CN109773670B

CN109773670B - Cbn超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN109773670B
Application number: CN201910052311.5A
Authority: CN
Inventors: 何峰; 施江; 谢峻林; 刘小青; 杨虎
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2039-01-21
Also published as: CN109773670A

Abstract

本发明提供一种CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂，按重量百分数计，其组分组成为：SiO₂：45～60％、B₂O₃：5～15％、BaO：5～10％、Li₂O：2～12％、Al₂O₃：5～15％、CaO：1～5％、Na₂O：2～10％、MgO：2～5％、P₂O₅：2～5％、ZrO₂：2～5％、SnO₂：0.5～1％、CeO₂：0.5～2％。发明的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂具有低熔点、低膨胀系数、高抗折强度，其烧结析晶温度为550～880℃，热膨胀系数为2.4～4.0×10^‑6/℃，抗折强度为70～100MPa，适用于CBN超硬磨具的制备。

Description

CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及CBN超硬磨具技术领域，特别涉及一种CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂及其制备方法和应用。

背景技术

立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，CBN)是自然界和人造物质中硬度仅次于金刚石的一种超硬磨料，它拥有比金刚石更高的热稳定性(氧化起始温度比金刚石高100～200℃)和化学稳定性，被广泛应用于制备CBN超硬磨具。但因CBN磨料自身粘结性极差，在制造CBN磨具过程中，必须添加结合剂以使磨料粘结并固结在一起，从而得到具有一定形状和规格且具备高磨削性能的超硬磨具。陶瓷结合剂作为磨具结合剂中使用最为广泛的一种结合剂，其具有强度高、易排屑、自锐性好、寿命长等优点，能够很好地满足高精、高效磨削的需要，因而具有广阔的应用前景。陶瓷结合剂从本质上而言是一种玻璃材料，但由于CBN在900℃易被氧化的特点，因此，要求实际生产过程中所使用的陶瓷结合剂一般为熔点不超过此温度的玻璃料，否则需要对磨具试样进行惰性气体保护烧结，造成制备成本高。此外，为保证在磨具制备和使用过程中磨料与结合剂之间的紧密结合，结合剂具有高的抗折强度以及与CBN磨料相近的热膨胀系数同样是至关重要的。与玻璃类结合剂相比，微晶玻璃结合剂因其在烧结时内部会生成一定含量的微晶使得其性能更加优异。锂铝硅微晶玻璃因具有热膨胀系数可调的特点而备受关注，是一种具有巨大开发潜力的结合剂，但常规锂铝硅微晶玻璃的烧结温度过高不利于在CBN氧化之前产生足够多的液相将磨料润湿包覆，限制了其在CBN超硬磨具中的应用。

因此，开发一种烧结温度可满足CBN超硬磨具的使用要求的微晶玻璃结合剂具有十分重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂，以解决现有微晶玻璃陶瓷结合剂烧结温度过高，导致其在CBN超硬磨具中的应用受限的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂，按重量百分数计，其组分组成为：SiO₂：45～60％、B₂O₃：5～15％、BaO：5～10％、Li₂O：2～12％、Al₂O₃：5～15％、CaO：1～5％、Na₂O：2～10％、MgO：2～5％、P₂O₅：2～5％、ZrO₂：2～5％、SnO₂：0.5～1％、CeO₂：0.5～2％。

本发明的第二目的在于提供一种制备上述CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的方法，该制备方法包括以下步骤：

将用于制备CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的原料混合，然后，熔融、水淬、干燥、研磨、过筛，得到CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂。

可选地，所述熔融的熔融温度为1500℃，熔融时间为2h。

可选地，所述过筛的筛孔尺寸为200目。

本发明的第三目的在于提供一种利用上述CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂制备CBN超硬磨具的方法，该制备方法包括以下步骤：

将CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂、CBN磨料以及糊精液混合后，压制成型，然后，烧结，冷却，得到CBN超硬磨具。

可选地，所述烧结的烧结制度为：先以1.0～3.0℃/min的升温速度升温至500℃，然后，以5～10℃/min的升温速度升温至800～880℃并保温2～4h，之后，以5～10℃/min的降温速度降温至550～650℃并保温1～2h。

