CN106661426A - 玻璃涂覆的cbn磨料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种涂覆的超硬磨料材料和制备所述涂覆的超硬磨料材料的方法。所述涂覆的超硬磨料材料可包含核和玻璃涂层。所述核可包含超硬磨料晶体。所述玻璃涂层可均匀覆盖在所述核的外面。所述玻璃涂层的范围可为所述超硬磨料晶体的约1wt％至约15wt％。所述玻璃涂层可具有约1微米至约2微米的厚度。

Description

玻璃涂覆的CBN磨料及其制造方法
技术领域和工业实用性
本公开内容涉及涂覆的超硬磨料粒子及其制造方法，更具体地，涉及玻璃涂覆的立方氮化硼(cBN)粒子及其制造方法。
用立方氮化硼(cBN)超硬磨料材料制成的玻璃质粘结(vitreous bond)(玻粘(vit-bond))的磨削砂轮(grinding wheel)通常用于磨削应用。由于CBN的具有仅次于金刚石的硬度的性质，用CBN磨料制成的磨削砂轮可用于磨削含铁和不含铁的钢制品和超合金，并且具有低的砂轮磨耗、高的磨削比和良好的表面光洁度。CBN磨料使得可以在磨削工业中缩短磨削周期时间和通过加速的磨削而提高生产力。但是，如果在可能使CBN磨料脱出的加速的磨削条件下对工件进行磨削，可能会造成被磨削的工件的表面较高的粗糙度。因此，提高磨削砂轮粘结剂中的晶体保留对于性能是至关重要的。
因此，可以看出，对于要用于要求苛刻的操作如加速的磨削条件中的由超硬磨料复合材料制成的磨削工具存在需求。
发明内容
在一个实施方式中，制备涂覆的超硬磨料材料的方法可包括以下步骤：将超硬磨料粒子与粘结剂相共混；在第一预定温度下向共混的混合物中混入玻璃料(glass frit)；筛分出用玻璃料包覆的超硬磨料粒子；以及将填料(spacer)与包覆的超硬磨料粒子混合并将填料与包覆的超硬磨料粒子加热至第二预定温度。
在另一个实施方式中，涂覆的超硬磨料材料可包含含有超硬磨料晶体的核；和在核的外表面均匀覆盖的玻璃涂层，其中玻璃涂层的范围为超硬磨料晶体的约1wt％至约15wt％，并且玻璃涂层具有约1微米至约2微米的厚度。
在又一个实施方式中，一种制备涂覆的超硬磨料材料的方法可包括以下步骤：将玻璃料与多个润湿的超硬磨料粒子共混；将共混的混合物加热至第一预定温度；以及将填料与包覆的超硬磨料粒子混合并将填料与包覆的超硬磨料粒子加热至第二预定温度。
附图说明
当结合附图解读时，将更好地理解前面的发明内容以及下面的具体实施方式。应理解，描述的实施方式并不限于所示的确切配置与手段。
图1是根据一个实施方式的具有涂层的核结构的示意图；
图2是根据一个实施方式的玻璃涂覆的超硬磨料材料的光学图像透视图；
图3是说明根据一个实施方式的制造涂覆的超硬磨料材料的方法的流程图；
图4是说明根据一个实施方式的由标准cBN VBR和玻璃涂覆的cBN VBR制成的砂轮在5150钢应用中的磨削比的示意图；以及
图5是说明根据一个实施方式的由标准cBN VBR和玻璃涂覆的cBN VBR制成的砂轮在M2钢应用中的磨削比的示意图。
具体实施方式
一种实施方式可提供在超硬磨料粒子外面具有涂层的超硬磨料粒子。该涂覆的结构可具有高的磨削比，同时在玻璃质粘结的钢磨削期间维持具有竞争力的磨削功耗。该涂覆的超硬磨料粒子如cBN或金刚石粒子例如可具有核和核外面的涂层。该超硬磨料粒子可在高压和高温下生长。
已知立方氮化硼(cBN)粒子可由六角氮化硼催化剂体系例如碱金属和碱土金属氮化物在高压和高温下持续足以形成立方结构的时间段而生成。将反应物质维持在热力学有利于立方氮化硼晶体形成的压力和温度条件下。然后使用现有技术中已知的回收方法，使用水、酸性溶液或苛性化学品的组合，从反应物质中回收立方氮化硼。应注意，其它生产立方氮化硼的方法是已知的，即通过温度梯度法或冲击波法制备立方氮化硼，并且可以使用本申请中教导的方法的变体来生产具有独特特征的磨料晶粒。
