CN107791163A - 一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法，属于砂轮制备技术领域。本发明以二氧化硅、氧化铝、氧化锆、硼酸为主要原料经球磨、熔融、淬冷、再球磨干燥得到陶瓷结合剂粉末，晶体界面能高，使砂轮的磨料不易在磨削时脱落，从而提高了砂轮的耐久性即提高了使用寿命；涂膜金刚石磨料在烧结温度下结合剂为液态，填充于磨料与磨料之间的毛细孔中，促进砂轮致密化，同时磨料表面二氧化钛薄膜的保护作用，影响了砂轮烧结过程中气体的排出，延长了砂轮的使用寿命；气孔可以容纳磨削屑，砂轮在磨削过程中出刃率更高，提高磨削效率，本发明中以适宜的气孔率使金刚石砂轮中结合剂对磨料的把持力提高，从而提高金刚石的强度，应用前景广阔。

Description

一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法
技术领域
本发明公开了一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法，属于砂轮制备技术领域。
背景技术
砂轮又称固结磨具，砂轮是由结合剂将普通磨料固结成一定形状（多数为圆形，中央有通孔），并具有一定强度的固结磨具。其一般由磨料、结合剂和气孔构成，这三部分常称为固结磨具的三要素。按照结合剂的不同分类，常见的有陶瓷（结合剂）砂轮、树脂（结合剂）砂轮、橡胶（结合剂）砂轮。砂轮是磨具中用量最大、使用面最广的一种，使用时高速旋转，可对金属或非金属工件的外圆、内圆、平面和各种型面等进行粗磨、半精磨和精磨以及开槽和切断等。
由于磨料、结合剂及制造工艺不同，砂轮的特性差别很大，因此对磨削的加工质量、生产率和经济性有着重要影响。砂轮的特性主要是由磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、形状和尺寸等因素决定。
砂轮种类繁多。按所用磨料可分为普通磨料（刚玉和碳化硅等）砂轮和天然磨料超硬磨料和（金刚石和立方氮化硼等）砂轮；按形状可分为平形砂轮、斜边砂轮、筒形砂轮、杯形砂轮、碟形砂轮等；按结合剂可分为陶瓷砂轮、树脂砂轮、橡胶砂轮、金属砂轮等。砂轮的特性参数主要有磨料、粒度、硬度、结合剂、形状、尺寸等。由于砂轮通常在高速下工作，因而使用前应进行回转试验（保证砂轮在最高工作转速下，不会破裂）和静平衡试验（防止工作时引起机床振动）。砂轮在工作一段时间后，应进行修整以恢复磨削性能和正确的几何形状。
磨料是制造砂轮的主要原料，它担负着切削工作。因此，磨料必须锋利，并具备高的硬度、良好的耐热性和一定的韧性。粒度是指磨料颗粒尺寸的大小。粒度分为磨粒和微粉两类。对于颗粒尺寸大于 40μm的磨料，称为磨粒。用筛选法分级，粒度号以磨粒通过的筛网上每英寸长度内的孔眼数来表示。如60 # 的磨粒表示其大小刚好能通过每英寸长度上有60孔眼的筛网。对于颗粒尺寸小于40μm的磨料，称为微粉。用显微测量法分级，用W和后面的数字表示粒度号，其W后的数值代表微粉的实际尺寸。如W20表示微粉的实际尺寸为20μm。
目前大部分使用的砂轮都存在砂轮磨料在高速磨削时易脱落导致使用寿命不长以及砂轮强度不够高缺陷，因此，发明一种强度高又耐久的多孔金刚石砂轮对砂轮制备技术领域具有积极意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题，针对目前砂轮磨料在高速磨削时易脱落导致使用寿命不长以及砂轮强度不够高的缺陷，提供了一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按重量份数计，将20～25份二氧化硅、15～25份氧化铝、30～35份碳酸钙、15～20份氧化锆、10～12份碳酸钠、10～15份碳酸钾、8～10份碳酸铝、40～50份硼酸倒入刚玉球磨坛中，得到球磨料粉；
（2）向坩埚炉中倒入球磨料粉，加热升温，保温，得到熔融结合剂，塞上堵料杆，在坩埚炉出料口处放一个装满水的搪瓷容器，用堵料杆引流熔融结合剂至搪瓷容器中进行水淬后，收集得到搪瓷容器中的陶瓷结合剂碎块；
