CN107617983A - 一种低温烧结陶瓷结合剂及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温烧结陶瓷结合剂，按质量份计，其原料组成包括硅溶胶30‑35份、三氧化二铋45‑50份、硼酸5‑7份、添加剂12‑20份；其中，硅溶胶的固含量为5‑15wt%。本发明的陶瓷结合剂绿色环保，且制备过程无污染；熔点很低，在500℃条件下，即可软化成半球形，可满足金刚石粉体的低温烧结需求；化学稳定性强且力学性能优异；对金刚石的润湿性好且粘结强度高，制得的金刚石砂轮力学性能好。

Description

一种低温烧结陶瓷结合剂及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种低温烧结陶瓷结合剂及其制备工艺，尤其涉及一种金刚石轮用低温烧结陶瓷结合剂及其制备工艺，属于烧结技术领域。

背景技术

陶瓷结合剂金刚石砂轮具有磨削效率高，磨削力小，尺寸保持性好，磨削精度高，修整容易，使用寿命长等优点，广泛应用于工程陶瓷材料、玻璃材料、硬质合金和晶体材料等难加工非金属材料的成型磨削和精密磨削。目前，陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备都是通过烧结的方式使结合剂牢固的粘结金刚石，从而形成有一定强度和形状的金刚石砂轮。但是由于金刚石为碳类材料，在空气中烧结600℃就会氧化生成二氧化碳，而金刚石用陶瓷结合剂的烧结温度一般都在700度以上，所以目前陶瓷结合剂金刚石砂轮的烧结都需在高真空度或保护气氛下进行，这大幅度增加了陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备成本。上个世纪90年代也有人开发了烧结温度在600℃以下的金刚石用陶瓷结合剂，为了降低陶瓷结合剂的烧结温度，结合剂中添加了大量的氧化铅作为促熔成分，该结合剂对砂轮使用者的健康和自然环境都会造成较大危害，所以该结合剂一直没有推广使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种环保型低温烧结陶瓷结合剂及其制备工艺。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种低温烧结陶瓷结合剂，按质量份计，其原料组成包括：

硅溶胶 30-35份

三氧化二铋 45-50份

硼酸 5-7份

添加剂 12-20份；

其中，硅溶胶的固含量为5-15wt%。

所述添加剂包括氧化锌、二氧化锰、三氧化二铁和五氧化二钒中的一种或多种。

优选地，所述添加剂包括氧化锌3-5份、二氧化锰3-5份、三氧化二铁3-5份和五氧化二钒3-5份。

所述三氧化二铋、硼酸及添加剂的粒径均≤5μm。

优选地，硅溶胶的固含量为10wt%。

基于同一个发明构思，本发明还提供一种如上所述的低温烧结陶瓷结合剂的制备工艺，包括如下步骤：

1)先量取适当重量的硅溶胶，倒入容器中，搅拌，再按原料组成配方加入三氧化二铋、硼酸和添加剂，搅拌0.5-1h，获得混合均匀的料浆；

2)将步骤1）中的料浆制成干粉；

3)将步骤2）中获得的干粉倒入坩埚中，再将坩埚放入高温炉中，升温加热，获得熔融料浆；

4)对步骤3）中获得的熔融料浆进行水淬，获得熔炼后的陶瓷结合剂碎渣；

5)将熔炼后的陶瓷结合剂碎渣球磨后干燥，获得低温烧结陶瓷结合剂成品。

步骤1）中，第一次搅拌时间为3-8min；搅拌速度为1800-2200r/min。优选地，第一次搅拌时间为5min；优选地，搅拌速度为2000r/min。

步骤2）中，通过喷雾干燥器将料浆制成干粉，所述喷雾干燥器的设定加热温度为100-120℃，喷雾风压为0.8-1MPa。

步骤3）中，升温加热过程为：先以6-8℃/min的升温速率升温到1000℃，保温0.5-1h，然后以3-5℃/min升温到1300℃，保温0.5-1h。

优选地，步骤3）中，所述坩埚为刚玉坩埚。

优选地，所述高温炉为硅碳棒电阻炉。

步骤5）中，球磨干燥过程包括如下步骤：

a.先将熔炼后的陶瓷结合剂碎渣倒入球磨坛中，加入与陶瓷结合剂碎渣等重量的水，按球料质量比为1.2:1的比例加入刚玉球磨球，控制球磨坛自转速度为60-80r/min，球磨24-36h后，将浆料倒入盛料盘中；其中，直径为50mm的刚玉球磨球占刚玉球磨球总量的30wt%，直径小于50mm的刚玉球磨球占刚玉球磨球总量的70wt%；