可以使用提供六角氮化硼和催化剂两者的起始成分的任意组合。起始反应混合物的一个实施方式可包含硼源、氮源和催化剂金属源。硼源可为单质硼、六角氮化硼或诸如在反应条件下可分解成单质硼的硼氢化物之一的材料。氮源可为六角氮化硼，或催化剂金属的可在反应条件下提供氮源的含氮化合物。催化剂金属可作为单质金属或在反应条件下可分解成催化剂金属或分解成催化剂金属氮化物的催化剂化合物使用。
可在能够产生用于制造超硬磨料的压力和温度的任意类型的设备中实施所述方法。可用的设备描述于美国专利No.2941241和No.2941248中。其它设备的实例包括带式压机、立方压机和分球式压机(split-sphere press)。
所述设备包括其中提供有可控的温度和压力并维持期望时间的反应体积。前述专利中公开的设备是用于插入水压机的台板(platen)之间的高压装置。高压装置由如下组成：一个限定基本圆柱形的反应区域的环形构件，和两个被设计为适配到所述基本圆柱形的反应区域中的圆锥形活塞型构件或冲头(punch)，和两个被设计为从环形构件的任一侧适配到环形构件的基本圆柱形部分中的圆锥形活塞型构件或冲头。适配到环形构件中的反应容器可通过两个活塞构件或六个活塞构件压缩以达到制造具有独特特征的晶粒的期望压力。通过合适的手段，例如通过感应加热、直接或间接电阻加热或其它方法，而获得必要的温度。
如图1中所示，涂覆的超硬磨料材料10可包含核12和玻璃涂层14。核12可具有超硬磨料晶体结构。超硬磨料晶体可选自立方氮化硼、金刚石和金刚石复合材料。超硬磨料晶体可以是单晶或多晶超硬磨料。例如，超硬磨料晶体可具有约100微米至约200微米的大小。玻璃涂层14可均匀覆盖在核12的外面。玻璃涂层14的范围可为超硬磨料晶体的约1wt％至约15wt％。另外，例如，玻璃涂层14可具有约1微米至约2微米的范围内的厚度。
在一个实施方式中，超硬磨料晶体可具有光滑表面。在另一个实施方式中，超硬磨料晶体可具有不均匀的表面16。不均匀的表面16可在表面上具有突起19或凹坑16。超硬磨料晶体可具有超过85的韧性指数。超硬磨料材料如立方氮化硼(cBN)由于cBN与含铁工件的相对惰性而常被用于磨削硬质的含铁合金工件。因此，cBN材料经常被成型为磨削和机械加工工具。如通过标准脆性试验测量的cBN晶体的韧性可以是磨削性能中的一个因素。脆性试验包括在控制条件下对一定量的产品进行球磨和筛分出残渣以测量产品的破损。在室温下测量韧性指数(TI)。在高温下烧制产品后测量热冲击韧性指数(thermal toughnessindex，TTI)。在许多情况下，晶体韧性越高，晶体在磨削或机械加工工具中的寿命越长，因此工具的寿命越长。
图2示出玻璃涂覆的超硬磨料材料的光学图像透视图。可以容易地看到立方氮化硼外面的闪闪发光的光亮玻璃涂层。热膨胀系数(CTE)与cBN的热膨胀系数接近，这使得玻璃是cBN的理想涂层候选物。与单独的cBN相比，玻璃对玻璃质粘结的磨削砂轮具有更好的粘接。因此，通过用玻璃涂覆，cBN在玻粘砂轮中具有更好的保留。在此用于涂层的玻璃可以是任一种玻璃，包括低温软化玻璃或高温软化玻璃。玻璃还可包括特种玻璃，例如硼玻璃、铅玻璃。如在本文中使用的术语“超硬磨料”指的是Knoop硬度大于约4000的材料。
在一个实施方式中，核12可具有单晶结构。在另一个实施方式中，核12可具有多晶结构。核12的单晶结构或多晶结构可基本上是有小面的(faceted)。如在本文中使用的术语“小面”(facet)指的是在几何形状上的平面。
