CN107234551A - 一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂及其制备方法，通过在基础的二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化硼、二氧化锆原料中加入粒径为5～100nm的碳化硅晶须，使得立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂的性能指标得到了大大提高，其各项性能指标可以达到：耐火度为850℃，抗弯强度为105MPa，热膨胀系数为3.4×10‑6/℃，与立方氮化硼的热膨胀系数（3.5×10‑6/℃）相匹配，提高了立方氮化硼砂轮的磨削能力并大大延长了砂轮的使用寿命。

Description

一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及超硬材料结合剂领域，尤其是涉及一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，人们对工件的精度要求越来越高，机械加工也正在向高质量、高效率、高精度以及自动化方向发展，近年来，陶瓷结合剂金刚石砂轮的应用范围越来越广，市场规模不断扩大，目前，国际上整个陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮的市场规模不低于25亿美元，且该市场份额还在以每年18％的速度快速增长。
在我国磨削行业中，陶瓷结合剂金刚石磨具的用量较少，这是由于陶瓷结合剂立方氮化硼磨具的制备还处于实验室研发阶段，且使用性能不太理想。虽然陶瓷结合剂金刚石磨具在加工精度和磨削效率上远远优于其它两类磨具，但是陶瓷结合剂立方氮化硼磨具在价格上高于树脂磨具，在耐用度上低于金属磨具。而近年来，随着用户对加工工件质量的要求越来越高，国内一些厂家开始采用国外进口的陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮进行加工，但是国外进口陶瓷结合剂金刚石砂轮价格相当昂贵，是国产陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮价格的5倍以上，这极大的增加了工件的加工成本，影响我国制造业在全球市场上的竞争力，也影响了我国整个磨削行业的技术提升。
为解决上述问题，中国专利CN101037325A公开了一种“立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂”，它是包含SiO2 45～70％、Al2O3 5-25％、B2O3 1-15％、Na2O 2-12％、Li2O 2-12％、ZrO21-10％、P2O5 1-10％、BaO 1-10％，经熔炼研磨的粉末，虽然其降低了陶瓷结合剂的耐火度，并提高了抗弯强度，但也存在如下不足:一是陶瓷结合剂的成分较复杂，球磨混料均匀性难以控制；二是提高的陶瓷结合剂性能有限，在当今对磨削速度要求越来越高的背景下，很难与国外进口的立方氮化硼砂轮竞争市场，因此，目前很有必要制备出耐高温高强陶瓷结合剂，为国内加快摆脱立方氮化硼砂轮的进口。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种耐高温、低膨胀系数以及具有较高抗弯强度的耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂及其制备方法。
为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案为：
一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂，其各原料组分及重量百分含量如下：
进一步，所述原料中碳化硅晶须的粒径为5～100nm。
一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其包括如下步骤：
(1)按配方比例分别称取二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化硼、二氧化锆和碳化硅晶须；
(2)将称取所得的二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化硼、二氧化锆和碳化硅晶须加入到球磨机中进行干磨混合均匀，然后再将混合后的物料加入到氧化铝坩埚中；
(3)将装有混合物料的氧化铝坩埚置于真空高温炉中，并在1300～1400℃的条件下进行保温1～2h，对氧化铝坩埚中的混合物料进行熔炼；
(4)将经过步骤(3)熔炼后的混合物料导入球磨机中进行湿球磨23～25h；
(5)将经过湿球磨后的混合物料置于真空干燥箱中干燥2.5～3.5h；
(6)将步骤(5)干燥后的混合物料通过240～260目的筛网过筛，即可制得所需的耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂。
进一步，所述步骤(2)中球磨机的研磨球为硬质合金材质，其中研磨球与待研磨物料的混合比为2：1，研磨转速为200r/min。
进一步，所述步骤(4)中球磨机的研磨球为硬质合金材质，其中研磨球与待研磨物料的混合比为5：1，研磨转速为400r/min，球磨介质为无水乙醇。
进一步，所述步骤(5)中真空干燥箱的干燥温度为75℃。
采用上述的技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过在基础的二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化硼、二氧化锆原料中加入粒径为5～100nm的碳化硅晶须，使得立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂的性能指标得到了大大提高，其各项性能指标可以达到：耐火度为850℃，抗弯强度为105MPa，热膨胀系数为3.4×10-6/℃，与立方氮化硼的热膨胀系数(3.5×10-6/℃)相匹配，提高了立方氮化硼砂轮的磨削能力并大大延长了砂轮的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述：
图1为本发明碳化硅晶须的电镜图。
具体实施方式
一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂，其各原料组分及重量百分含量如下：