（3）将上述陶瓷结合剂碎块与水等质量混合，倒入刚玉球磨坛中球磨，得到球磨浆料，将球磨浆料倒入盛料盘中，置于烘箱中，加热升温，干燥后，放入研钵中研磨，过筛得到陶瓷结合剂粉末，将陶瓷结合剂粉末装入密封袋中保存；
（4）在烧杯中将40～50mL钛酸丁酯溶于200～250mL无水乙醇，接着加入20～30g二乙醇胺，边搅拌边滴加50～60mL水，搅拌后，室温下陈化，得到浅黄色溶胶即二氧化钛溶胶；
（5）将300～400g80目金刚石颗粒浸泡于300～350mL二氧化钛溶胶中，静置后，用铜网捞出金刚石颗粒，将金刚石颗粒置于烘箱中干燥后，将干燥后的金刚石颗粒置于马弗炉中，加热升温，保温，继续升温700～800℃，保温，制得表面涂覆纳米二氧化钛薄膜的金刚石磨料；
（6）按重量份数计，将75～80份金刚石磨料、20～25份陶瓷结合剂粉末、10～15份炭黑、15～20份白刚玉、40～50份无水乙醇、20～30份核桃壳粉、30～40份β-环糊精放入研钵中研磨，静置，得到成型料，将成型料放入圆形模具中，用压模机压制成型，脱模得到成型砂轮坯件，将成型砂轮坯件放入烘箱中，加热升温，干燥，得到高强度耐久多孔金刚石砂轮。
步骤（1）所述的刚玉球直径为30～50mm，设定球磨坛自转速度为80～100r/min，磨坛球磨时间为30～35min。
步骤（2）所述的对坩埚炉加热升温后温度为1300～1350℃，保温时间为30～40min，水淬时间为3～4min。
步骤（3）所述的刚玉球直径为20～30mm，球磨坛自转速度为40～60r/min，球磨时间为20～24h，对烘箱加热升温后温度为120～130℃，干燥时间为3～4h研磨时间为40～45min，所过筛规格为180目。
步骤（4）所述的搅拌时间为1～2h，室温下陈化时间为 22～24h。
步骤（5）所述的静置时间为3～5min后，用铜网捞出金刚石颗粒，烘箱设定温度为150～180℃，干燥时间为5～6h，马弗炉加热升温后温度为100～130℃，保温时间为30～45min，升温速率为5℃/min，继续升温后温度为 700～800℃，保温时间为40～45min。
步骤（6）所述的研磨时间为30～40min，静置时间为3～4h，压模机压力为28～30MPa，压制成型时间为20～25min，对烘箱加热升温后温度为70～80℃，干燥时间为20～24h。
本发明的有益效果是：
（1）本发明以二氧化硅、氧化铝、氧化锆、硼酸为主要原料经球磨、熔融、淬冷、再球磨干燥得到陶瓷结合剂粉末，利用二氧化钛溶胶浸泡金刚石颗粒、干燥得到表面涂覆二氧化钛薄膜的金刚石磨料，将金刚石磨料、陶瓷结合剂粉末与其他添加剂研磨、压制成型、脱模干燥得到砂轮，与金属和树脂结合剂金刚石砂轮不同，陶瓷结合剂金刚石砂轮是多孔材料，气孔在磨削时可以容屑和保存冷却液，磨削应力小，温度低，陶瓷结合剂金刚石砂轮在制备过程中需经过高温烧结，而金刚石磨料热稳定性差，高温烧结过程中在空气气氛中会被氧化，在保护气氛中易发生石墨化转变，同时金刚石为原子晶体，原子间以sp3杂化轨道成键，晶体界面能高，提高了金刚石磨料与陶瓷结合剂的界面结合力，使砂轮的磨料不易在磨削时脱落，从而提高了砂轮的耐久性即提高了使用寿命；
（2）本发明涂膜金刚石磨料在烧结温度下结合剂为液态，填充于磨料与磨料之间的毛细孔中，促进砂轮致密化，同时磨料表面二氧化钛薄膜的保护作用，影响了砂轮烧结过程中气体的排出，砂轮中残留下一定的气孔，随着结合剂的加入，气孔率开始上升，气孔在磨削过程中，一方面，气孔中会充满冷却剂和磨削液，并将其携带到磨削区，对砂轮磨削起良好的冷却和润滑作用，减少磨削力和磨削热，提高工件表面加工质量，延长了砂轮的使用寿命；另一方面，气孔可以容纳磨削屑，砂轮在磨削过程中出刃率更高，提高磨削效率，减少磨屑对磨削的干扰；最后，砂轮中的气孔直接影响砂轮的硬度，本发明中以适宜的气孔率使金刚石砂轮中结合剂对磨料的把持力提高，从而提高金刚石的强度，应用前景广阔。
具体实施方式
