CN109202750B - 一种中空堆积磨粒及其制备方法、超硬磨具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中空堆积磨粒及其制备方法、超硬磨具，属于超硬材料技术领域。本发明的中空堆积磨粒包括壳体以及位于壳体内部的中空腔体，所述壳体包括磨料及结合剂。本发明的中空堆积磨粒的制备方法，包括如下步骤：将磨料、结合剂、有机微球、造粒粘结剂混合均匀，造粒，烧结，即得。本发明的中空堆积磨粒包括中空腔体，形成了具有空心结构的磨粒微球，改善了堆积磨粒的结合强度，降低了堆积磨粒的制造繁杂程度，由于磨粒中不包含空心微珠，采用这种磨粒的磨具在使用过程中不会对工件造成损害。

Description

一种中空堆积磨粒及其制备方法、超硬磨具
技术领域
本发明涉及一种中空堆积磨粒及其制备方法、超硬磨具，属于超硬材料技术领域。
背景技术
堆积磨粒(堆积磨料)是采用粘结剂将多颗磨粒结合起来，经过特殊的制造工艺制备而成的一种复合磨粒。堆积磨粒对于改善固结磨具的磨削效率、提高磨粒的自锐性、延长磨具的使用寿命等方面有较大的技术优势，越来越受到磨粒和磨具制造厂家的重视。其中，金刚石微粉堆积磨粒被广泛地应用于涂附磨具的制造中，近年来也开始逐步在固结磨具中应用。
目前金刚石微粉堆积磨粒的生产制造工艺常用的有两种方法，一种是直接采用粘结剂粘结，如申请公布号为CN107722935A的中国发明专利申请公开了一种球形金刚石堆积磨料及其制造方法，该堆积磨料包括作为磨料的金刚石微粉及粘结剂和水，其制备时采用聚乙烯醇等将磨粒颗粒经过造粒、固化、研磨工序制备成堆积磨料。采用这种方法制备的堆积磨料，其颗粒之间的结合强度较低，在磨削过程中大部分磨料会以整颗磨粒的形式脱落而不能充分发挥其磨削性能。
另一种方法是采用溶胶凝胶法，将磨料颗粒均匀分散在试剂中，经过反应、造粒过程制得。如申请公布号为CN106926146A的中国发明专利申请公开了一种纳米结合超硬微粉堆积磨料的制备方法，该方法先制备二氧化硅溶胶，然后将超硬粉体与二氧化硅溶胶混合均匀制备表面氧化硅处理的超硬微粉；在二氧化硅溶胶中加入盐溶液，制备纳米陶瓷溶胶；将表面氧化硅处理的超硬微粉、纳米陶瓷溶胶与聚乙烯醇混合，热处理后得到纳米结合的超硬堆积磨料。又如申请公布号为CN103273434A的中国发明专利申请公开了一种超细金刚石陶瓷结合剂堆积磨料的制备方法，通过将铝溶胶、硅溶胶和盐制备溶胶液，然后加入金刚石微粉进行造粒，煅烧即得。这种方法的制备过程较为复杂，需要引入众多的化学试剂，且烧结温度较高，势必会对磨粒特别是对金刚石微粉磨料造成损害。
上述两种方法得到的堆积磨粒均为实心结构，在进行一些特种材料加工时，还是会出现粘屑和堵塞砂轮的状况，造成工件表面出现损伤。中空堆积磨粒作为堆积磨粒的一种，可以在固结磨具中提供微孔结构，为磨屑提供容纳空间，对于改善工件的加工质量有积极影响。
申请公布号为CN105666347A的中国发明专利申请公开了一种陶瓷堆积磨料及其制备方法，其主要采用空心微珠作为载体制备空心陶瓷堆积磨料，制备过程中，先采用滚动成球法在空心微珠的表面包裹临时粘结剂及其粘结的微粉级磨料和陶瓷结合剂粉体，形成堆积磨料坯体，然后高温煅烧制成陶瓷堆积磨料。这种结构中所用的空心微珠在磨削时会对一些精密工件造成较大的伤害，工件表面容易出现划伤等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中空堆积磨粒，以解决现有技术中的堆积磨料易对工件造成损伤的技术问题。
本发明的目的还在于提供一种中空堆积磨粒的制备方法，该制备方法所用原料较少，制备工艺简单。
本发明的目的还在于提供一种采用上述中空堆积磨粒的超硬磨具。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种中空堆积磨粒，包括壳体以及位于壳体内部的中空腔体，所述壳体包括磨料及结合剂。
