氏硬度也有很大的影响，因此气孔的引入有非常重要的意义。陶瓷结合剂金刚石砂轮虽然能由自身颗粒的堆积形成部分空隙，但气孔粒径和气孔率远不能满足加工的需求。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种陶瓷结合剂金刚石砂轮及其制备方法，该方法通过加入陶瓷空心球在砂轮中引入气孔，并使用陶瓷结合剂，使砂轮具有自锐性好、强度高、磨削效率高、刚性好、磨削过程中不易堵塞和烧伤工件，对高脆硬难加工材料的加工有较高的效率的优点，具有很好的应用前景。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种陶瓷结合剂金刚石砂轮，由包括以下按质量百分比计的原料制备：
优选的，所述金刚石粉末的粒径为1-50μm，绿碳化硅粉末的粒径为2-60μm。
所述陶瓷结合剂没有特殊限制，优选为佛山市陶一色釉有限公司的G068，粒径为1-20μm。
优选的，所述陶瓷空心球为氧化铝空心球，粒径为100-800μm，密度为(0.5-1)g/cm3。
本发明进一步提供所述陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：
将陶瓷空心球、金刚石粉末、绿碳化硅粉末、陶瓷结合剂混合得到混合粉末，过筛后加入预粘接剂，搅匀后过筛，得到预粘接粉末，将预粘接粉末经冷压成型，得到砂轮片，砂轮片依次在60-80℃下干燥8-12h，再在110-130℃下干燥1-4h后进行烧结，再粘贴至砂轮基体上，得到陶瓷结合剂金刚石砂轮。
优选的，所述砂轮基体为铝基体或铝合金基体。
优选的，所述预粘接剂为酚醛树脂或糊精液的溶液。所述酚醛树脂或糊精液的溶液是将酚醛树脂或糊精液与乙醇溶剂按照质量比1:(1-5)混合所得的溶液。更优选的，所述预粘接剂的用量为混合粉末质量的5～10％。
优选的，所述冷压成型的操作条件为温度25-30℃，压力为5-10Mpa。
优选的，所述烧结的具体操作为由室温升温到180-230℃，恒温烧结10-50分钟，然后升温到400-450℃，恒温烧结80-120分钟，再升温到640-690℃，恒温烧结110-150分钟，冷却至室温即可。
更优选的，所述由室温升温到180-230的升温速率为2-4℃/min。
更优选的，所述升温至400-450℃的升温速率为1-3℃/min
更优选的，所述升温到640-690℃的升温速率为0.5-1.5℃/min.
所述粘贴至砂轮硬铝合金基体上的具体操作参照现有技术进行，具体是：将硬铝合金基体进行除油处理，在基体槽内底面和两侧面、砂轮片底部和四周涂布环氧树脂粘接胶，将砂轮片通过粘接胶粘贴到硬铝合金基体上，使两相邻砂轮片等距离地排列在基体槽内，24个砂轮片粘贴完成后，对所有砂轮片同时施压，固化24h，清除基体和砂轮片边缘部分的残胶，即得陶瓷结合剂金刚石砂轮。其中对所有砂轮片同时施压是为了保证砂轮片突出高度一致。
本发明具有以下有益效果：
本发明的陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法通过加入陶瓷空心球在砂轮中引入气孔，使砂轮具有自锐性好、强度高、磨削效率高、刚性好、磨削过程中不易堵塞和烧伤工件，对高脆硬难加工材料的加工有较高的效率的优点，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是实施例1制备的陶瓷结合剂金刚石砂轮结构示意图；
图2是实施例1制备的陶瓷结合剂金刚石砂轮截面微观结构示意图；
图3是应用实施例中磨削后陶瓷结合剂金刚石砂轮表面微观结构示意图；
图4是应用实施例中磨削后被加工材料表面的微观结构示意图。
具体实施方式
本发明可通过如下的实施例进一步的说明，但实施例不是对本发明保护范围的限制。
实施例1
陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法如下：
步骤(1)：将氧化铝空心球过筛，获得粒径为100-800μm的陶瓷空心球，密度为0.5g/cm3。
步骤(2)：将6.24g金刚石粉末(1-50μm)、10.92g绿碳化硅粉末(2-60μm)、4.68g氧化铝空心球、9.36g陶瓷结合剂(佛山市陶一色釉有限公司的G068，1-20μm)放入灌磨机混料2h，制得混合粉末；
步骤(3)：将步骤(2)的混合粉末过筛，倒入研磨钵中，用酚醛树脂与乙醇按质量比1:1混合得到的溶液作为预粘结剂，加入3g预粘接剂，充分搅拌均匀，过筛得到预粘接粉末；
