CN107053022B

CN107053022B - 一种高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂及其制备方法与应用

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Publication number: CN107053022B
Application number: CN201710393727.4A
Authority: CN
Inventors: 周琪; 涂俊群; 王凯平
Original assignee: Jiangsu Cy Seiko Technology LLC
Current assignee: Jiangsu Cy Seiko Technology LLC
Priority date: 2017-05-27
Filing date: 2017-05-27
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2037-05-27
Also published as: CN107053022A; CN109822466B; CN109822466A

Abstract

本发明涉及一种高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂及其制备方法，包括如下步骤：混合二氧化硅、三氧化二硼、氧化铝、氧化锂、氧化钠、氧化钙、氧化锌、氧化钡、二氧化钛，得到配合料；将配合料以6～9℃/分钟的升温速率升温至600℃；然后以3～6℃/分钟的升温速率升温至1200℃；然后以2～3℃/分钟的升温速率升温至1450℃；然后保温；然后加入SG磨料，继续保温得到熔液；将熔液水淬后进行湿磨，然后烘干、粉碎、干磨后过200目筛获得高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂。本发明以微晶增韧以及Al₂O₃作为网络中间体增强玻璃网络结构作为理论依据改善陶瓷结合剂制备方法，所获得的陶瓷结合剂具有强度高、韧性好的特点，满足CBN砂轮的制备使用。

Description

一种高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于砂轮陶瓷结合剂领域，具体涉及一种高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂及其制备方法与应用。

背景技术

CBN砂轮主要有树脂结合剂CBN砂轮、金属结合剂CBN砂轮、陶瓷结合剂CBN砂轮。由于CBN磨料所具有的特性（硬度高、韧性好、耐磨性好、热稳定性好、不亲铁性），使CBN砂轮成为在磨削加工铁质材料、硬质合金、粉末件的理想工具，不但效率高、精度高，而且粗糙度好、磨具消耗少、使用寿命长，同时还可改善劳动条件。随着现代化工业、科技的发展，CBN砂轮的应用日益广泛，尤其在高铁含量的金属材质工件（如活塞、缸盖、汽缸、万向节、轴承、滑片等）加工中体现出较佳的切割、磨削性能，CBN砂轮的生产规模也逐步扩大，显示出良好的市场发展前景。

CBN砂轮制备使用的结合剂主要有树脂结合剂、陶瓷结合剂、金属结合剂三种。目前，国内外市场最常见且应用广泛的是树脂结合剂砂轮和金属结合剂砂轮，但树脂结合剂耐热性、耐水性及耐老化性较差，导致树脂结合剂砂轮的耐用度较差，砂轮的加工效率低，磨损大，修整和更换频繁，加工工件的尺寸分散度大，加工刀具质量不稳定，同时金属结合剂CBN砂轮的结构紧密，修整困难，磨具内的气孔少，在磨削加工过程中砂轮的自锐性差、锋利性差，容易堵塞和发热，容易对工件产生冲击、烧伤等物理损伤。而目前，国内市场陶瓷结合剂砂轮需求量较大，大部分依靠国外进口满足工业生产需求，同时国内陶瓷结合剂砂轮的性能指标与国外产品比较而言，陶瓷结合剂的研发技术仍有较大提升的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂及其制备方法。该方法制备的陶瓷结合剂具有高强度高韧性的特点，满足CBN砂轮的制备使用，由此制备的陶瓷结合剂CBN砂轮中有可控的气孔，有利于冷却和排屑，磨削时不易堵塞，不易烧伤工件，有较好的自锐性，砂轮形状保持性好，易修整且修整间隔较长。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）混合二氧化硅、三氧化二硼、氧化铝、氧化锂、氧化钠、氧化钙、氧化锌、氧化钡、二氧化钛，得到配合料；

（2）将步骤（1）的配合料以6～9℃/分钟的升温速率升温至600℃；然后以3～6℃/分钟的升温速率升温至1200℃；然后以2～3℃/分钟的升温速率升温至1450℃；然后保温；然后加入SG磨料，继续保温得到熔液；

（3）将步骤（2）的熔液水淬后进行湿磨，然后烘干、粉碎、干磨后过200目筛获得高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂。

上述技术方案中，步骤（1）中，二氧化硅、三氧化二硼、氧化铝、氧化锂、氧化钠、氧化钙、氧化锌、氧化钡、二氧化钛的质量比为（48～75）∶（5～30）∶（3～15）∶（1～8）∶（1～8）∶（2～11）∶（0.8～4）∶（0.8～3.5）∶（0.8～6）。

上述技术方案中，步骤（2）中，SG磨料的用量为配合料质量的1%；所述SG磨料的粒径小于320目，本发明限定SG磨料粒度，使得SG磨料与高温熔液的反应进程得以控制，避免最后破坏了结合剂结构与性能的均匀性。