本发明的中空堆积磨粒包括中空腔体，形成了具有空心结构的磨粒微球，改善了堆积磨粒的结合强度，降低了堆积磨粒的制造繁杂程度，由于磨粒中不包含空心微珠，采用这种磨粒的磨具在使用过程中不会对工件造成损害。
所述磨料与结合剂的质量比为5-50:5-25。
所述磨料为金刚石。
所述磨料的粒径不超过W40。即磨料的粒径不超过50μm。
所述结合剂为陶瓷结合剂。所述结合剂的粒径为不大于20μm。
所述结合剂包括如下摩尔份数的组分：10-15份的氧化钠(Na2O)、15-30份的氧化硼(B2O3)、30-45份的二氧化硅(SiO2)、2-5份的氧化锂(Li2O)、1-10份的氧化锌(ZnO)。
一种中空堆积磨粒的制备方法，包括如下步骤：将磨料、结合剂、有机微球、造粒粘结剂混合均匀，造粒，烧结，即得。
本发明的制备方法中使用的原料较少，制备过程工艺简单，容易控制，便于最终生成中空的堆积磨粒。
上述磨料、结合剂、有机微球、造粒粘结剂的量可以根据实际需求进行调整，一般的，为了保证磨料在中空腔体外的分布，所述磨料、有机微球的质量比为5-50:2-15。所述磨料与造粒粘结剂的质量比为5-50:1-5。所述磨料与结合剂的质量比为5-50:5-25。
所述有机微球为聚合物微球。优选的，所述有机微球为聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球。
有机微球的粒径可以根据所需的中空堆积磨粒内的腔体的大小进行选择，一般的，所述有机微球的粒径为10-500μm。
所述磨料为金刚石。
所述结合剂为陶瓷结合剂。所述结合剂包括如下摩尔份数的组分：10-15份的氧化钠(Na2O)、15-30份的氧化硼(B2O3)、30-45份的二氧化硅(SiO2)、2-5份的氧化锂(Li2O)、1-10份的氧化锌(ZnO)。
所述结合剂的粒径为不大于20μm。
所述造粒粘结剂为水玻璃、酚醛树脂液中的一种。
所述将磨料、结合剂、有机微球、造粒粘结剂混合均匀是将磨料和结合剂球磨1h以混合均匀，然后加入有机微球，混合均匀。所述造粒是加入造粒粘结剂，采用滚动成球的方式造粒。
所述烧结为埋砂烧结。
所述烧结为在250-350℃保温0.5-3h，然后在450-550℃保温0.5-1.5h。在250-350℃保温0.5-3h之前在100℃保温2h。在450-550℃保温0.5-1.5h之后冷却。所述冷却是随炉冷却。所述冷却后进行过筛。
所述结合剂采用包括如下步骤的制备方法制得：将氧化钠(Na2O)、氧化硼(B2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化锂(Li2O)、氧化锌(ZnO)混合均匀后，1300℃烧结1-10h，即得。所述混合均匀是球磨24h。1300℃烧结1-10h后进行急冷。所述急冷是在冰水混合物中进行急冷。
一种超硬磨具，包括固结磨料及固结结合剂，所述固结磨料为上述的中空堆积磨粒。
本发明的有益效果是：
本发明的中空堆积磨粒具有中空结构，该中空结构可以为磨具磨削过程中产生的磨屑提供容纳空间，且可以强化磨削区的冷却液带入量。本发明的中空堆积磨粒能够改善堆积磨粒的结合强度，降低堆积磨料的制造繁杂程度，避免固结磨具使用过程中对工件的损害。本发明的中空堆积磨粒的外壁厚度可控，便于堆积磨粒自身强度的调控、改善堆积磨粒的破碎性能，进而改变其磨削性能。
本发明的中空堆积磨粒制备所用的物料相对单一，没有引入过多的化学物质，且制备方法简单易行，过程控制不繁琐。
本发明的堆积磨粒的结合剂对磨粒的包裹能力较强，有利于提升磨具的寿命和切削效率。本发明所用的陶瓷结合剂流动性好，烧结温度低，不会对金刚石微粉产生负面影响。
附图说明
图1为实施例1中的中空堆积磨粒的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的中空堆积磨粒包括壳体以及位于壳体内部的中空腔体1，该壳体包括均匀分散并结合在一起的磨料2以及结合剂3，磨料2与结合剂3的质量比为5：15。磨料为粒径为W40的金刚石微粉，结合剂为陶瓷结合剂，该陶瓷结合剂由摩尔比为10：15：45：5：1的Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO组成。