b.将盛有浆料的盛料盘置于120℃条件下干燥，待浆料完全干透后，将浆料块转移至干燥的球磨坛中，按球料质量比1：2的比例加入刚玉球磨球，控制球磨坛自转速度为20-40r/min，球磨4小时后，过筛，获得低温烧结陶瓷结合剂成品；其中，直径大于50mm的刚玉球磨球占刚玉球磨球总量的30wt%，直径为20-50mm的刚玉球磨球占刚玉球磨球总量的40wt%，直径小于20mm的刚玉球磨球占刚玉球磨球总量的30wt%。

优选地，步骤a中球磨坛的直径为400mm。

优选地，步骤b中过筛过程采用400#筛。

优选地，将步骤b中过筛后的低温烧结陶瓷结合剂放置于干燥塔中保存。

本发明还提供一种金刚石砂轮，包含如上所述的低温烧结陶瓷结合剂和/或如上所述的制备工艺制备的低温烧结陶瓷结合剂。

本发明将三氧化二铋、硼酸、添加剂粉体在硅溶胶中高速搅拌，制备分散均匀的浆料，然后通过喷雾干燥获得粉体颗粒。其中通过喷雾干燥后，硅溶胶变为无定型纳米SiO₂颗粒，在后继的陶瓷结合剂熔炼过程中，通过硅溶胶前驱体制备的无定型纳米SiO₂颗粒，较传统的SiO₂粉体活性更高，易于溶解于陶瓷结合剂中，以硅氧四面体的形式参与结合剂中网络结构的形成，提高结合剂的力学性能和化学稳定性。喷雾干燥后的粉体在1300℃进行熔炼，获得均匀地尤其适合金刚石用的陶瓷结合剂。在陶瓷结合剂中SiO₂、B₂O₃和Bi₂O₃和V₂O₅分别以硅氧四面体、硼氧三角体、铋氧三角体和钒氧四面体的形式相互连接，构成结合剂的三维网络结构，而锌离子、锰离子和铁离子则可填充于网络结构的空隙中。本发明的陶瓷结合剂中加入了大量的铋元素，因为铋元素与铅元素原子系数相近，化学性质相近，都能大幅度降低陶瓷结合剂的熔点，同时Bi₂O₃室温下对土壤和水源无毒，不会污染环境。但是单纯的在结合剂中加入大量Bi₂O₃结合剂的力学性能和化学稳定性较差，所以在陶瓷结合剂中加入一定量的硼酸和V₂O₅来提高结合剂的力学性能和化学稳定性，而且V₂O₅在构成结合剂网络结构时，呈现的为四面体5化学键结构，由于其不均衡成键能进一步降低结合剂的熔点和熔融结合剂的表面张力，有利于烧结时结合剂对金刚石的润湿。陶瓷结合剂的网络间隙中填充Fe离子、Mn离子和Zn离子（以添加剂形式加入），其中铁离子和锰离子是强碳化物形成元素，结合剂中含有少量的铁离子和锰离子能够提高结合剂对金刚石的润湿性和粘接强度；锌离子的加入主要是提供“自由氧”，可促进部分铋氧三角体转变为铋氧四面体参与结合剂网络组成，进一步提高陶瓷结合剂的力学性能。