按重量份数计，将20～25份二氧化硅、15～25份氧化铝、30～35份碳酸钙、15～20份氧化锆、10～12份碳酸钠、10～15份碳酸钾、8～10份碳酸铝、40～50份硼酸倒入刚玉球磨坛中，刚玉球直径为30～50mm，设定球磨坛自转速度为80～100r/min，球磨30～35min，得到球磨料粉；向坩埚炉中倒入球磨料粉，加热升温至1300～1350℃，保温30～40min，得到熔融结合剂，塞上堵料杆，在坩埚炉出料口处放一个装满水的搪瓷容器，用堵料杆引流熔融结合剂至搪瓷容器中进行水淬3～4min后，收集得到搪瓷容器中的陶瓷结合剂碎块；将上述陶瓷结合剂碎块与水等质量混合，倒入刚玉球磨坛中，刚玉球直径为20～30mm，球磨坛自转速度为40～60r/min，球磨20～24h，得到球磨浆料，将球磨浆料倒入盛料盘中，置于烘箱中，加热升温至120～130℃，干燥3～4h后，放入研钵中研磨40～45min，过180目筛得到陶瓷结合剂粉末，将陶瓷结合剂粉末装入密封袋中保存；在烧杯中将40～50mL钛酸丁酯溶于200～250mL无水乙醇，接着加入20～30g二乙醇胺，边搅拌边滴加50～60mL水，搅拌 1～2h后，室温下陈化 22～24h，得到浅黄色溶胶即二氧化钛溶胶；将300～400g80目金刚石颗粒浸泡于300～350mL二氧化钛溶胶中，静置3～5min后，用铜网捞出金刚石颗粒，将金刚石颗粒置于设定温度为150～180℃的烘箱中干燥5～6h后，将干燥后的金刚石颗粒置于马弗炉中，加热升温至100～130℃，保温30～45min，继续以5℃/min的速率升温至700～800℃，保温40～45min，制得表面涂覆纳米二氧化钛薄膜的金刚石磨料；按重量份数计，将75～80份金刚石磨料、20～25份陶瓷结合剂粉末、10～15份炭黑、15～20份白刚玉、40～50份无水乙醇、20～30份核桃壳粉、30～40份β-环糊精放入研钵中研磨30～40min，静置3～4h，得到成型料，将成型料放入圆形模具中，用压模机以28～30MPa的压力压制成型20～25min，脱模得到成型砂轮坯件，将成型砂轮坯件放入烘箱中，加热升温至70～80℃，干燥20～24h，得到高强度耐久多孔金刚石砂轮。
实例1
按重量份数计，将20份二氧化硅、15份氧化铝、30份碳酸钙、15份氧化锆、10份碳酸钠、10份碳酸钾、8份碳酸铝、40份硼酸倒入刚玉球磨坛中，刚玉球直径为30mm，设定球磨坛自转速度为80r/min，球磨30min，得到球磨料粉；向坩埚炉中倒入球磨料粉，加热升温至1300℃，保温30min，得到熔融结合剂，塞上堵料杆，在坩埚炉出料口处放一个装满水的搪瓷容器，用堵料杆引流熔融结合剂至搪瓷容器中进行水淬3min后，收集得到搪瓷容器中的陶瓷结合剂碎块；将上述陶瓷结合剂碎块与水等质量混合，倒入刚玉球磨坛中，刚玉球直径为20mm，球磨坛自转速度为40r/min，球磨20h，得到球磨浆料，将球磨浆料倒入盛料盘中，置于烘箱中，加热升温至120℃，干燥3h后，放入研钵中研磨40min，过180目筛得到陶瓷结合剂粉末，将陶瓷结合剂粉末装入密封袋中保存；在烧杯中将40mL钛酸丁酯溶于200mL无水乙醇，接着加入20g二乙醇胺，边搅拌边滴加50mL水，搅拌 1h后，室温下陈化 22h，得到浅黄色溶胶即二氧化钛溶胶；将300g80目金刚石颗粒浸泡于300mL二氧化钛溶胶中，静置3min后，用铜网捞出金刚石颗粒，将金刚石颗粒置于设定温度为150℃的烘箱中干燥5h后，将干燥后的金刚石颗粒置于马弗炉中，加热升温至100℃，保温30min，继续以5℃/min的速率升温至700℃，保温40min，制得表面涂覆纳米二氧化钛薄膜的金刚石磨料；按重量份数计，将75份金刚石磨料、20份陶瓷结合剂粉末、10份炭黑、15份白刚玉、40份无水乙醇、20份核桃壳粉、30份β-环糊精放入研钵中研磨30min，静置3h，得到成型料，将成型料放入圆形模具中，用压模机以28MPa的压力压制成型20min，脱模得到成型砂轮坯件，将成型砂轮坯件放入烘箱中，加热升温至70℃，干燥20h，得到高强度耐久多孔金刚石砂轮。
实例2