如图3所示，根据一个实施方式的制备涂覆的超硬磨料材料的方法30包括以下步骤：在步骤32中，将超硬磨料粒子与粘结剂相如水、乙二醇、糖、聚乙二醇、胶(glue)共混；在步骤34中，在约55℃至90℃的第一预定温度向共混的混合物中混入玻璃料；在步骤36中，筛分出用玻璃料包覆的超硬磨料粒子；在步骤38中，向混合的玻璃料中混入可选自金属、金属合金或金属氧化物中的填料，并加热至约600℃至约1100℃的第二预定温度。实施方式可还包括在加热至第二预定温度期间对填料、玻璃料和cBN的混合物进行真空处理的步骤。因为负压可帮助从涂层中驱除气体，所以对混合物进行真空处理可帮助除去包含的气泡。cBN的量相对于填料如Al2O3的量可以是约1∶3～5，使得在cBN晶体周围有足够的填料。
多种涂覆的方法，例如化学气相沉积(CVD)，物理气相沉积(PVD)，溶胶-凝胶或喷雾干燥涂覆，或固相反应涂覆，可以用于玻璃涂覆。
在不背离本公开内容的范围的情况下，可在前述步骤32-38中的每个之间插入一个或多个步骤或前述步骤32-38中的每个可用一个或多个步骤替代。
根据另一个实施方式，制备涂覆的超硬磨料材料的方法可包括以下步骤：将玻璃料与多个润湿的超硬磨料粒子共混；将共混的混合物加热至例如约55℃至约90℃的范围内的第一预定温度，筛分出用玻璃料包覆的超硬磨料粒子；以及向混合的玻璃料中混入填料并加热至例如约600℃至约1100℃的范围内的第二预定温度。该方法可还包括从填料中筛分出玻璃涂覆的超硬磨料粒子，因为填料可具有小于超硬磨料粒子的粒度。填料可以选自金属、金属合金或金属氧化物。在一个实施方式中，填料可以是氧化铝。
超硬磨料粒子可以选自立方氮化硼、金刚石和金刚石复合材料。超硬磨料粒子可与粘结剂相如水、乙二醇、糖、聚乙二醇、胶混合，从而形成润湿的超硬磨料粒子。超硬磨料粒子与粘结剂相的混合物可在与填料混合前干燥。
实施例1
称量约10g的CBN1000 80/100目磨料并倒入准备有约5ml二醇溶液的100ml烧杯中。对混合物超声约2分钟，随后用棒充分搅拌以确保CBN被二醇完全润湿。倾斜烧杯并且从烧杯中倒出二醇溶液直到没有明显的二醇留下。称量10g的含铁玻璃料(620℃的90741F-软化温度和约10-20微米的粒度范围)并且分为两等份。将第一部分(5g)倒入塑料瓶(约200ml大小的瓶)中以覆盖瓶的整个底部。随后，将二醇润湿的CBN晶体均匀铺散到瓶中。轻轻搅拌混合物3秒。用剩下的5克玻璃料覆盖混合物。
将约5克塑料球放于瓶中。以使得大球(1/4”直径)的数量与小球(1/8”直径)的数量的比为3∶2的方式制备球。将瓶设置在Turbula搅拌机中并且例如在72rpm下将混合物共混5分钟。使用约1000微米的筛网人工筛分出球。使用金属盘收集共混的混合物并且放置在加热灯下以全功率干燥一定时间(见表1，约9或10分钟是最好的条件)。
当加热干燥时，将混合物每隔一分钟进行搅拌以确保整个混合物均匀地暴露于热。然后将分离和团聚的玻璃料筛分10分钟。在该实验中使用的筛堆栈(sieve stack)为255μm/151μm/盘。若混合物粘连在255微米筛上，这意味着其并没有被充分干燥。在此情况下，将混合物再次共混并在加热灯下干燥。在筛分后，在151微米筛上收集晶体并且装瓶以用于下一步处理——真空烧制。通过使用光学显微镜在CBN晶体上检验玻璃料的覆盖率。每个CBN晶体被白色玻璃料完全地包覆。
在以上处理步骤期间除去二醇的替代方法是首先将晶体倒入过滤烧杯中，然后使用真空泵将液体二醇真空处理1或2秒。
表1
实施例2
