CN108145618B - 一种纳米陶瓷结合剂cbn磨具的微波制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶瓷磨具制备领域，涉及一种纳米陶瓷结合剂CBN磨具的制备方法。所述的制备方法包括以下步骤：a、按配方称取滑石、高岭土或蒙脱土、四硼酸钠或硼酸、石英粉或硅酸、萤石或碳酸钙，将其混合、研磨、过筛，得到混合料；b、将步骤a制得的混合料压块、熔炼、水淬，得到玻璃料；c、将步骤b制得的产物干燥、研磨、过筛，得到基础陶瓷结合剂；d、将步骤c获得的产物中加入纳米碳化钒/铬复合粉末，然后与CBN和白刚玉进行混合，加入临时粘结剂，混匀，密封放置12h；e、将步骤d得到混合料制成磨具毛坯，用微波炉烧结，制得的纳米陶瓷结合剂CBN磨具。本方法具有烧成温度低、烧成速度快、节约能源等特点，易于工业化生产。

Description

一种纳米陶瓷结合剂CBN磨具的微波制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷磨具制备技术领域，具体涉及一种纳米陶瓷结合剂CBN磨具的微波制备方法。
背景技术
陶瓷结合剂CBN磨具中CBN磨粒的优良性能能否充分发挥，对磨具的磨削效果有很大的影响。而陶瓷结合剂的把持力对这一性能起决定性作用。因此，在研究陶瓷结合剂CBN磨具过程中，陶瓷结合剂性能的好坏是一个至关重要的因素。目前，国内的陶瓷结合剂CBN磨具在使用性能上和国外有很大的差距，和陶瓷结合剂的选择与制备工艺有很大关系。
为了使陶瓷结合剂CBN磨具的使用性能得到很好的改善，科学家们对陶瓷结合剂的选择和制备工艺进行了大量的研究。纳米陶瓷结合剂具有强度高、比表面积大、韧性好、粒度小、烧结温度低等优良性能。将它有应用于陶瓷结合剂磨具中，有望解决目前传统陶瓷结合剂烧结温度高、强度低等缺陷，从而提高陶瓷结合剂CBN磨具的性能。通过研究表明，在微米级的陶瓷基体中加入纳米分散相制备出的陶瓷结合剂，其抗折强度和韧性都有很大程度地提高。纳米碳化钒具有高熔点、高硬度、高耐磨等各种优良性能。
纳米碳化钒具有扩散系数低，键合能力强等优点。纳米碳化铬具有高的硬度、强度、耐腐蚀性和低密度等特点，广泛应用于轴承、喷嘴、高温炉、密封件和金属加工磨具等工业生产中。纳米碳化钒/铬复合材料作为一种新材料，综合了纳米碳化钒和纳米碳化铬的优势，是陶瓷结合剂CBN磨具的有效添加剂。
微波烧结法能快速均匀地加热材料而不会引起结合剂开裂或在结合剂内形成热应力，使纳米陶瓷结合剂内部形成均匀的细晶结构，进而改善陶瓷结合剂的性能，增强CBN磨具的强度，提高磨具的使用和加工性能。另外，采用微波烧结能够降低烧结温度，缩短烧结时间，且制备的陶瓷组织均匀、致密。
因此，为了更好地提高陶瓷结合剂CBN磨具的性能，有必要探索一种可实现低温、快速制备纳米陶瓷结合剂CBN磨具的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备纳米陶瓷结合剂CBN磨具的新方法，以便得到性能优良的CBN磨具，使得CBN磨具更满足加工工业的高速、高效、高精度磨削的迫切求。该方法具有节约能源、降低生产成本，且工艺简单等特点。
为实现上述目的本发明采用的技术方案是一种纳米陶瓷结合剂CBN磨具的微波制备方法，包括以下步骤：