按重量份数计，将22份二氧化硅、20份氧化铝、32份碳酸钙、17份氧化锆、11份碳酸钠、12份碳酸钾、9份碳酸铝、45份硼酸倒入刚玉球磨坛中，刚玉球直径为35mm，设定球磨坛自转速度为90r/min，球磨32min，得到球磨料粉；向坩埚炉中倒入球磨料粉，加热升温至1320℃，保温35min，得到熔融结合剂，塞上堵料杆，在坩埚炉出料口处放一个装满水的搪瓷容器，用堵料杆引流熔融结合剂至搪瓷容器中进行水淬3min后，收集得到搪瓷容器中的陶瓷结合剂碎块；将上述陶瓷结合剂碎块与水等质量混合，倒入刚玉球磨坛中，刚玉球直径为25mm，球磨坛自转速度为50r/min，球磨22h，得到球磨浆料，将球磨浆料倒入盛料盘中，置于烘箱中，加热升温至125℃，干燥3.5h后，放入研钵中研磨42min，过180目筛得到陶瓷结合剂粉末，将陶瓷结合剂粉末装入密封袋中保存；在烧杯中将45mL钛酸丁酯溶于220mL无水乙醇，接着加入25g二乙醇胺，边搅拌边滴加55mL水，搅拌 1.5h后，室温下陈化23h，得到浅黄色溶胶即二氧化钛溶胶；将350g80目金刚石颗粒浸泡于325mL二氧化钛溶胶中，静置4min后，用铜网捞出金刚石颗粒，将金刚石颗粒置于设定温度为160℃的烘箱中干燥5.5h后，将干燥后的金刚石颗粒置于马弗炉中，加热升温至120℃，保温40min，继续以5℃/min的速率升温至750℃，保温42min，制得表面涂覆纳米二氧化钛薄膜的金刚石磨料；按重量份数计，将78份金刚石磨料、22份陶瓷结合剂粉末、12份炭黑、17份白刚玉、45份无水乙醇、25份核桃壳粉、35份β-环糊精放入研钵中研磨35min，静置3.5h，得到成型料，将成型料放入圆形模具中，用压模机以29MPa的压力压制成型22min，脱模得到成型砂轮坯件，将成型砂轮坯件放入烘箱中，加热升温至75℃，干燥22h，得到高强度耐久多孔金刚石砂轮。
实例3
按重量份数计，将25份二氧化硅、25份氧化铝、35份碳酸钙、20份氧化锆、12份碳酸钠、15份碳酸钾、10份碳酸铝、50份硼酸倒入刚玉球磨坛中，刚玉球直径为50mm，设定球磨坛自转速度为100r/min，球磨35min，得到球磨料粉；向坩埚炉中倒入球磨料粉，加热升温至1350℃，保温40min，得到熔融结合剂，塞上堵料杆，在坩埚炉出料口处放一个装满水的搪瓷容器，用堵料杆引流熔融结合剂至搪瓷容器中进行水淬4min后，收集得到搪瓷容器中的陶瓷结合剂碎块；将上述陶瓷结合剂碎块与水等质量混合，倒入刚玉球磨坛中，刚玉球直径为30mm，球磨坛自转速度为60r/min，球磨24h，得到球磨浆料，将球磨浆料倒入盛料盘中，置于烘箱中，加热升温至130℃，干燥4h后，放入研钵中研磨45min，过180目筛得到陶瓷结合剂粉末，将陶瓷结合剂粉末装入密封袋中保存；在烧杯中将50mL钛酸丁酯溶于250mL无水乙醇，接着加入30g二乙醇胺，边搅拌边滴加60mL水，搅拌2h后，室温下陈化 24h，得到浅黄色溶胶即二氧化钛溶胶；将400g80目金刚石颗粒浸泡于350mL二氧化钛溶胶中，静置5min后，用铜网捞出金刚石颗粒，将金刚石颗粒置于设定温度为180℃的烘箱中干燥6h后，将干燥后的金刚石颗粒置于马弗炉中，加热升温至130℃，保温45min，继续以5℃/min的速率升温至800℃，保温45min，制得表面涂覆纳米二氧化钛薄膜的金刚石磨料；按重量份数计，将80份金刚石磨料、25份陶瓷结合剂粉末、15份炭黑、20份白刚玉、50份无水乙醇、30份核桃壳粉、40份β-环糊精放入研钵中研磨40min，静置4h，得到成型料，将成型料放入圆形模具中，用压模机以30MPa的压力压制成型25min，脱模得到成型砂轮坯件，将成型砂轮坯件放入烘箱中，加热升温至80℃，干燥24h，得到高强度耐久多孔金刚石砂轮。
对比例
以佛山某公司生产的高强度耐久多孔金刚石砂轮作为对比例 对本发明制得的高强度耐久多孔金刚石砂轮和对比例中的高强度耐久多孔金刚石砂轮进行性能检测，检测结果如表1所示：
1、测试方法：
抗压强度测试采用抗压强度测定仪进行检测；
硬度测试和磨粒脱落情况测试：准备四块大小硬度相同的铁块在实例1～3和对比例中的砂轮进行磨削，观察磨粒脱落情况。（砂轮的硬度指的是磨粒从砂轮中脱落的能力，要是容易脱落就是硬度低，不容易脱落就是硬度高。）