采用本发明的陶瓷结合剂制作金刚石砂轮时，在空气气氛下500℃进行烧烧结，即可制备出合格的陶瓷结合剂金刚石砂轮。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明的陶瓷结合剂熔点低，在500℃条件下，即可软化成半球形，在烧结过程中金刚石不会被空气氧化，同时在500℃下烧结后陶瓷结合剂液化充分，能与金刚石磨料形成良好的粘结强度，可满足金刚石粉体的低温烧结需求；

（2）化学稳定性强且力学性能优异；

（3）对金刚石的润湿性好且粘结强度高，制得的金刚石砂轮力学性能好，磨削效果好，可达到陶瓷结合剂金刚石砂轮的标准要求；

（4）本发明的陶瓷结合剂制备原料不含有毒物质铅，制得的金刚石砂轮使用时对使用者的健康和环境无危害；

（5）使用本发明的陶瓷结合剂制备砂轮时，烧结过程不需要真空或惰性气氛保护，制备成本大幅度降低。

附图说明

图1为本发明的一种陶瓷结合剂的粉体干压圆柱在500℃烧结1h后的形貌图。

图2为在空气气氛下500℃烧结后陶瓷结合剂金刚石砂轮的显微形貌图。

图3为低温烧结陶瓷结合剂金刚石砂轮加工的YG8硬质合金内孔的圆度测量图。

图4为普通陶瓷结合剂金刚石砂轮加工的YG8硬质合金内孔的圆度测量图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以一种金刚石砂轮用低温烧结陶瓷结合剂的制备工艺为例对本发明展开进一步说明。

一种金刚石砂轮用低温烧结陶瓷结合剂的制备工艺的具体步骤为：

（1）将硅溶胶、三氧化二铋、硼酸、氧化锌、二氧化锰、三氧化二铁和五氧化二钒按质量比30:45:5:5:5:5:5称取；再将称取的硅溶胶，倒入容器中，高速搅拌5分钟，搅拌速度2000转/分，再加入称取的三氧化二铋、硼酸、氧化锌、二氧化锰、三氧化二铁和五氧化二钒，2000转/分速度搅拌1小时；采用喷雾干燥器将混合均匀的料浆制成干粉，喷雾干燥器的设定加热温度为100℃，喷雾风压为1MPa；

（2）将步骤（1）获得的喷雾干燥后的粉料倒入刚玉坩埚中，再将坩埚放入硅碳棒电阻炉中，以6℃/min升温到1000℃后，保温0.5h，然后以5℃/min升温到1300℃，保温1h；将坩埚中的熔融浆液迅速倒入冷水内进行水淬，获得熔炼后的陶瓷结合剂碎渣；

（3）将熔炼后的陶瓷结合剂碎渣倒入刚玉球磨坛中，加入与结合剂等重的水，球磨坛直径400mm，按球料质量比1.2:1的比例加入刚玉球磨球，其中直径为50mm的刚玉球占30%，直径小于50mm的刚玉球占70%；控制球磨坛自转速度为80r/min；球磨36h后，将浆料倒入盛料盘中；将盛有浆料的盛料盘置于120℃下，干燥，待浆料完全干透后用塑料铲浆料块铲起倒入干燥的刚玉球磨坛中；按球料质量比1：2的比例加入刚玉球磨球，其中直径大于50mm的刚玉球占30% ，直径20-50mm的刚玉球占40%，直径小于20mm的刚玉球占30%；控制球磨坛自转速度为30r/min，球磨4小时后将粉体倒出，过400#筛，过筛后的结合剂封袋后放在干燥塔中保存，获得合格的金刚石砂轮用低温烧结陶瓷结合剂。

本发明的陶瓷结合剂采用高温熔炼加球磨破碎的方法获得均匀的金刚石用陶瓷结合剂粉体，结合剂中加入了大量的Bi₂O₃做为促熔成分，结合剂熔点很低，将结合剂粉体干压成圆柱形，在500℃烧结时，粉体圆柱会软化成半球形（参见图1）。以质量份计，将金刚石粉体8份与本发明的陶瓷结合剂2份混合后，干压成型，再在500℃空气气氛下烧结后，金刚石磨料的尖角保持完整，无任何腐蚀氧化现象，同时结合剂对金刚石磨料润湿性较好，界面有明显的结合剂爬升现象（参见图2）。用制备的陶瓷结合剂金刚石砂轮加工直径40mm的YG8硬质合金内孔，圆度误差在3µm以内（参见图3），磨削效果优于普通陶瓷结合剂金刚石砂轮（参见图4）。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种低温烧结陶瓷结合剂，其特征在于，按质量份计，其原料组成包括：

