CN109609088A - 一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒、其制备方法及应用 - Google Patents

一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒、其制备方法及应用。所述颗粒由硅和铝组成,所述硅与铝的重量比为45‑80:20‑55;所述颗粒的平均粒径为10‑500μm,所述颗粒中的硅以初生硅的形态存在,所述初生硅的粒径为1‑10μm。本发明所述颗粒用于超硬磨料树脂结合剂砂轮的二级磨料,能够对工件起到很好的辅助性磨削作用,且磨削期间更易从树脂结合剂上脱落,因而能够有效控制超硬磨料的出刃高度,维持砂轮的自锐性。同时,本发明通过使用相对粗的颗粒粒度,解决了现有技术使用细粒度二级磨料存在的工艺和技术问题,为砂轮的设计带来了更大的自由度。

Description

一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒、其制备方法及应用
技术领域
本发明属于磨具技术领域,具体涉及一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒、其制备方法及应用。
背景技术
随着材料业的急速发展,超硬磨料树脂结合剂砂轮已取得越来越广泛的应用,超硬磨料树脂结合剂砂轮的原料组成包括:超硬磨料(金刚石、CBN)、树脂结合剂以及填料。
在超硬磨料树脂结合剂砂轮中,保持砂轮的自锐性,防止砂轮的钝化是很重要的。当磨削时产生的磨屑一旦呈弱研磨性,使得结合剂树脂磨损滞后于超硬磨料磨损,将造成磨削面上超硬磨料的出刃高度下降而使得砂轮钝化,磨削效率降低,严重时甚至丧失磨削效能(俗称的“打滑”)。砂轮钝化后需要用强研磨性材料进行修磨,以磨除结合剂树脂来提高超硬磨料的出刃高度,这一过程不仅耗时,同样也造成砂轮总体寿命下降。
通常采用混合型磨料方法来解决超硬磨料树脂结合剂砂轮钝化问题,即超硬磨料与二级磨料组合使用,其中,超硬磨料是指一类莫氏硬度为10级的磨料,例如金刚石、CBN或类金刚石硬度材料,二级磨料是指硬度低于超硬磨料的硬脆性材料,例如碳化硅、氧化铝等。超硬磨料起主要磨削作用,二级磨料的作用在于,一方面,当处于砂轮磨削面上时,对工件起到辅助性的磨削作用;另一方面,当从砂轮表面脱落时,能对砂轮表面的树脂和软质填料起到磨耗作用,使其同步于超硬磨料的磨耗率,由此保持超硬磨料在砂轮磨削面上合适的出刃高度,维持砂轮的自锐性。
将超硬磨料与二级磨料组合使用的原理在于,超硬磨料获得结合剂树脂的把持力强,而二级磨料获得结合剂树脂的把持力弱,二者共同起到磨削作用的同时,因二级磨料把持力弱,故而易于从树脂结合剂上脱落,脱落的二级磨料成为了磨屑,其对结合剂树脂的强力磨损,使得结合剂树脂的磨耗率同步于超硬磨料的磨耗率,因而维持了超硬磨料合适的出刃高度,保持了超硬磨料树脂结合剂砂轮的自锐性。而要达到这样的预期效果,超硬磨料和二级磨料的粒径之比至关重要,由于二级磨料粒径相对于超硬磨料过粗会导致脱落率下降,不能从根本上解决砂轮的钝化问题,现有技术多使用细粒度二级磨料,但是存在松装和压实密度偏低、细颗粒团聚造成偏析、砂轮组织出现沙眼和气孔等诸多缺陷。因此,当前还缺乏一种合适的二级磨料,来提高和改善超硬磨料树脂结合剂砂轮的性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒、其制备方法及应用。所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒用于超硬磨料树脂结合剂砂轮的二级磨料,既对工件起到很好的辅助性磨削作用,又易于从树脂结合剂上脱落,有效维持砂轮的自锐性,同时还解决了现有技术存在的工艺和技术问题,为砂轮的设计带来了更大的自由度。
本发明的技术方案为:
一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒,所述颗粒由硅和铝组成,所述硅与铝的重量比为45-80:20-55;所述颗粒的平均粒径为10-500μm,所述颗粒中的硅以初生硅的形态存在,所述初生硅的粒径为1-10μm。
在硅铝二元合金体系中,当硅含量﹤12%时,为共晶硅铝合金,超过12%为过共晶硅铝合金。当硅含量为45-80wt%时,硅的体积分数占据了合金的一半以上,因此称为过共晶硅铝合金,由于高的硅含量,使得本发明的高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的性质偏向于硅的性质,即呈硬脆性。如果硅含量低于45wt%,则颗粒中的硅含量偏低,偏向于铝的性质,作为二级磨料的硬脆性不够,如果硅含量超过80wt%,则对制作带来困难。
本发明中,高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的平均粒径为10-500μm,如果平均粒径小于10μm,因颗粒过细而失去本发明二级磨料的优势,如果平均粒径大于500μm,则会在超硬磨料树脂结合剂砂轮的磨削面上,出现二级磨料过于集中,起不到二级磨料的作用。