a、按质量百分比取30～45％的滑石、10～15％的高岭土或蒙脱土、10～25％的四硼酸钠或硼酸、20~30%的石英粉或硅酸、5～13％的萤石或碳酸钙混匀，研磨后过100～200目筛，混合得到陶瓷结合剂原料；
b、将步骤a制得的陶瓷结合剂原料压制成型，放入高温炉内升温至1400～1500℃，
并1400～1500℃条件下进行1～4h的熔炼，然后用水淬法将原料急冷，得到玻璃料；
c、将步骤b制得的玻璃料于电热鼓风干燥箱中在80～120℃条件下鼓风干燥10～12h，研磨，过200～400目筛，得到基础陶瓷结合剂；
d、将步骤c获得的基础陶瓷结合剂，加入基础陶瓷结合剂质量0%~6%的纳米碳化钒/铬复合粉末，混匀，再加入CBN（立方氮化硼）和白刚玉，加入糊精溶液作为临时粘结剂，混匀，密封放置12h；
e、将步骤d得到的混合料压制成磨具毛坯，用微波烧结炉进行烧结，制得本发明的纳米陶瓷结合剂CBN磨具。
优选的，所述步骤d中CBN的加入质量为基础陶瓷结合剂质量的1.3~1.5倍，白刚玉的加入质量为基础陶瓷结合剂质量的1.3~1.5倍。进一步优选的，CBN和白刚玉的加入总质量为基础陶瓷结合剂质量的2.8倍。
优选的，所述步骤d中加入糊精溶液的质量为基础陶瓷结合剂质量的15~20%。
优选的，所述步骤d中加入糊精溶液的浓度为20%-40%（质量百分比）。
优选的，所述步骤b中的升温速率为3~5℃/min。
优选的，纳米碳化钒/铬复合粉末中碳化钒与碳化铬的质量比为1:1。
本发明所述混匀、研磨是在高能球磨机、滚动球磨机和研磨机中一种设备中进行。
优选的，所述微波炉烧结温度为700～850℃、烧结时间为20min～1h。
本发明相比现有制备陶瓷结合剂cBN磨具的方法，具有如下有益效果：
（1）烧成温度低，烧成时间短，节约能源。相对传统常压烧结陶瓷结合剂的方法，本合成方法可以大幅度降低反应温度，缩短反应时间，有效节约能源；
（2）烧成磨具样品结构均匀，微波烧结法具有内外同步加热的效果，制得的磨具不易开裂或形成内部热应力；
（3）性能优异，本发明制得的CBN磨具具有抗弯强度大、硬度高、磨削性能好、使用寿命长等优点；结合剂的耐火度为650～800℃，流动性为150.4%～158.8%，磨具抗折强度为57～86Mpa；该法制得的纳米陶瓷结合剂流动性好、气孔均匀，与磨粒间把持力大，制得的磨具磨削性能好，应用前景广阔。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种纳米陶瓷结合剂CBN磨具的微波制备方法，包括以下步骤：
a、称取石英22.0g、滑石35.0g、高岭土15.0g、萤石8.0g和四硼酸钠20.0g，混匀，研磨后过200目筛，混合得到陶瓷结合剂原料；
b、将步骤a制得的陶瓷结合剂原料压制成“8”字块，放入高温炉内以升温速率为5℃/min升温至1500℃，并于1500℃下保温4h，然后用水淬法将原料急冷，得到玻璃料；
c、将步骤b制得的玻璃料于电热鼓风干燥箱中在80℃条件下鼓风干燥12h，研磨，过200目筛，得到基础陶瓷结合剂；
d、取步骤c获得的基础陶瓷结合剂20g，加入0.4g纳米碳化钒/铬复合粉末（碳化钒与碳化铬的质量比为1:1），混匀，再加入28g CBN（立方氮化硼）和28g白刚玉，加入4g糊精溶液（质量百分比浓度为20%）作为临时粘结剂，混匀，密封放置12h；
e、将步骤d得到的混合料压制成磨具毛坯，用微波烧结炉进行烧结（烧结温度为750℃、烧结时间为1h），制得本发明的纳米陶瓷结合剂CBN磨具。