本实施例的陶瓷结合剂的制备方法包括如下步骤：按照摩尔比10：15：45：5：1称取Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO物料混合均匀，然后加入球磨机中球磨24h，转入坩埚中，放入熔炼炉中以1300℃冶炼10h后，取出，置于冰水中急冷，得到陶瓷结合剂熔融体，然后将陶瓷结合剂熔融体破碎，球磨粉碎，过筛得到粒径不大于20微米的陶瓷结合剂微粉。
本实施例的中空堆积磨粒的制备方法包括如下步骤：
1)按照质量比为5:15:15:5称取磨料、聚苯乙烯微球、陶瓷结合剂、水玻璃，磨料为粒径为W40的金刚石微粉，陶瓷结合剂为上述陶瓷结合剂微粉，聚苯乙烯微球粒径为150μm。
2)将磨料金刚石微粉和陶瓷结合剂微粉球磨1h以混合均匀，然后加入聚苯乙烯微球，机械混合均匀，加入水玻璃，采用滚动成球的方式造粒。
3)将步骤2)造粒得到的颗粒采用埋砂烧结的方式在烧结炉中进行烧结，烧结条件为：先从室温升温至100℃，保温2h，然后升温至250℃，保温3h，然后再升温至450℃，保温30min，之后随炉冷却至室温，筛分得到所需粒度的中空堆积磨粒。
本实施例的超硬磨具为固结磨具，包括固结磨料及固结结合剂，固结磨料为上述的中空堆积磨粒，固结结合剂为陶瓷结合剂或树脂结合剂。
实施例2
本实施例的中空堆积磨粒包括壳体以及位于壳体内部的中空腔体，该壳体包括均匀分散并结合在一起的磨料以及结合剂，磨料与结合剂的质量比为15：25。磨料为粒径为W14的金刚石微粉，结合剂为陶瓷结合剂，该陶瓷结合剂由摩尔比为12：20：35：2：5的Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO组成。
本实施例的陶瓷结合剂的制备方法包括如下步骤：按照摩尔比12：20：35：2：5称取Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO物料混合均匀，然后加入球磨机中球磨24h，转入坩埚中，放入熔炼炉中以1300℃冶炼10h后，取出，置于冰水中急冷，得到陶瓷结合剂熔融体，然后将陶瓷结合剂熔融体破碎，球磨粉碎，过筛得到粒径不大于15微米的陶瓷结合剂微粉。
本实施例的中空堆积磨粒的制备方法包括如下步骤：
1)按照质量比为15:2:25:5称取磨料、聚苯乙烯微球、陶瓷结合剂、水玻璃，磨料为粒径为W14的金刚石微粉，陶瓷结合剂为上述陶瓷结合剂微粉，聚苯乙烯微球粒径为100μm。
2)将磨料金刚石微粉和陶瓷结合剂微粉球磨1h以混合均匀，然后加入聚苯乙烯微球，机械混合均匀，加入水玻璃，采用滚动成球的方式造粒。
3)将步骤2)造粒得到的颗粒采用埋砂烧结的方式在烧结炉中进行烧结，烧结条件为：先从室温升温至100℃，保温2h，然后升温至300℃，保温3h，然后再升温至500℃，保温60min，之后随炉冷却至室温，筛分得到所需粒度的中空堆积磨粒。
本实施例的超硬磨具为固结磨具，包括固结磨料及固结结合剂，固结磨料为上述的中空堆积磨粒，固结结合剂为陶瓷结合剂。
实施例3
本实施例的中空堆积磨粒包括壳体以及位于壳体内部的中空腔体，该壳体包括均匀分散并结合在一起的磨料以及结合剂，磨料与结合剂的质量比为18：20。磨料为粒径为W7的金刚石微粉，结合剂为陶瓷结合剂，该陶瓷结合剂由摩尔比为15：25：35：5：8的Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO组成。
本实施例的陶瓷结合剂的制备方法包括如下步骤：按照摩尔比15：25：35：5：8称取Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO物料混合均匀，然后加入球磨机中球磨24h，转入坩埚中，放入熔炼炉中以1300℃冶炼10h后，取出，置于冰水中急冷，得到陶瓷结合剂熔融体，然后将陶瓷结合剂熔融体破碎，球磨粉碎，过筛得到粒径不大于10微米的陶瓷结合剂微粉。