步骤(4)：称量1.3g步骤(3)的预粘接粉末放入成型磨具，在5Mpa下常温冷压成型，得到砂轮片，厚度为3.5mm；
步骤(5)：将步骤(4)的砂轮片放在干燥箱里干燥，在70℃下干燥12h，然后在120℃下干燥4h，将干燥后的砂轮片放在烧结炉中烧结，具体烧结操作是：将砂轮片由室温加热到200℃(升温速率为3℃/min)，保温30分钟，然后均匀升温到420℃(升温速率为2℃/min)，保温60分钟，最后均匀升温到670℃(升温速率为1℃/min)，保温120分钟，冷却至室温，然后将烧结后的砂轮片粘贴在硬铝合金基体上，粘贴的具体步骤为：将铝合金基体进行除油处理，在基体槽内底面和两侧面、烧结后的砂轮片底部和四周抹上环氧树脂粘接胶，两相邻烧结后的砂轮片等距离地排列在基体槽内，取出24个烧结后的砂轮片粘贴完成后，在烧结后的砂轮片上方施加适当压力，以保证烧结后的砂轮片突出高度一致，室温固化24h，清除基体和烧结后的砂轮片边缘部分的残胶，粘贴完成后在研磨机上使用碳化硅游离磨料研磨2h进行修整，即得到陶瓷结合剂金刚石砂轮。
陶瓷结合剂金刚石砂轮的结构示意图见图1，截面微观结构示意图见图2，由图2可见，所制备的砂轮中气孔率较高，以微气孔居多，氧化铝空心球周围形成一定厚度的陶瓷结合剂桥，陶瓷结合剂对氧化铝空心球的包覆效果较好，利于提高砂轮的硬度和磨削效率。
实施例2
陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法如下：
步骤(1)：将氧化铝空心球过筛，获得粒径为100-800μm的陶瓷空心球，密度为0.8g/cm3。
步骤(2)：将15.6g金刚石粉末(1-50μm)、7.8g绿碳化硅粉末(2-60μm)、1.56g氧化铝空心球、6.24g陶瓷结合剂(佛山市陶一色釉有限公司的G068，1-20μm)放入灌磨机混料2h，制得混合粉末；
步骤(3)：将步骤(2)的混合粉末过筛，倒入研磨钵中，用酚醛树脂与乙醇按质量比1:1混合得到的溶液作为预粘结剂，加入2.5g预粘接剂，充分搅拌均匀，过筛得到预粘接粉末；
步骤(4)：称量1.3g步骤(3)的预粘接粉末放入成型磨具，在5Mpa下常温冷压成型，得到砂轮片，厚度为3.5mm；
步骤(5)：将步骤(4)的砂轮片放在干燥箱里干燥，在70℃下干燥12h,然后在120℃下干燥4h，将干燥后的砂轮片放在烧结炉中烧结，具体烧结操作是将砂轮片由室温加热到200℃(升温速率为3℃/min)，保温30分钟，然后均匀升温到420℃(升温速率为2℃/min)，保温60分钟，最后均匀升温到690℃(升温速率为1℃/min)，保温120分钟，冷却至室温，然后将烧结后的砂轮片粘贴在铝合金基体上，粘贴的具体步骤参照实施例1进行，粘贴完成后在研磨机上使用碳化硅游离磨料研磨2h进行修整，即得到陶瓷结合剂金刚石砂轮。
实施例3
陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法如下：
步骤(1)：将氧化铝空心球过筛，获得粒径为100-800μm的陶瓷空心球，密度为1g/cm3。
步骤(2)：将14.04g金刚石粉末(1-50μm)、9.36g绿碳化硅粉末(2-60μm)、3.12g氧化铝空心球、4.68g陶瓷结合剂(佛山市陶一色釉有限公司的G068，1-20μm)放入灌磨机混料2h，制得混合粉末；
步骤(3)：将步骤(2)的混合粉末过筛，倒入研磨钵中，用酚醛树脂与乙醇按质量比1:1混合得到的溶液作为预粘结剂，加入2g预粘接剂，充分搅拌均匀，过筛得到预粘接粉末；
步骤(4)：称量1.3g步骤(3)的预粘接粉末放入成型磨具，在5Mpa下常温冷压成型，得到砂轮片，厚度为3.5mm；
步骤(5)：将步骤(4)的砂轮片放在干燥箱里干燥，在70℃下干燥12h,然后在120℃下干燥4h，将干燥后的砂轮片放在烧结炉中烧结，具体烧结操作是将砂轮片由室温加热到200℃(升温速率为3℃/min)，保温30分钟，然后均匀升温到420℃(升温速率为2℃/min)，保温60分钟，最后均匀升温到690℃(升温速率为1℃/min)，保温120分钟，冷却至室温，然后将烧结后的砂轮片粘贴在铝合金基体上，粘贴的具体步骤参照实施例1进行，粘贴完成后在研磨机上使用碳化硅游离磨料研磨2h进行修整，即得到陶瓷结合剂金刚石砂轮。
应用实施例
对实施例制备的陶瓷结合剂金刚石砂轮进行性能检测，测试参数包括抗弯强度、洛氏硬度和气孔率，测试方法为：
采用微机控制电子式万能试验机WDW-5E三点弯曲法测量抗弯强度，采用HR-150DT型电动洛氏硬度计上测试砂轮硬度，采用阿基米德排水法测得砂轮体积密度，再根据JBT 7999-2001计算得到气孔率，测试结果如表1：