表1
根据上述中数据可知，本发明制得的高强度耐久多孔金刚石砂轮的强度高，磨粒不易脱落，硬度高，可以磨削万次以上磨粒都不易脱落，耐久性好，具有广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按重量份数计，将20～25份二氧化硅、15～25份氧化铝、30～35份碳酸钙、15～20份氧化锆、10～12份碳酸钠、10～15份碳酸钾、8～10份碳酸铝、40～50份硼酸倒入刚玉球磨坛中，得到球磨料粉；
（2）向坩埚炉中倒入球磨料粉，加热升温，保温，得到熔融结合剂，塞上堵料杆，在坩埚炉出料口处放一个装满水的搪瓷容器，用堵料杆引流熔融结合剂至搪瓷容器中进行水淬后，收集得到搪瓷容器中的陶瓷结合剂碎块；
（3）将上述陶瓷结合剂碎块与水等质量混合，倒入刚玉球磨坛中球磨，得到球磨浆料，将球磨浆料倒入盛料盘中，置于烘箱中，加热升温，干燥后，放入研钵中研磨，过筛得到陶瓷结合剂粉末，将陶瓷结合剂粉末装入密封袋中保存；
（4）在烧杯中将40～50mL钛酸丁酯溶于200～250mL无水乙醇，接着加入20～30g二乙醇胺，边搅拌边滴加50～60mL水，搅拌后，室温下陈化，得到浅黄色溶胶即二氧化钛溶胶；
（5）将300～400g80目金刚石颗粒浸泡于300～350mL二氧化钛溶胶中，静置后，用铜网捞出金刚石颗粒，将金刚石颗粒置于烘箱中干燥后，将干燥后的金刚石颗粒置于马弗炉中，加热升温，保温，继续升温700～800℃，保温，制得表面涂覆纳米二氧化钛薄膜的金刚石磨料；
（6）按重量份数计，将75～80份金刚石磨料、20～25份陶瓷结合剂粉末、10～15份炭黑、15～20份白刚玉、40～50份无水乙醇、20～30份核桃壳粉、30～40份β-环糊精放入研钵中研磨，静置，得到成型料，将成型料放入圆形模具中，用压模机压制成型，脱模得到成型砂轮坯件，将成型砂轮坯件放入烘箱中，加热升温，干燥，得到高强度耐久多孔金刚石砂轮。
2.根据权利要求1所述的一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的刚玉球直径为30～50mm，设定球磨坛自转速度为80～100r/min，磨坛球磨时间为30～35min。
3.根据权利要求1所述的一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的对坩埚炉加热升温后温度为1300～1350℃，保温时间为30～40min，水淬时间为3～4min。
4.根据权利要求1所述的一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的刚玉球直径为20～30mm，球磨坛自转速度为40～60r/min，球磨时间为20～24h，对烘箱加热升温后温度为120～130℃，干燥时间为3～4h研磨时间为40～45min，所过筛规格为180目。
5.根据权利要求1所述的一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的搅拌时间为1～2h，室温下陈化时间为 22～24h。
6.根据权利要求1所述的一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的静置时间为3～5min后，用铜网捞出金刚石颗粒，烘箱设定温度为150～180℃，干燥时间为5～6h，马弗炉加热升温后温度为100～130℃，保温时间为30～45min，升温速率为5℃/min，继续升温后温度为 700～800℃，保温时间为40～45min。
7.根据权利要求1所述的一种高强度耐久多孔金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（6）所述的研磨时间为30～40min，静置时间为3～4h，压模机压力为28～30MPa，压制成型时间为20～25min，对烘箱加热升温后温度为70～80℃，干燥时间为20～24h。
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