相对于现有技术，本发明所述的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂具有以下优势：

1、本发明的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂具有低熔点、低膨胀系数、高抗折强度，其在用于制备CBN超硬磨具时的烧结析晶温度为550～880℃，热膨胀系数为2.4～4.0×10^-6/℃，其与CBN磨料的热膨胀系数相近，且其抗折强度为70～100MPa，适用于CBN超硬磨具的制备。

2、本发明的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂在800～880℃范围内与CBN磨料进行混合烧结时，可产生足够多的液相将CBN磨料颗粒完全润湿包裹，从而使其对CBN磨料具有很高的把持力。

3、本发明的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂在经过烧结后，内部会析出相互交错分布的颗粒状和板状微晶相，从而对该结合剂内微裂纹的扩展起到抑制作用，使得结合剂抗折强度得到提高。

4、本发明的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂在经过烧结后，其热膨胀系数与CBN磨料的热膨胀系数相匹配，这将大大减少在CBN超硬磨具烧结冷却过程中因热失配现象而产生的微裂纹，从而提高磨具的抗折强度，所制CBN超硬磨具的抗折强度为90～130MPa。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1所述的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的SEM照片。

具体实施方式

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。

下面将结合附图和实施例来详细说明本发明。

实施例1

本实施例的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂，按重量百分数计，其组分组成为：SiO₂：45％、B₂O₃：14％、BaO：8％、Li₂O：7％、Al₂O₃：5％、CaO：4％、Na₂O：4％、MgO：4％、P₂O₅：5％、ZrO₂：3％、SnO₂：0.5％、CeO₂：0.5％。

按照如下方法制备本实施例的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂：将用于制备CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的原料经球磨均匀混合，然后，在1500℃下熔融2h，再经过水淬、干燥、研磨，过200目筛，得到CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂。

利用本实施例的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂制备CBN超硬磨具的方法，该制备方法具体包括以下步骤：

将CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂、CBN磨料以及糊精液按照一定比例混合后，压制成型，然后，烧结，其中，烧结的烧结制度为：先以2.5℃/min的升温速度升温至500℃，然后，以5℃/min的升温速度升温至820℃并保温2h，之后，以5℃/min的降温速度降温至580℃并保温1h进行，烧结结束后随炉冷却，得到CBN超硬磨具。经测试，在上述烧结制度下，CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的热膨胀系数为4.5×10^-6/℃，其与CBN磨料的热膨胀系数3.5×10^-6/℃相匹配，其抗折强度73MPa，且在上述烧结制度下，所制CBN超硬磨具的抗折强度为92MPa。

对本实施例的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂进行SEM分析，测试结果如图1所示。

由图1可知，本实施例的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂含有以颗粒状和板状为主的晶相，且二者相互堆叠并嵌入在玻璃相中，其可有效提高本实施例的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的抗折强度。

实施例2

本实施例的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂，按重量百分数计，其组分组成为：SiO₂：48％、B₂O₃：10％、BaO：5％、Li₂O：6％、Al₂O₃：8％、CaO：4％、Na₂O：3％、MgO：5％、P₂O₅：4％、ZrO₂：5％、SnO₂：1％、CeO₂：1％。

将CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂、CBN磨料以及糊精液按照一定比例混合后，压制成型，然后，烧结，其中，烧结的烧结制度为：先以2.5℃/min的升温速度升温至500℃，然后，以5℃/min的升温速度升温至860℃并保温2h，之后，以5℃/min的降温速度降温至600℃并保温1.5h进行，烧结结束后随炉冷却，得到CBN超硬磨具。经测试，在上述烧结制度下，CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的热膨胀系数为3.6×10^-6/℃，其与CBN磨料的热膨胀系数3.5×10^-6/℃相匹配，其抗折强度为84MPa，且在上述烧结制度下，所制CBN超硬磨具的抗折强度为115MPa。

实施例3

本实施例的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂，按重量百分数计，其组分组成为：SiO₂：50％、B₂O₃：11％、BaO：7％、Li₂O：7％、Al₂O₃：10％、CaO：2％、Na₂O：3％、MgO：2％、P₂O₅：2％、ZrO₂：4％、SnO₂：0.5％、CeO₂：1.5％。

将CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂、CBN磨料以及糊精液按照一定比例混合后，压制成型，然后，烧结，其中，烧结的烧结制度为：先以2.5℃/min的升温速度升温至500℃，然后，以5℃/min的升温速度升温至860℃并保温2.5h，之后，以5℃/min的降温速度降温至610℃并保温1h进行，烧结结束后随炉冷却，得到CBN超硬磨具。经测试，在上述烧结制度下，CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的热膨胀系数为3.2×10^-6/℃，其与CBN磨料的热膨胀系数3.5×10^-6/℃相匹配，其抗折强度为86MPa，且在上述烧结制度下，所制CBN超硬磨具的抗折强度为111MPa。

实施例4

本实施例的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂，按重量百分数计，其组分组成为：SiO₂：54％、B₂O₃：8％、BaO：5％、Li₂O：6％、Al₂O₃：11％、CaO：2％、Na₂O：3％、MgO：4％、P₂O₅：3％、ZrO₂：2％、SnO₂：1％、CeO₂：1％。

将CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂、CBN磨料以及糊精液按照一定比例混合后，压制成型，然后，烧结，其中，烧结的烧结制度为：先以2.5℃/min的升温速度升温至500℃，然后，以5℃/min的升温速度升温至880℃并保温2h，之后，以5℃/min的降温速度降温至640℃并保温1h进行，烧结结束后随炉冷却，得到CBN超硬磨具。经测试，在上述烧结制度下，CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的热膨胀系数为3.7×10^-6/℃，其与CBN磨料的热膨胀系数3.5×10^-6/℃相匹配，其抗折强度为95MPa，且在上述烧结制度下，所制CBN超硬磨具的抗折强度为126MPa。

实施例5

本实施例的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂，按重量百分数计，其组分组成为：SiO₂：55％、B₂O₃：10％、BaO：6％、Li₂O：5％、Al₂O₃：5％、CaO：1％、Na₂O：8％、MgO：2％、P₂O₅：3％、ZrO₂：4％、SnO₂：0.5％、CeO₂：0.5％。

将CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂、CBN磨料以及糊精液按照一定比例混合后，压制成型，然后，烧结，其中，烧结的烧结制度为：先以2.5℃/min的升温速度升温至500℃，然后，以5℃/min的升温速度升温至860℃并保温2h，之后，以5℃/min的降温速度降温至620℃并保温1h进行，烧结结束后随炉冷却，得到CBN超硬磨具。经测试，在上述烧结制度下，CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的热膨胀系数为4.2×10^-6/℃，其与CBN磨料的热膨胀系数3.5×10^-6/℃相匹配，其抗折强度为84MPa，且在上述烧结制度下，所制CBN超硬磨具的抗折强度为103MPa。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂，其特征在于，按重量百分数计，其组分组成为：SiO₂：45～60％、B₂O₃：5～15％、BaO：5～10％、Li₂O：2～12％、Al₂O₃：5～15％、CaO：1～5％、Na₂O：2～10％、MgO：2～5％、P₂O₅：2～5％、ZrO₂：2～5％、SnO₂：0.5～1％、CeO₂：0.5～2％；

所述CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂通过以下方法制得：

将用于制备CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的原料混合，然后，于1500℃下熔融2h后，水淬、干燥、研磨、过筛，得到CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂。

2.制备权利要求1所述的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，所述熔融的熔融温度为1500℃，熔融时间为2h。

4.根据权利要求2所述的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，所述过筛的筛孔尺寸为200目。

5.利用权利要求1所述的CBN超硬磨具用微晶玻璃陶瓷结合剂制备CBN超硬磨具的方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的CBN超硬磨具的制备方法，其特征在于，所述烧结的烧结制度为：先以1.0～3.0℃/min的升温速度升温至500℃，然后，以5～10℃/min的升温速度升温至800～880℃并保温2～4h，之后，以5～10℃/min的降温速度降温至550～650℃并保温1～2h。