在不锈钢分离器中将600克Al2O3粒子(140/170目)与100克玻璃料/CBN粒子混合。通常将Al2O3与cBN粒子的比维持在6∶1。使用陶瓷坩埚容纳混合物并且随后转移至真空设置为至少1×10-5托的真空炉。一旦炉真空达到1×10-5托，开始加热并且设置为350℃下30分钟。然后升温至900℃并且将停留时间设置为60分钟。在完成加热周期后，温度每分钟降低5度以确保CBN晶体上的玻璃涂层的品质。当温度降低至50℃时从真空炉中取出坩埚。使用127微米筛网仔细筛分混合物以除去Al2O3粒子。使用107微米筛以保留(hold)其它的剩余粒子。将粒子摩擦通过筛网以让大部分Al2O3粒子与CBN晶体分离并且经筛落下。在107微米筛上收集其它部分并且放置在255/181/151/盘的筛堆栈上以筛分约15分钟。在151目筛上收集那些晶体并且保存在钢容器中。
将在255微米和181微米筛上的那些混合并置于塑料球磨罐中。向罐中添加陶瓷球并且将250克的球与50克的CBN/Al2O3的比维持在5∶1。在72rpm下使用turbula研磨10分钟。最后使用700微米(除去陶瓷球)/255μm/181μm/151μm/盘的筛堆栈从混合物中筛分出Al2O3粒子。在181微米和151微米下收集那些晶体并且置于钢容器中。
实验3
向钢容器中加入醇并且倾析出任何残留的Al2O3残渣。这可以进行3或5次以便确保在玻璃涂覆的cBN粒子中观察不到白色残渣。在加热灯下将玻璃涂覆的cBN粒子加热10分钟。这是最终的玻璃涂覆的cBN产品。
实验4
磨削性能
为了测定本发明的玻璃涂覆的CBN晶粒在玻璃质粘结磨削体系中的性能，进行实验。在该实验中，由Wendt Dunnington使用CBN VBR产品(在Diamond Innovation，华盛顿，俄亥俄生产)以及本发明中描述的玻璃涂覆的CBN VBR产品制得两套磨削砂轮。两种类型CBN晶粒的砂轮的条件是相同的(见表2)。用于磨削测试的工件分别为M2钢和51510钢。磨削条件示于表3中。
在AADC(美国应用发展中心)相继对这两套砂轮进行磨削测试。使用缓进给(creepfeed)磨削程序以监测径向砂轮磨损、磨削功率和表面光洁度。磨削比被测定为在所需表面光洁度的阈值下打磨的工件材料的体积除以磨损的砂轮的体积，并且示于图4中。为了清楚，CBN VBR的磨削比在图4和图5中归一化至100％。观察到，由玻璃涂覆的CBN VBR晶粒制成的砂轮的磨削比在5150钢应用中比标准CBN VBR砂轮的磨削比高71％，并且在M2钢应用中比标准CBN VBR砂轮的磨削比高33％，表明玻璃涂覆的CBN VBR表现出改进的磨削性能。当磨削功率对于所有测试的砂轮相当时，与标准CBN VBR晶粒相比，玻璃涂覆的CBN VBR的表面光洁度明显较低。较低的光洁度也表明在粘结体系中存在较好的晶体保留。
磨削砂轮规格
砂轮类型 IA1(陶瓷核)
砂轮直径 7.00”(178mm)
砂轮宽度 0.250”(6.3mm)
磨边(abrasive rim)深度 0.120”(3.0mm)
目大小 120/140(B126)
浓度 150
砂轮制造商 Wendt Dunnington
粘结类型 玻璃质/M250-V250
表2
测试条件-5150软钢
表3
测试条件-M2硬钢
表4
虽然参照了具体实施方式，但显而易见的是，在不背离其主旨和范围的情况下，本领域技术人员可设计出其它的实施方式和变体。所附权利要求书旨在被解释为包括所有的这种实施方式和等效变体。

Claims (25)

1.一种制备涂覆的超硬磨料材料的方法，所述方法包括：
将超硬磨料粒子与粘结剂相共混；
在第一预定温度下向所述共混的混合物中混入玻璃料；
筛分出用所述玻璃料包覆的超硬磨料粒子；以及