进一步，所述原料中碳化硅晶须的粒径为5～100nm，其中碳化硅晶须的电镜图如图1所示。
一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其包括如下步骤：
(1)按配方比例分别称取二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化硼、二氧化锆和碳化硅晶须；
(2)将称取所得的二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化硼、二氧化锆和碳化硅晶须加入到球磨机中进行干磨混合均匀，然后再将混合后的物料加入到氧化铝坩埚中；
(3)将装有混合物料的氧化铝坩埚置于真空高温炉中，并在1300～1400℃的条件下进行保温1～2h，对氧化铝坩埚中的混合物料进行熔炼；
(4)将经过步骤(3)熔炼后的混合物料导入球磨机中进行湿球磨23～25h；
(5)将经过湿球磨后的混合物料置于真空干燥箱中干燥2.5～3.5h；
(6)将步骤(5)干燥后的混合物料通过240～260目的筛网过筛，即可制得所需的耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂。
进一步，所述步骤(2)中球磨机的研磨球为硬质合金材质，其中研磨球与待研磨物料的混合比为2：1，研磨转速为200r/min。
进一步，所述步骤(4)中球磨机的研磨球为硬质合金材质，其中研磨球与待研磨物料的混合比为5：1，研磨转速为400r/min，球磨介质为无水乙醇。
进一步，所述步骤(5)中真空干燥箱的干燥温度为75℃。
实施例
一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其包括如下步骤：
(1)按配方比例分别称取二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化硼、二氧化锆和碳化硅晶须；
(2)将称取所得的二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化硼、二氧化锆和碳化硅晶须加入到球磨机中进行干磨混合均匀，其中，球磨机的研磨球为硬质合金材质，研磨球与待研磨物料的混合比为2：1，研磨转速为200r/min，球磨结束后，再将混合后的物料加入到氧化铝坩埚中；
(3)将装有混合物料的氧化铝坩埚置于真空高温炉中，并在1350℃的条件下进行保温1～2h，对氧化铝坩埚中的混合物料进行熔炼；
(4)将经过步骤(3)熔炼后的混合物料导入球磨机中进行湿球磨24h，其中，球磨机的研磨球为硬质合金材质，研磨球与待研磨物料的混合比为5：1，研磨转速为400r/min，球磨介质为无水乙醇；
(5)将经过湿球磨后的混合物料置于真空干燥箱中以75℃的温度进行干燥3h；
(6)将步骤(5)干燥后的混合物料通过250目的筛网过筛，即可制得所需的耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂。
按照上述实施例所述的方法对如下4组配方体系进行分别制样，其中单位为份：
然后将对应配方号所制得的耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂与立方氮化硼磨料和辅料进行充分混合，再压制成测抗弯强度所需尺寸的试样条，并将其依序放入到真空烧结炉中以810℃的温度进行烧结，烧结结束后，将试样条随炉自然冷却，其中配方号1、2、3、4对应所制得的试样条为试样1、试样2、试样3和试样4，将各试样进行表面打磨后，分别进行测试其耐火度和抗弯强度以及测试其热膨胀系数，具体测试方法遵循标准GB/T7322-2007《耐火材料耐火度试验方法》、GB/T 6569-2006《精细陶瓷弯曲强度实验方法》和GJB332A-2004《固体材料线性膨胀系数测试方法》。
其中所得测试结果如下：
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂，其特征在于：其各原料组分及重量百分含量如下：
二氧化硅 46.0%～61.0%；
二氧化钛 11.9%～19.2%；
氧化铝 5.0%～12.0%；
氧化硼 9.5%～12.0%；
二氧化锆 6.3%～10%；
碳化硅晶须 0.5%～2%。
2.根据权利要求1所述一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂，其特征在于：所述原料中碳化硅晶须的粒径为5～100nm。
3.根据权利要求1或2所述一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：
（1）按配方比例分别称取二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化硼、二氧化锆和碳化硅晶须；（2）将称取所得的二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化硼、二氧化锆和碳化硅晶须加入到球磨机中进行干磨混合均匀，然后再将混合后的物料加入到氧化铝坩埚中；
（3）将装有混合物料的氧化铝坩埚置于真空高温炉中，并在1300～1400℃的条件下进行保温1～2h，对氧化铝坩埚中的混合物料进行熔炼；
（4）将经过步骤（3）熔炼后的混合物料导入球磨机中进行湿球磨23～25h；
（5）将经过湿球磨后的混合物料置于真空干燥箱中干燥2.5～3.5h；
（6）将步骤（5）干燥后的混合物料通过240～260目的筛网过筛，即可制得所需的耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂。
4.根据权利要求3所述的一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中球磨机的研磨球为硬质合金材质，其中研磨球与待研磨物料的混合比为2：1，研磨转速为200r/min。
5.根据权利要求3所述的一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中球磨机的研磨球为硬质合金材质，其中研磨球与待研磨物料的混合比为5：1，研磨转速为400r/min，球磨介质为无水乙醇。
6.根据权利要求3所述的一种耐高温高强立方氮化硼砂轮陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中真空干燥箱的干燥温度为75℃。
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