CN107186631A - 一种三元复合结合剂的超硬磨具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三元复合结合剂的超硬磨具及其制备方法。该超硬磨具是由下述体积百分比的材料制备而成，其中：磨料25%‑50%，低熔点金属合金粉15%‑40%，热塑性树脂粉5%‑30%，聚酰胺酸树脂液5%‑10%，并采用微波热压烧结机快速烧结成型。采用本发明制备的超硬磨具兼顾了树脂结合剂超硬磨具和金属结合剂超硬磨具的优点，具有较高强度，更高的耐热性，更高的效率，同时具有优良的自锐性和磨削性能。

Description

一种三元复合结合剂的超硬磨具及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种三元复合结合剂的超硬磨具及其制备方法。

背景技术

随着难加工材料在现代工业中的不断应用，对加工效率和精度的要求不断提高。树脂结合剂超硬磨具强度大并富有弹性、不怕冲击、磨削锋利、自锐性好、不宜堵塞；但树脂结合剂耐热性差，高温磨削的情况下，结合剂对磨料的把持力大大降低，磨具损耗大。金属结合剂超硬磨具对磨料把持力强、结合强度高、耐磨性好、寿命长、能承受较大的磨削力等特点，但是金属结合剂砂轮自锐性差、砂轮表面易堵塞、易烧伤加工工件表面，影响工件表面加工质量，而且休整比较困难。

中国专利CN102862127B提出了一种金属—树脂复合的结合剂的配方及制备工艺，可以解决纯金属结合剂粘性大不易出刃，易堵塞，烧伤工件，而树脂结合剂热分解温度低，耐热性差等缺点。其组成成分及重量百分比为：金属粉5%～95%，树脂粉5%～30%。按上述配比将原料经过球磨、混合、冷压成型及真空热压工艺，其中所述的树脂为热固性树脂，例如聚酰亚胺、酚醛树脂、环氧树脂等。

进一步的研究发现，热固性树脂热压成型过程首先熔融流动，然后逐渐交联反应，容易产生流涎现象，不利于成型。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种三元复合结合剂的超硬磨具及其制备方法。本发明使复合结合剂能够具有树脂结合剂和金属结合剂两者的优点，既有优异的耐热性，具有较高强度，更高的效率，同时具有优良的自锐性和磨削性能。

本发明以耐高温热塑性树脂替代现有技术中的热固性树脂，由于热塑性树脂的分子量达到几万以上，高温下粘度大，不容易产生流涎现象。但是金属和树脂成型过程中热膨胀系数差别较大，两者界面之间容易产生分离，从而产生裂纹。本发明为了增加树脂和金属之间的结合力，以耐高温的聚酰胺酸溶液作为偶联剂，通过在高温成型过程中发生酰亚胺化反应，生成一种三元复合的结合剂。

本发明的目的是通过下述具体技术措施来实现：

本发明的三元复合结合剂超硬磨具是由下述体积百分比的材料制备而成，其中：磨料25%-50%，低熔点金属合金粉15%-40%，热塑性树脂粉5%-30%，聚酰胺酸树脂液5%-10%。

本发明中所述的磨料取自人造金刚石、立方氮化硼超硬材料、刚玉或碳化硅磨料中的任意一种或两种、两种以上组合物。其中所述刚玉为白刚玉、棕刚玉、单晶刚玉、锆刚玉或SG磨料中的任意一种或两种、两种以上组合物。

本发明中所述低熔点金属合金粉取自铜、锌、锡、铅、铝、镍或铁中的任意一种以上组成合金粉；所述的金属的较佳的质量百分比如下：铜1%—90%、锌1%—90%、锡1%—20%、铅1%—20%、铝1%—90%、镍1%—30%、铁1%—30%。

所述热塑性树脂粉取自聚醚砜、聚砜、聚芳砜、聚苯硫醚、液晶聚合物或芳香尼龙中的任意一种。

所述聚酰胺酸溶液是芳香二元酸酐和芳香二元胺在极性溶剂中按照等物质的量配比反应得到，其中芳香二元酸酐为均苯四酸二酐、双(2,3-二羧苯基)甲烷四羧酸二酐、双(3，4-二羧苯基)甲烷四羧酸二酐、1,1-双(2,3-二羧苯基)乙烷四羧酸二酐、l,1-双(3,4-二羧苯基)乙烷四羧酸二酐、2,2-双(3,4-二羧苯基)丙烷四羧酸二酐、2,2-双(2,3-二羧苯基)丙烷四羧酸二酐、双(3，4-二羧苯基)醚四羧酸二酐、双(3,4-二羧苯基)砜四羧酸二酐、二苯甲酮四羧酸二酐、联苯四羧酸二酐、萘四羧酸二酐、十氢化萘1,4,5,8-四羧酸二酐、2，6-二氯化萘-1,4,5，8-四羧酸二酐、2,7-二氯化萘-1,4,5,8-四羧酸二酐或2,3,6,7-四氯化萘1,4,5,8-四羧酸二酐中的任意一种；芳香二元胺为间或对苯二胺、间或对二甲苯二胺、联苯胺、3,3^＇-二甲氧基联苯胺、联茴香胺、4,4^＇-二氨基二苯醚、双(对氨苯基)丙烷、双(对氨苯基)甲烷、双(4-氨苯基)-N-甲胺，2，4-双(2-氨基特丁基)甲苯、对-双(2-甲基-4-氨苯基)苯、双(1-甲基-5-氨苯基)苯、对-双(2-甲基-4-氨基戊基)苯、对-双(乙1-甲基-5-氨基戊基)苯、双(对氨苯基)硫醚、双(对氨苯基)砜或双(间氨苯基)砜中的任意一种；所述极性溶剂取自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮中的任意一种。