初生硅的含义,是指颗粒生成后就存在的硅晶粒形态,这种硅晶粒形态主要体现微观上硅晶粒的粗细,本申请发明人在研究中发现,所述初生硅晶粒的粒径大小由急速冷却工艺决定,始终处于1-10μm的范围,与高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的粒径大小无关。因此,不会受到超硬磨料与二级磨料之间的粒径比的限制,同时,由于比超硬磨料粒度细得多,且硬度相对低,因此,在磨削期间,不会对所加工材料的品质比如粗糙度等带来不利影响。
进一步地,所述颗粒的平均粒径为40-300μm。
进一步地,所述颗粒的平均粒径为80-200μm。
进一步地,所述初生硅呈细小晶粒状均匀分布于所述颗粒中。
一种制备所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的方法,包括如下步骤:
(1)将硅和铝混合后进行加热,得到合金熔体;
(2)将步骤(1)所述合金熔体通过中间包制成合金流束;
(3)用高压气体喷射步骤(2)所述合金流束,得到液滴,然后对所述液滴进行急速冷却,得到凝固的颗粒,经筛选,即得所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒。
进一步地,步骤(1)中,所述加热至温度为950-1350℃。
进一步地,步骤(3)中,所述急速冷却的冷却速度大于103K/sec。
进一步地,步骤(3)中,所述高压气体为高压惰性气体。
进一步地,所述惰性气体为氮气和/或氩气。
所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒在制备超硬磨料树脂结合剂砂轮的二级磨料中的应用。
本发明的有益效果为:
1、本发明所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒,通过提高所述合金颗粒中硅的含量,使得所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的脆性相应提高,因此磨削期间更易从树脂结合剂上脱落。作为二级磨料添加入超硬磨料树脂结合剂砂轮时,可以通过控制添加的数量和合金颗粒中硅的含量,来调节和控制辅助磨削和磨耗树脂的程度,从而起到有效控制超硬磨料的出刃高度,维持砂轮自锐性的作用。
2、本发明所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的平均粒径为10-500μm,作为二级磨料,所述粒径范围适合与砂轮所使用的常规粒度40-450μm的所有超硬磨料组合使用。同时,本发明通过使用相对粗的颗粒粒度,解决了现有技术使用细粒度二级磨料存在的工艺和技术问题,同时为砂轮的设计带来了更大的自由度。
附图说明
图1:本发明所述高过共晶硅铝合金的显微图片。
具体实施方式
下面通过具体实施例,对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒,原料组分包括:硅45%、铝55%,所述颗粒的平均粒径为10μm,所述颗粒中析出的初生硅的粒径为1-10μm。
进一步,提供一种制备所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的方法,包括如下步骤:
(1)将硅和铝混合后加热至温度为950℃,得到合金熔体;
(2)将所述合金熔体倾倒入中间包,使所述熔体由中间包底部的Φ5mm小孔流出成为合金流束,用柱塞阀控制所述合金流束以1.7kg/min的流量流入氮气气氛的雾化室;
(3)以2MPa的高压氮气喷射所述合金流束,得到液滴,然后以103K/sec的冷却速度进行急速冷却,得到凝固的颗粒,经筛选,即得平均粒径为10-500μm的所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒。
实施例2
本实施例提供一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒,原料组分包括:硅80%、铝20%,所述颗粒的平均粒径为500μm,所述颗粒中析出的初生硅的粒径为1-10μm。
进一步,提供一种制备所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的方法,包括如下步骤:
(1)将硅和铝混合后加热至温度为1350℃,得到合金熔体;
(2)将所述合金熔体倾倒入中间包,使所述熔体由中间包底部的Φ5mm小孔流出成为合金流束,用柱塞阀控制所述合金流束以3.3kg/min的流量流入氮气气氛的雾化室;
(3)以2MPa的高压氮气喷射所述合金流束,得到液滴,然后以104K/sec的冷却速度进行急速冷却,得到凝固的颗粒,经筛选,即得平均粒径为10-500μm的所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒。
实施例3
本实施例提供一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒,原料组分包括:硅60%、铝40%,所述颗粒的平均粒径为300μm,所述颗粒中析出的初生硅的粒径为1-10μm。
进一步,提供一种制备所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的方法,包括如下步骤:
(1)将硅和铝混合后加热至温度为1150℃,得到合金熔体;
(2)将所述合金熔体倾倒入中间包,使所述熔体由中间包底部的Φ5mm小孔流出成为合金流束,用柱塞阀控制所述合金流束以2.4kg/min的流量流入氮气气氛的雾化室;