表1
性能参数 抗弯强度(Mpa) 洛氏硬度(Mpa) 气孔率(％)
实施例1 46.5 88.4 35.28％
实施例2 61.3 99.8 28.35％
实施例3 48 92.5 33.15％
另分别采用蓝宝石晶片和单晶碳化硅晶片作为磨削实验对象，对实施例1制备的陶瓷结合剂金刚石砂轮的磨削效率进行测试，具体采用真空吸附盘将蓝宝石和单晶碳化硅晶片吸附于工作台上，选用砂轮转速为1800r/min,工作台转速为151r/min,砂轮垂直向下进给速率为3μm/s,进给深度80μm,粗磨进给量为40μm,半精磨进给量为30μm，精磨进给量为10μm，磨削时冷却液为去离子水，最后砂轮回原点，完成磨削实验。
采用超景深显微镜VHX-600对磨削实验后的砂轮表面磨损情况进行观测，结果见图3，(a)为磨削前砂轮表面微观形貌图，(b)砂轮磨削后表面微观形貌图，可见金刚石和碳化硅磨粒未发现有明显的磨耗磨损及破碎，磨粒表面也未发现磨屑粘附和堵塞，表明本发明的砂轮具有很好的硬度、磨削过程不易堵塞，适用于高脆硬难加工材料的加工。
分别将磨削实验后的蓝宝石和碳化硅晶片至于扫描电子显微镜下，观察蓝宝石和碳化硅晶片表面微观结构如图4，(a)为蓝宝石晶片在磨削实验后的表面微观结构图，(b)为单晶碳化硅晶片在磨削实验后的表面微观结构图，采用表面粗糙度仪MahrsurfXR20对陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削后的蓝宝石和碳化硅晶片进行表面粗糙度检测，检测重复10次，获得表面粗糙度Ra平均值分别为:0.648μm，0.108μm，可见，本发明制备的砂轮对蓝宝石和碳化硅晶片有很好的磨削效果。
综上，本发明的陶瓷结合剂微粉金刚石砂轮具有自锐性好、强度高、磨削效率高、刚性好、磨削过程中不易堵塞和烧伤工件的优点，对高脆硬难加工材料的加工有较高的效率，具有很好的应用前景。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制。本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行若干推演或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种陶瓷结合剂金刚石砂轮，由包括以下按质量百分比计的原料制备：
2.如权利要求1所述的陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于，所述的金刚石粉末粒径为1-50μm，绿碳化硅粉末的粒径为2-60μm。
3.如权利要求1所述的陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于，所述陶瓷结合剂为佛山市陶一色釉有限公司的G068，粒径为1-20μm。
4.如权利要求1-3任一项所述的陶瓷结合剂金刚石砂轮，其特征在于，所述陶瓷空心球为氧化铝空心球，粒径为100-800μm，密度为0.5-1g/cm3。
5.如权利要求4所述的陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：
将陶瓷空心球、金刚石粉末、绿碳化硅粉末、陶瓷结合剂混合得到混合粉末，过筛后加入预粘接剂，搅匀后过筛，得到预粘接粉末，将预粘接粉末经冷压成型，得到砂轮片，砂轮片依次在60-80℃下干燥8-12h，再在110-130℃下干燥1-4h后进行烧结，再粘贴至砂轮基体上，得到陶瓷结合剂金刚石砂轮。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述冷压成型的操作条件为温度25-30℃，压力为5-10Mpa。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的具体操作为由室温升温到180-230℃，恒温烧结10-50分钟，然后升温到400-450℃，恒温烧结80-120分钟，再升温到640-690℃，恒温烧结110-150分钟，冷却至室温即可。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述由室温升温到180-230℃的升温速率为2-4℃/min，所述升温至400-450℃的升温速率为1-3℃/min，所述升温到640-690℃的升温速率为0.5-1.5℃/min。
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