本实施例的中空堆积磨粒的制备方法包括如下步骤：
1)按照质量比为18:15:20:5称取磨料、聚苯乙烯微球、陶瓷结合剂、水玻璃，磨料为粒径为W7的金刚石微粉，陶瓷结合剂为上述陶瓷结合剂微粉，聚苯乙烯微球粒径为10μm。
2)将磨料金刚石微粉和陶瓷结合剂微粉球磨1h以混合均匀，然后加入聚苯乙烯微球，机械混合均匀，加入水玻璃，采用滚动成球的方式造粒。
3)将步骤2)造粒得到的颗粒采用埋砂烧结的方式在烧结炉中进行烧结，烧结条件为：先从室温升温至100℃，保温2h，然后升温至350℃，保温3h，然后再升温至550℃，保温90min，之后随炉冷却至室温，筛分得到所需粒度的中空堆积磨粒。
本实施例的超硬磨具为固结磨具，包括固结磨料及固结结合剂，固结磨料为上述的中空堆积磨粒，固结结合剂为陶瓷结合剂。
实施例4
本实施例的中空堆积磨粒包括壳体以及位于壳体内部的中空腔体，该壳体包括均匀分散并结合在一起的磨料以及结合剂，磨料与结合剂的质量比为30：25。磨料为粒径为W5的金刚石微粉，结合剂为陶瓷结合剂，该陶瓷结合剂由摩尔比为15：30：45：5：1的Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO组成。
本实施例的陶瓷结合剂的制备方法包括如下步骤：按照摩尔比15：30：45：5：1称取Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO物料混合均匀，然后加入球磨机中球磨24h，转入坩埚中，放入熔炼炉中以1300℃冶炼10h后，取出，置于冰水中急冷，得到陶瓷结合剂熔融体，然后将陶瓷结合剂熔融体破碎，球磨粉碎，过筛得到粒径不大于5微米的陶瓷结合剂微粉。
本实施例的中空堆积磨粒的制备方法包括如下步骤：
1)按照质量比为30:15:25:1称取磨料、聚苯乙烯微球、陶瓷结合剂、水玻璃，磨料为粒径为W5的金刚石微粉，陶瓷结合剂为上述陶瓷结合剂微粉，聚苯乙烯微球粒径为300μm。
2)将磨料金刚石微粉和陶瓷结合剂微粉球磨1h以混合均匀，然后加入聚苯乙烯微球，机械混合均匀，加入水玻璃，采用滚动成球的方式造粒。
3)将步骤2)造粒得到的颗粒采用埋砂烧结的方式在烧结炉中进行烧结，烧结条件为：先从室温升温至100℃，保温2h，然后升温至300℃，保温3h，然后再升温至500℃，保温90min，之后随炉冷却至室温，筛分得到所需粒度的中空堆积磨粒。
本实施例的超硬磨具为固结磨具，包括固结磨料及固结结合剂，固结磨料为上述的中空堆积磨粒，固结结合剂为树脂结合剂。
实施例5
本实施例的中空堆积磨粒包括壳体以及位于壳体内部的中空腔体，该壳体包括均匀分散并结合在一起的磨料以及结合剂，磨料与结合剂的质量比为40：18。磨料为粒径为W1.5的金刚石微粉，结合剂为陶瓷结合剂，该陶瓷结合剂由摩尔比为15：18：35：2：7的Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO组成。
本实施例的陶瓷结合剂的制备方法包括如下步骤：按照摩尔比15：18：35：2：7称取Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO物料混合均匀，然后加入球磨机中球磨24h，转入坩埚中，放入熔炼炉中以1300℃冶炼10h后，取出，置于冰水中急冷，得到陶瓷结合剂熔融体，然后将陶瓷结合剂熔融体破碎，球磨粉碎，过筛得到粒径不大于5微米的陶瓷结合剂微粉。
本实施例的中空堆积磨粒的制备方法包括如下步骤：
1)按照质量比为40:8:18:4称取磨料、聚甲基丙烯酸甲酯微球、陶瓷结合剂、水玻璃，磨料为粒径为W1.5的金刚石微粉，陶瓷结合剂为上述陶瓷结合剂微粉，聚甲基丙烯酸甲酯微球粒径为400μm。
2)将磨料金刚石微粉和陶瓷结合剂微粉球磨1h以混合均匀，然后加入聚苯乙烯微球，机械混合均匀，加入水玻璃，采用滚动成球的方式造粒。