聚酰胺酸反应机理如下：

聚酰胺酸树脂液充当低熔点合金和热塑性树脂的偶联剂，高温酰亚胺化后形成的聚酰亚胺树脂分解温度能达到550℃，既能满足润湿的目的，又能满足高温下固化耐高温的性能，在不降低磨具力学性能的前提下，还能充当有质量的孔，增加磨具的自锐性。

聚酰胺酸高温酰亚胺化合成聚酰亚胺机理如下：

由于传统的热压温度低于300℃，不能烧结低熔点合金，也不能使聚酰胺酸完全酰亚胺化，本发明采用微波烧结方式烧结。虽然树脂不是吸波材料，但是本发明利用金属合金的吸波特性，用微波烧结制备金属/树脂复合材料，金属通过电磁波整体加热升温，树脂通过金属传递的热量加热，温度可细化加热，受热均匀，材料的微观组织可观，树脂与金属分散均匀，材料性能优异。同时微波加热是整体加热，加热更均匀；对电磁场响应时间短，加热迅速，清洁、干净、有效。微波加热使合成反应温度降低，合成时间缩短。本发明所述超硬磨具的制备方法的步骤如下：

a、首先将磨料用聚酰胺酸树脂液润湿，然后与混匀的低熔点金属合金粉一起混匀，再次用聚酰胺酸树脂液润湿，再加入热塑性树脂粉混匀；

b、之后将混合均匀的料投入到模具中，在10~20MPa压力下冷压成型；

c、最后再在微波热压烧结机上进行烧结、压制成型；烧结、压制成型步骤为：第一阶段升温0-460℃/30min，压制压力为3MPa，第二阶段保温460℃/8min，压制压力为 3MPa。

本发明的有益效果如下 ：

本发明采用低熔点金属合金粉与耐高温热塑性树脂以及聚酰亚胺树脂三元复合结合剂作为磨具的结合剂，既具有良好的力学性能，又具有良好的磨削性。不仅比单一的树脂作为结合剂时抗弯强度提高，还比单一的金属作为结合剂时的自锐性、出刃性能好，其磨耗比也提高一个数量级，耐磨性极大的提高。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例作进一步描述 ：

本发明中所述的磨料取自人造金刚石、立方氮化硼超硬材料、刚玉或碳化硅磨料中的任意一种或两种、两种以上组合物。其中所述刚玉为白刚玉、棕刚玉、单晶刚玉、锆刚玉或SG磨料中的任意一种或两种、两种以上组合物。

本发明中所述低熔点金属合金粉取自铜、锌、锡、铅、铝、镍或铁中的任意一种以上组成合金粉；所述的金属的较佳的质量百分比如下：铜1%—90%、锌1%—90%、锡1%—20%、铅1%—20%、铝1%—90%、镍1%—30%、铁1%—30%。