硅溶胶 30-35份

三氧化二铋 45-50份

硼酸 5-7份

添加剂 12-20份；

其中，硅溶胶的固含量为5-15wt%。

2.根据权利要求1所述的低温烧结陶瓷结合剂，其特征在于，所述添加剂包括氧化锌、二氧化锰、三氧化二铁和五氧化二钒中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的低温烧结陶瓷结合剂，其特征在于，按质量份计，所述添加剂包括氧化锌3-5份、二氧化锰3-5份、三氧化二铁3-5份和五氧化二钒3-5份。

4.根据权利要求1所述的低温烧结陶瓷结合剂，其特征在于，所述三氧化二铋、硼酸及添加剂的粒径均≤5μm。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的低温烧结陶瓷结合剂的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1）先量取适当重量的硅溶胶，倒入容器中，搅拌，再按原料组成配方加入三氧化二铋、硼酸和添加剂，搅拌0.5-1h，获得混合均匀的料浆；

2）将步骤1）中的料浆制成干粉；

3）将步骤2）中获得的干粉倒入坩埚中，再将坩埚放入高温炉中，升温加热，获得熔融料浆；

4）对步骤3）中获得的熔融料浆进行水淬，获得熔炼后的陶瓷结合剂碎渣；

5）将熔炼后的陶瓷结合剂碎渣球磨后干燥，获得低温烧结陶瓷结合剂成品。

6.根据权利要求5所述的低温烧结陶瓷结合剂的制备工艺，其特征在于，步骤1）中，第一次搅拌时间为3-8min；搅拌速度为1800-2200r/min。

7.根据权利要求5所述的低温烧结陶瓷结合剂的制备工艺，其特征在于，步骤2）中，通过喷雾干燥器将料浆制成干粉，所述喷雾干燥器的设定加热温度为100-120℃，喷雾风压为0.8-1MPa。

8.根据权利要求5所述的低温烧结陶瓷结合剂的制备工艺，其特征在于，步骤3）中，升温加热过程为：先以6-8℃/min的升温速率升温到1000℃，保温0.5-1h，然后以3-5℃/min升温到1300℃，保温0.5-1h。

9.根据权利要求5所述的低温烧结陶瓷结合剂的制备工艺，其特征在于，步骤5）中，球磨干燥过程包括如下步骤：

a.先将熔炼后的陶瓷结合剂碎渣倒入球磨坛中，加入与陶瓷结合剂碎渣等重量的水，按球料质量比为1.2:1的比例加入刚玉球磨球，控制球磨坛自转速度为60-80r/min，球磨24-36h后，将浆料倒入盛料盘中；其中，直径为50mm的刚玉球磨球占刚玉球磨球总量的30wt%，直径小于50mm的刚玉球磨球占刚玉球磨球总量的70wt%；

b.将盛有浆料的盛料盘置于120℃条件下干燥，待浆料完全干透后，将浆料块转移至干燥的球磨坛中，按球料质量比1：2的比例加入刚玉球磨球，控制球磨坛自转速度为20-40r/min，球磨4小时后，过筛，获得低温烧结陶瓷结合剂成品；其中，直径大于50mm的刚玉球磨球占刚玉球磨球总量的30wt%，直径为20-50mm的刚玉球磨球占刚玉球磨球总量的40wt%，直径小于20mm的刚玉球磨球占刚玉球磨球总量的30wt%。

10.一种金刚石砂轮，其特征在于，包含如权利要求1-4任一项所述的低温烧结陶瓷结合剂和/或如权利要求5-9任一项所述的制备工艺制备的低温烧结陶瓷结合剂。