分别测定结合剂的耐火度、流动性和磨具的抗折强度。结果显示：结合剂的耐火度为700℃，流动性为156.2%，磨具抗折强度为78MPa。
实施例2
一种纳米陶瓷结合剂CBN磨具的微波制备方法，包括以下步骤：
a、称取硅酸40.0g、滑石86.0g、蒙脱土20.0g、碳酸钙14.0g和硼酸40.0g，混匀，研磨后过200目筛，混合得到陶瓷结合剂原料；
b、将步骤a制得的陶瓷结合剂原料压制成“8”字块，放入高温炉内以升温速率为4℃/min升温至1500℃，并于1500℃条件下保温2h，然后用水淬法将原料急冷，得到玻璃料；
c、将步骤b制得的玻璃料于电热鼓风干燥箱中在120℃条件下鼓风干燥10h，研磨，过400目筛，得到基础陶瓷结合剂；
d、取步骤c获得的基础陶瓷结合剂20g，加入0.6g纳米碳化钒/铬复合粉末（碳化钒与碳化铬的质量比为1:1），混匀，再加入30g CBN（立方氮化硼）和26g白刚玉，加入4g糊精溶液（质量百分比浓度为25%）作为临时粘结剂，混匀，密封放置12h；
e、将步骤d得到的混合料压制成磨具毛坯，用微波烧结炉进行烧结（烧结温度为700℃、烧结时间为30min），制得本发明的纳米陶瓷结合剂CBN磨具。
分别测定结合剂的耐火度、流动性和磨具的抗折强度。结果显示：结合剂的耐火度为650℃，流动性为158.8%，磨具抗折强度为86MPa。
实施例3
一种纳米陶瓷结合剂CBN磨具的微波制备方法，包括以下步骤：
a、称取石英60.0g、滑石60.0g、高岭土30.0g、萤石26.0g和四硼酸钠24.0g，混匀，研磨后过200目筛，混合得到陶瓷结合剂原料；
b、将步骤a制得的陶瓷结合剂原料压制成“8”字块，放入高温炉内以升温速率为3℃/min升温至1500℃，并于1500℃条件下保温1h，然后用水淬法将原料急冷，得到玻璃料；
c、将步骤b制得的玻璃料于电热鼓风干燥箱中在100℃条件下鼓风干燥11h，研磨，过300目筛，得到基础陶瓷结合剂；
d、取步骤c获得的基础陶瓷结合剂20g，加入26g CBN（立方氮化硼）和30g白刚玉，加入3g糊精溶液（质量百分比浓度为30%）作为临时粘结剂，混匀，密封放置12h；
e、将步骤d得到的混合料压制成磨具毛坯，用微波烧结炉进行烧结（烧结温度为850℃、烧结时间为20min），制得本发明的纳米陶瓷结合剂CBN磨具。
分别测定结合剂的耐火度、流动性和磨具的抗折强度。结果显示：结合剂的耐火度为800℃，流动性为150.4%，磨具抗折强度为57MPa。
实施例4
一种纳米陶瓷结合剂CBN磨具的微波制备方法，包括以下步骤：
a、称取石英50.0g、滑石70.0g、蒙脱土24.0g、碳酸钙16.0g和硼酸40.0g，混匀，研磨后过200目筛，混合得到陶瓷结合剂原料；
b、将步骤a制得的陶瓷结合剂原料压制成“8”字块，放入高温炉内以升温速率为4℃/min升温至1500℃，并于1500℃条件下保温3h，然后用水淬法将原料急冷，得到玻璃料；
c、将步骤b制得的玻璃料于电热鼓风干燥箱中在90℃条件下鼓风干燥12h，研磨，过400目筛，得到基础陶瓷结合剂；
d、取步骤c获得的基础陶瓷结合剂20g，加入1.2g纳米碳化钒/铬复合粉末（碳化钒与碳化铬的质量比为1:1），混匀，再加入30g CBN（立方氮化硼）和26g白刚玉，加入4g糊精溶液（质量百分比浓度为40%）作为临时粘结剂，混匀，密封放置12h；