3)将步骤2)造粒得到的颗粒采用埋砂烧结的方式在烧结炉中进行烧结，烧结条件为：先从室温升温至100℃，保温2h，然后升温至300℃，保温3h，然后再升温至500℃，保温90min，之后随炉冷却至室温，筛分得到所需粒度的中空堆积磨粒。
本实施例的超硬磨具为固结磨具，包括固结磨料及固结结合剂，固结磨料为上述的中空堆积磨粒，固结结合剂为树脂结合剂。
实施例6
本实施例的中空堆积磨粒包括壳体以及位于壳体内部的中空腔体，该壳体包括均匀分散并结合在一起的磨料以及结合剂，磨料与结合剂的质量比为38：14。磨料为粒径为W0.5的金刚石微粉，结合剂为陶瓷结合剂，该陶瓷结合剂由摩尔比为15：18：35：2：7的Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO组成。
本实施例的陶瓷结合剂的制备方法包括如下步骤：按照摩尔比15：18：35：2：7称取Na2O、B2O3、SiO2、Li2O、ZnO物料混合均匀，然后加入球磨机中球磨24h，转入坩埚中，放入熔炼炉中以1300℃冶炼10h后，取出，置于冰水中急冷，得到陶瓷结合剂熔融体，然后将陶瓷结合剂熔融体破碎，球磨粉碎，过筛得到粒径不大于5微米的陶瓷结合剂微粉。
本实施例的中空堆积磨粒的制备方法包括如下步骤：
1)按照质量比为38:15:14:4称取磨料、聚甲基丙烯酸甲酯微球、陶瓷结合剂、酚醛树脂，磨料为粒径为W0.5的金刚石微粉，陶瓷结合剂为上述陶瓷结合剂微粉，聚甲基丙烯酸甲酯微球粒径为500μm。
2)将磨料金刚石微粉和陶瓷结合剂微粉球磨1h以混合均匀，然后加入聚苯乙烯微球，机械混合均匀，加入水玻璃，采用滚动成球的方式造粒。
3)将步骤2)造粒得到的颗粒采用埋砂烧结的方式在烧结炉中进行烧结，烧结条件为：先从室温升温至100℃，保温2h，然后升温至300℃，保温3h，然后再升温至500℃，保温90min，之后随炉冷却至室温，筛分得到所需粒度的中空堆积磨粒。
本实施例的超硬磨具为固结磨具，包括固结磨料及固结结合剂，固结磨料为上述的中空堆积磨粒，固结结合剂为陶瓷结合剂。
实施例1-实施例6制备的中空堆积磨粒质量可靠，性能优良且工艺稳定。选取实施例1-6中所制备的粒度为0.5-40微米的中空堆积磨粒，与作为对比的金刚石微粉，分别制备金刚石微粉砂轮，对硅基晶圆进行磨削加工。实施例中1-6的中空堆积磨粒加工的硅基晶圆的表面粗糙度Ra分别为0.28μm、0.14μm、0.03μm、10nm、5nm和3nm，且非常均匀。而为了对照所选取的对应粒度的金刚石微粉砂轮加工的表面粗糙度起伏较大，最小粗糙度仅为20nm，且加工过程中砂轮易出现堵塞，造成砂轮的磨削适量下降。

Claims (5)

1.一种超硬磨具，包括固结的 磨料及固结的 结合剂，其特征在于，所述固结的 磨料为中空堆积磨粒；
所述中空堆积磨粒，包括壳体以及位于壳体内部的中空腔体，所述壳体包括磨料及结合剂；所述磨料为金刚石；所述结合剂为陶瓷结合剂；
所述中空堆积磨粒的制备方法，包括如下步骤：将磨料、结合剂、有机微球、造粒粘结剂混合均匀，造粒，烧结，即得；所述有机微球为聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球；所述造粒粘结剂为水玻璃、酚醛树脂液中的一种。
2.如权利要求1所述的超硬磨具，其特征在于，所述磨料与结合剂的质量比为5-50:5-25。
3.如权利要求1所述的超硬磨具，其特征在于，所述结合剂包括如下摩尔份数的组分：10-15份的Na2O、15-30份的B2O3、30-45份的SiO2、2-5份的Li2O、1-10份的ZnO。
4.如权利要求1所述的超硬磨具，其特征在于，所述磨料、有机微球的质量比为5-50:2-15。
5.如权利要求1所述的超硬磨具，其特征在于，所述磨料与造粒粘结剂的质量比为5-50:1-5。
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