上述技术方案中，步骤（2）中，保温时间为1小时，是为了熔液充分高温均化；继续保温时间为1小时，是为了保证SG磨料单颗粒部分与高温熔液的熔融键合；本发明限定保温时间避免SG磨料会完全熔融于高温熔液中，起不到对结合剂强度提升的最佳效果。

本发明还公开了根据上述高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂的制备方法制备的砂轮陶瓷结合剂。以及上述砂轮陶瓷结合剂在制备砂轮中的应用；本发明公开的陶瓷结合剂特别适用于CBN砂轮制备的使用。

本发明进一步公开了一种CBN砂轮，由磨料与上述砂轮陶瓷结合剂制备得到；所述磨料包括CBN磨料。

上述技术方案中，制备砂轮时，烧结温度为920～1000℃。

本发明以上述氧化物组分含量进行配料计算，分别用矿物原料与化工原料引入各种氧化物，并进行称量、混合，得到配合料；以微晶增韧以及Al₂O₃作为网络中间体增强玻璃网络结构改善陶瓷结合剂，所获得的陶瓷结合剂具有强度高、韧性好的特点，满足CBN砂轮的制备使用。

本发明将配合料在高温炉中进行熔化，在600℃之前以6～9℃/分钟升温；在600～1200℃内以3～6℃/分钟升温；在1200～1450℃内以2～3℃/分钟升温；在1450℃时保温时间为1小时后继续向熔液中均匀加入320目SG磨料（SG磨料与配合料质量比例为1:100），继续保温1小时进行澄清和均化。该工艺特点可操作性强，稳定性好，利于生产结构和性能稳定可靠的陶瓷结合剂；特别是本发明限定熔化工艺，不仅利于各组分之间的融合渗透，而且制备的陶瓷结合剂本身具有硬度高、耐温好、自锐性好、锋利等特点，因此，可以不用频繁更换修整轮而大大提高修整轮的使用寿命和加工效率。

本发明将熔液水淬后放入球磨机中湿磨，放入烘箱中烘干、粉碎干磨后过200目筛获得所需的粉料，即为陶瓷结合剂。本方法采用的湿磨工艺有利于制造出粒度分布集中，粒度形状、大小可控的陶瓷结合剂粉料。

本发明涉及的陶瓷结合剂，生产工艺稳定、简易、科学、可控，能够有效地节约生产成本，稳定产品质量。

本发明方法制备的陶瓷结合剂粒径分布均匀集中，烧结温度为920℃～1000℃，烧结后陶瓷结合剂抗折强度大于100MPa，热膨胀系数为5.5～6.5×10^-6/℃，强度高，把持力强，韧性好等特点。

本发明方法制备的陶瓷结合剂中，二氧化硅主要为陶瓷结合剂提供由硅氧四面体组成的主架构；氧化钛、氧化锂作为晶核剂；由于在基础原料中加入氧化锌以及后续加入SG磨料，增加了整体粉末的比表面积，即表面活化能，从而降低陶瓷结合剂的烧结温度，即耐火度，并增强该陶瓷结合剂的强度，克服现有技术增加陶瓷结合剂强度的同时也提高了陶瓷结合剂耐火度的问题；本发明通过二氧化硅、氧化硼、氧化钡、氧化锂的比例可以降低陶瓷结合剂的热膨胀系数，从而达到烧结后的陶瓷结合剂与磨料的热膨胀系数相匹配；本发明中各组分比例合理，有利于充分地混合均匀，在今后的制造磨具的烧结过程中能够充分地参与反应，提高磨具各个部位陶瓷结合剂反应的均匀性。

本发明制备的陶瓷结合剂特别适用于CBN砂轮制备使用；由此制备的陶瓷结合剂CBN砂轮中有可控的气孔，有利于冷却和排屑，磨削时不易堵塞，不易烧伤工件，有较好的自锐性，砂轮形状保持性好，易修整且修整间隔较长。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，并以现有成熟产品作对比。

实施例一

一种高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂的方法，包括如下步骤：

1）原料的选取：本发明所使用的陶瓷结合剂的基本组成范围见表1：

表1 基本组成质量份数

氧化物	SiO<sub>2</sub>	B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Li<sub>2</sub>O	Na<sub>2</sub>O	CaO	ZnO	BaO	TiO<sub>2</sub>	总计
											质量份数	60	15	5	6	3	5	2	2	2	100

以表1中的组分含量进行配料计算，分别用矿物原料与化工原料引入各种氧化物（纯度大于99%），并进行称量、混合，得到配合料。原料配料单见表2。

2）将步骤1）中的配合料在高温炉中进行熔化，在600℃之前以6℃/分钟升温；在600～1200℃内以5℃/分钟升温；在1200～1450℃内以3℃/分钟升温；在1450℃时保温时间为1小时后继续向熔液中均匀加入320目SG磨料（SG磨料与步骤1）中的配合料质量比例为1:100），继续保温1小时进行澄清和均化。