所述热塑性树脂粉取自聚醚砜、聚砜、聚芳砜、聚苯硫醚、液晶聚合物或芳香尼龙中的任意一种。

所述聚酰胺酸溶液是芳香二元酸酐和芳香二元胺在极性溶剂中按照等物质的量配比反应得到，其中芳香二元酸酐为均苯四酸二酐、双(2,3-二羧苯基)甲烷四羧酸二酐、双(3，4-二羧苯基)甲烷四羧酸二酐、1,1-双(2,3-二羧苯基)乙烷四羧酸二酐、l,1-双(3,4-二羧苯基)乙烷四羧酸二酐、2,2-双(3,4-二羧苯基)丙烷四羧酸二酐、2,2-双(2,3-二羧苯基)丙烷四羧酸二酐、双(3，4-二羧苯基)醚四羧酸二酐、双(3,4-二羧苯基)砜四羧酸二酐、二苯甲酮四羧酸二酐、联苯四羧酸二酐、萘四羧酸二酐、十氢化萘1,4,5,8-四羧酸二酐、2，6-二氯化萘-1,4,5，8-四羧酸二酐、2,7-二氯化萘-1,4,5,8-四羧酸二酐或2,3,6,7-四氯化萘1,4,5,8-四羧酸二酐中的任意一种；芳香二元胺为间或对苯二胺、间或对二甲苯二胺、联苯胺、3,3^＇-二甲氧基联苯胺、联茴香胺、4,4^＇-二氨基二苯醚、双(对氨苯基)丙烷、双(对氨苯基)甲烷、双(4-氨苯基)-N-甲胺，2，4-双(2-氨基特丁基)甲苯、对-双(2-甲基-4-氨苯基)苯、双(1-甲基-5-氨苯基)苯、对-双(2-甲基-4-氨基戊基)苯、对-双(乙1-甲基-5-氨基戊基)苯、双(对氨苯基)硫醚、双(对氨苯基)砜或双(间氨苯基)砜中的任意一种；所述极性溶剂取自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮中的任意一种。以下不再赘述。

实施例 1

a、按体积比取 ：低熔点金属合金粉（Cu80Sn20，质量百分比Cu80%,Sn20%）31%，聚醚砜12.5%，聚酰胺酸树脂液（均苯四酸二酐和对二甲苯二胺按照等物质的量配比在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中反应得到）6.5%，人造金刚石25%，白刚玉25%。

b、首先将人造金刚石与白刚玉混匀后，用50%量的聚酰胺酸树脂液润湿，然后与混匀的低熔点金属合金粉一起混匀，再次用剩余的聚酰胺酸树脂液润湿，再加入热塑性树脂粉（聚醚砜）混匀。

c、之后将混合均匀的料投入到模具中，在20MPa压力下冷压成型。

d、最后再在微波热压烧结机上进行烧结、压制成型；烧结、压制成型步骤为：第一阶段升温0-460℃/30min，压制压力为3MPa，第二阶段保温460℃/8min，压制压力为 3MPa。

实施例 2

a、按体积比取 ：低熔点金属合金粉（Cu80Sn20，质量百分比Cu80%,Sn20%）30%，聚苯硫醚20%，聚酰胺酸树脂液（均苯四酸二酐和4,4^＇-二氨基二苯醚按照等物质的量配比在N,N-二甲基乙酰胺溶剂中反应得到）5%，立方氮化硼25%，碳化硅20%。

b、首先将立方氮化硼与碳化硅混匀后，用50%量的聚酰胺酸树脂液润湿，然后与混匀的低熔点金属合金粉一起混匀，再次用剩余的聚酰胺酸树脂液润湿，再加入热塑性树脂粉（聚苯硫醚）混匀。

c、之后将混合均匀的料投入到模具中，在20MPa压力下冷压成型。

d、最后再在微波热压烧结机上进行烧结、压制成型；烧结、压制成型步骤为：第一阶段升温0-460℃/30min，压制压力为3MPa，第二阶段保温460℃/8min，压制压力为 3MPa。

Claims (5)

1.一种三元复合结合剂的超硬磨具，其特征在于：所述超硬磨具是由下述体积百分比的材料制备而成，其中：磨料25%-50%，低熔点金属合金粉15%-40%，热塑性树脂粉5%-30%，聚酰胺酸树脂液5%-10%。

2.根据权利要求1所述的三元复合结合剂的超硬磨具，其特征在于：所述的磨料取自人造金刚石、立方氮化硼、刚玉或碳化硅磨料中的任意一种或两种、两种以上组合物，其中所述刚玉为白刚玉、棕刚玉、单晶刚玉、锆刚玉或SG磨料中的任意一种或两种、两种以上组合物。

3.根据权利要求1所述的三元复合结合剂的超硬磨具，其特征在于：所述低熔点金属合金粉取自铜、锌、锡、铅、铝、镍或铁中的任意一种以上组成合金粉；所述热塑性树脂粉取自聚醚砜、聚砜、聚芳砜、聚苯硫醚、液晶聚合物或芳香尼龙中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的三元复合结合剂的超硬磨具，其特征在于：所述聚酰胺酸溶液是芳香二元酸酐和芳香二元胺在极性溶剂中按照等物质的量配比反应得到；所述极性溶剂取自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮中的任意一种。

5.一种用于制备权利1所述超硬磨具的方法，其特征在于 ：所述方法步骤如下：

a、首先将磨料用聚酰胺酸树脂液润湿，然后与混匀的低熔点金属合金粉一起混匀，再次用聚酰胺酸树脂液润湿，再加入热塑性树脂粉混匀；

b、之后将混合均匀的料投入到模具中，在10~20MPa压力下冷压成型；

c、最后再在微波热压烧结机上进行烧结、压制成型；烧结、压制成型步骤为：第一阶段升温0-460℃/30min，压制压力为3MPa，第二阶段保温460℃/8min，压制压力为 3MPa。