e、将步骤d得到的混合料压制成磨具毛坯，用微波烧结炉进行烧结（烧结温度为800℃、烧结时间为40min），制得本发明的纳米陶瓷结合剂CBN磨具。
分别测定结合剂的耐火度、流动性和磨具的抗折强度。结果显示：结合剂的耐火度为750℃，流动性为152.6%，磨具抗折强度为65MPa。
对比例1
以实施例2作为对比，在其它条件不变情况下，当添加的纳米碳化钒/铬复合粉末中碳化钒与碳化铬的质量比为1：2时，结合剂的耐火度为680℃，流动性为154.2%，磨具抗折强度为72MPa。
对比例2
以实施例2作为对比，在其它条件不变情况下，当添加的纳米碳化钒/铬复合粉末中碳化钒与碳化铬的质量比为2：1时，结合剂的耐火度为710℃，流动性为153.6%，磨具抗折强度为68MPa。
对比例3
以实施例2作为对比，在其它条件不变情况下，将纳米碳化钒/铬复合粉末改为纳米碳化钒时，结合剂的耐火度为725℃，流动性为152.3%，磨具抗折强度为61MPa。
对比例4
以实施例2作为对比，在其它条件不变情况下，将纳米碳化钒/铬复合粉末改为纳米碳化铬时，结合剂的耐火度为713℃，流动性为152.8%，磨具抗折强度为64MPa。
通过对比我们可以发现，利用纳米氮化钒/氮化铬复合粉末对粘接剂进行改性的效果，明显优于单独使用纳米氮化钒或氮化铬的改性效果，并且纳米氮化钒与氮化铬的质量比为1：1时，改性效果最佳。说明按照本发明制得的产品在抗折强度、磨削性能等方面都表现优异。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (1)

1.一种纳米陶瓷结合剂CBN磨具的微波制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、按质量百分比取30～45％的滑石、10～15％的高岭土或蒙脱土、10～25％的四硼酸钠或硼酸、20～30％的石英或硅酸、5～13％的萤石或碳酸钙混匀，研磨后过100～200目筛，混合得到陶瓷结合剂原料；
b、将步骤a制得的陶瓷结合剂原料压制成型，放入高温炉内升温至1400～1500℃，并1400～1500℃条件下保温1～4h，然后用水淬法将原料急冷，得到玻璃料；
c、将步骤b制得的玻璃料在80～120℃条件下鼓风干燥10～12h，研磨，过200～400目筛，得到基础陶瓷结合剂；
d、取步骤c获得的基础陶瓷结合剂，加入基础陶瓷结合剂质量2％～6％的纳米碳化钒/铬复合粉末，纳米碳化钒/铬复合粉末中碳化钒与碳化铬的质量比为1∶1，混匀，再加入CBN和白刚玉，加入粘结剂，混匀，密封放置12h；
e、将步骤d得到的混合料压制成磨具毛坯，用微波烧结炉进行烧结，烧结温度为700～750℃、烧结时间为20min～1h，制得本发明的纳米陶瓷结合剂CBN磨具；
所述步骤b中的升温速率为3～5℃/min；
所述粘结剂为糊精溶液；
所述步骤d中加入糊精溶液的质量为基础陶瓷结合剂质量的15～20％，加入糊精溶液的浓度为25％-40％；
所述步骤d中CBN的加入质量为基础陶瓷结合剂质量的1.3～1.5倍，白刚玉的加入质量为基础陶瓷结合剂质量的1.3～1.5倍；
CBN和白刚玉的加入总质量为基础陶瓷结合剂质量的2.8倍。
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