3）将步骤2）所得的熔液水淬后放入球磨机中湿磨，放入烘箱中烘干、粉碎干磨后过200目筛获得所需的粉料，为陶瓷结合剂。

对本发明陶瓷结合剂性能检测，其最佳烧结温度在980℃左右，热膨胀系数约为6.5×10^-6/℃，抗折强度约为126MPa，结合剂强度高、把持力性能较佳。

将上述结合剂与CBN磨料混合，980℃烧结制备CBN内圆砂轮，砂轮中有可控的气孔，有利于冷却和排屑，磨削时不易堵塞，不易烧伤工件，有较好的自锐性，易修整且修整间隔较长；该陶瓷结合剂用于应用于陶瓷结合剂CBN内圆砂轮加工压缩机空调活塞产品时，加工品质稳定，万件产品加工无瑕疵；修整间隔提升48%，加工寿命提升48%。

如果不加SG磨料，则热膨胀系数约为7.5×10^-6/℃，抗折强度约为83MPa，制备的砂轮强度较差，加工线速度较高时砂轮容易出现脱砂，加工品质异常。

实施例二

一种高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂的方法，它包括如下步骤：

1）原料的选取：本发明所使用的陶瓷结合剂的基本组成范围见表2：

表2 质量份数

氧化物	SiO<sub>2</sub>	B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Li<sub>2</sub>O	Na<sub>2</sub>O	CaO	ZnO	BaO	TiO<sub>2</sub>	总计
											质量份数	55	15	8	6	3	5	3	2	3	100

以表2中的组分含量进行配料计算，分别用矿物原料与化工原料引入各种氧化物，并进行称量、混合，得到配合料。

对本发明陶瓷结合剂性能检测，其最佳烧结温度在960℃左右，热膨胀系数约为6.1×10^-6/℃，抗折强度约为117MPa，结合剂强度高、把持力性能较佳。将上述结合剂与CBN磨料混合，960℃烧结制备CBN内圆砂轮，砂轮中有可控的气孔，有利于冷却和排屑，磨削时不易堵塞，不易烧伤工件，有较好的自锐性，易修整且修整间隔较长；该陶瓷结合剂用于应用于陶瓷结合剂CBN内圆砂轮加工压缩机空调汽缸产品时，加工品质稳定，万件产品加工无瑕疵；修整间隔提升40%，加工寿命提升40%。

如果不加SG磨料，则热膨胀系数约为7.2×10^-6/℃，抗折强度约为75MPa，制备的砂轮强度较差，加工线速度较高时砂轮容易出现脱砂，加工品质异常。

实施例三

1）原料的选取：本发明所使用的陶瓷结合剂的基本组成范围见表3：

表3 质量份数

氧化物	SiO<sub>2</sub>	B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Li<sub>2</sub>O	Na<sub>2</sub>O	CaO	ZnO	BaO	TiO<sub>2</sub>	总计
											质量份数	50	15	13	6	3	5	2	2	4	100

以表3中的组分含量进行配料计算，分别用矿物原料与化工原料引入各种氧化物，并进行称量、混合，得到配合料。

对本发明陶瓷结合剂性能检测，其最佳烧结温度在930℃左右，热膨胀系数约为5.6×10^-6/℃，抗折强度约为108MPa，结合剂强度高、把持力性能较佳。将上述结合剂与CBN磨料混合，930℃烧结制备CBN内圆砂轮，砂轮中有可控的气孔，有利于冷却和排屑，磨削时不易堵塞，不易烧伤工件，有较好的自锐性，易修整且修整间隔较长；该陶瓷结合剂用于应用于陶瓷结合剂CBN内圆砂轮加工压缩机空调缸盖产品时，加工品质稳定，万件产品加工无瑕疵；修整间隔提升35%，加工寿命提升35%。

如果不加SG磨料，则热膨胀系数约为7.1×10^-6/℃，抗折强度约为71MPa，制备的砂轮强度较差，加工线速度较高时砂轮容易出现脱砂，加工品质异常。

Claims

1.一种高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（3）将步骤（2）的熔液水淬后进行湿磨，然后烘干、粉碎、干磨后过200目筛获得高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂；

步骤（1）中，二氧化硅、三氧化二硼、氧化铝、氧化锂、氧化钠、氧化钙、氧化锌、氧化钡、二氧化钛的质量比为（48～75）∶（5～30）∶（3～15）∶（1～8）∶（1～8）∶（2～11）∶（0.8～4）∶（0.8～3.5）∶（0.8～6）；

步骤（2）中，SG磨料的用量为配合料质量的1%；所述SG磨料的粒径小于320目。

2.根据权利要求1所述高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，保温时间为1小时；继续保温时间为1小时。

3.一种CBN砂轮，其特征在于，所述CBN砂轮由磨料与权利要求1所述高强度高韧性砂轮陶瓷结合剂的制备方法制备的砂轮陶瓷结合剂制备得到；所述磨料包括CBN磨料。

4.根据权利要求3所述CBN砂轮，其特征在于，制备砂轮时，烧结温度为920～1000℃。