将填料与所述包覆的超硬磨料粒子混合并且将所述填料与所述包覆的超硬磨料粒子加热至第二预定温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一预定温度在约55℃至90℃的范围内。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二预定温度在约600℃至约1100℃的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述填料选自金属、金属合金或金属氧化物。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述填料具有小于所述超硬磨料粒子的粒度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述填料是氧化铝。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘结剂相是水。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在加热至所述第二预定温度期间对所述填料、玻璃料和超硬磨料粒子的混合物进行真空处理。
9.一种涂覆的超硬磨料材料，所述涂覆的超硬磨料材料包含：
包含超硬磨料晶体的核；和
均匀覆盖在所述核的外表面的玻璃涂层，其中所述玻璃涂层的范围为所述超硬磨料晶体的约1wt％至约15wt％，并且所述玻璃涂层具有在约1微米至约2微米的范围内的厚度。
10.根据权利要求9所述的涂覆的超硬磨料材料，其中所述超硬磨料晶体的大小在约100微米至约200微米的范围内。
11.根据权利要求9所述的涂覆的超硬磨料材料，其中所述超硬磨料晶体选自立方氮化硼、金刚石和金刚石复合材料。
12.根据权利要求9所述的涂覆的超硬磨料材料，其中所述超硬磨料晶体是单晶或多晶超硬磨料。
13.根据权利要求9所述的涂覆的超硬磨料材料，其中所述超硬磨料晶体具有不均匀的表面。
14.根据权利要求9所述的涂覆的超硬磨料材料，其中所述超硬磨料晶体在表面上具有峰或突起。
15.根据权利要求9所述的涂覆的超硬磨料材料，其中所述超硬磨料晶体的韧性指数大于85。
16.一种制备涂覆的超硬磨料材料的方法，所述方法包括：
将玻璃料与多个润湿的超硬磨料粒子共混；
将所述共混的混合物加热至第一预定温度；以及
将填料与包覆的超硬磨料粒子混合并且将所述填料与所述包覆的超硬磨料粒子加热至第二预定温度。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括从所述填料中筛分出玻璃涂覆的超硬磨料粒子。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一预定温度在约55℃至90℃的范围内。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二预定温度在约600℃至约1100℃的范围内。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述填料选自金属、金属合金或金属氧化物。
21.根据权利要求16所述的方法，其中所述填料具有小于所述超硬磨料粒子的尺寸。
22.根据权利要求16所述的方法，其中所述填料是氧化铝。
23.根据权利要求16所述的方法，其中所述粘结剂相是水。
24.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括在加热至所述第二预定温度期间对所述填料、玻璃料和超硬磨料粒子的混合物进行真空处理。
25.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括筛分出用玻璃料包覆的超硬磨料粒子。
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