(3)以2MPa的高压氮气喷射所述合金流束,得到液滴,然后以105K/sec的冷却速度进行急速冷却,得到凝固的颗粒,经筛选,即得平均粒径为10-500μm的所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒。
实施例4
本实施例提供一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒,原料组分包括:硅70%、铝30%,所述颗粒的平均粒径为200μm,所述颗粒中析出的初生硅的粒径为1-10μm。
进一步,提供一种制备所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的方法,包括如下步骤:
(1)将硅和铝混合后加热至温度为980℃,得到合金熔体;
(2)将所述合金熔体倾倒入中间包,使所述熔体由中间包底部的Φ5mm小孔流出成为合金流束,用柱塞阀控制所述合金流束以2.6kg/min的流量流入氮气气氛的雾化室;
(3)以2MPa的高压氮气喷射所述合金流束,得到液滴,然后以105K/sec的冷却速度进行急速冷却,得到凝固的颗粒,经筛选,即得平均粒径为10-500μm的所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒。
实施例5
本实施例提供一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒,原料组分包括:硅50%、铝50%,所述颗粒的平均粒径为80μm,所述颗粒中析出的初生硅的粒径为1-10μm。
进一步,提供一种制备所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的方法,包括如下步骤:
(1)将硅和铝混合后加热至温度为980℃,得到合金熔体;
(2)将所述合金熔体倾倒入中间包,使所述熔体由中间包底部的Φ5mm小孔流出成为合金流束,用柱塞阀控制所述合金流束以3.1kg/min的流量流入氮气气氛的雾化室;
(3)以2MPa的高压氮气喷射所述合金流束,得到液滴,然后以105K/sec的冷却速度进行急速冷却,得到凝固的颗粒,经筛选,即得平均粒径为10-500μm的所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒。图1为所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的显微图片,黑色代表硅,白色代表铝,图中可见,显微组织中的硅呈不同粒径的初生硅晶粒,硅晶粒分布均匀,粗晶粒尺寸约10μm,细晶粒为5μm以下,初生硅晶粒约占表面积约65%,组织中无空洞或孔穴。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒,其特征在于,所述颗粒由硅和铝组成,所述硅与铝的重量比为45-80:20-55;所述颗粒的平均粒径为10-500μm,所述颗粒中的硅以初生硅的形态存在,所述初生硅的粒径为1-10μm。
2.根据权利要求1所述的高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒,其特征在于,所述颗粒的平均粒径为40-300μm。
3.根据权利要求2所述的高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒,其特征在于,所述颗粒的平均粒径为80-200μm。
4.根据权利要求1所述的高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒,其特征在于,所述初生硅呈细小晶粒状均匀分布于所述颗粒中。
5.一种制备权利要求1-4任一项所述的高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将硅和铝混合后进行加热,得到合金熔体;
(2)将步骤(1)所述合金熔体通过中间包制成合金流束;
(3)用高压气体喷射步骤(2)所述合金流束,得到液滴,然后对所述液滴进行急速冷却,得到凝固的颗粒,经筛选,即得所述高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒。
6.根据权利要求5所述的制备高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述加热至温度为950-1350℃。
7.根据权利要求5所述的制备高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的方法,其特征在于,步骤(3)中,所述急速冷却的冷却速度大于103K/sec。
8.根据权利要求5所述的制备高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的方法,其特征在于,步骤(3)中,所述高压气体为高压惰性气体。
9.根据权利要求8所述的制备高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒的方法,其特征在于,所述惰性气体为氮气和/或氩气。
10.权利要求1-4任一项所述的高硅含量的过共晶硅铝合金颗粒在制备超硬磨料树脂结合剂砂轮的二级磨料中的应用。
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