CN109773673B - 一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，属于陶瓷材料技术领域。本发明制备的陶瓷结合剂能实现金刚石砂轮的低温烧成；陶瓷结合剂有与金刚石磨料的热膨胀性能，能避免或者降低砂轮工作时金刚石磨粒与陶瓷结合剂之间产生热应力，提高结合剂对金刚石磨粒的粘结把持能力；陶瓷结合剂有较高的韧性，适当的韧性能够保障金刚石磨料微刃的切削作用，提高砂轮磨削时的抗冲击力，保证砂轮的形状稳定性；陶瓷结合剂对金刚石磨料具有良好的润湿包覆性能，利于提高两者间的结合强度和砂轮的整体强度；本发明加入氧化镧稀土金属氧化物或其他副族金属氧化物可以有效地优化玻璃网络结构，提高陶瓷结合剂的强度和硬度等性能，增强金刚石磨具的磨削性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，属于陶瓷材料技术领域。
背景技术
金刚石是目前已知硬度最高的物质，要发挥金刚石的磨削性能，通常需借助结合剂和其他辅助材料将其制备成具有一定规格、性能和用途的磨具。
陶瓷结合剂金刚石磨具由于具有良好的耐热、耐水、耐油、耐酸碱以及磨具形状保持性好、磨削效率高等优点，在机械加工领域有重要的应用价值和广阔的应用前景。但在磨具制备过程中，一方面由于人造金刚石磨料抗氧化温度相对较低，陶瓷结合剂磨具烧结时易引起金刚石强度的下降；另一方面则是共价键形态的金刚石磨料表面不易被熔融态的陶瓷结合剂所润湿，造成两者间的结合力较弱，上述两方面原因都对磨具整体性能产生不利影响。针对此问题，目前常采用金刚石磨料表面涂覆硅酸盐涂层或镀覆金属的方法，来提高金刚石磨料的抗氧化性能以及与陶瓷结合剂的结合强度。
陶瓷结合剂金刚石磨具，由于具有良好的耐热、耐油、耐水、耐酸碱以及磨具形状保持性好、自锐性好、切削能力强和磨削效率高等优点，在功能陶瓷、硬质合金、耐火材料、石材加工等领域有重要的应用价值和广阔的应用前景。
陶瓷结合剂金刚石磨具的强度取决于陶瓷结合剂、金刚石磨料及两者间的结合强度。但在磨具制备过程中却存在一定的技术问题，首先，陶瓷结合剂烧结温度较高，一般在700～900℃，有的甚至高达1000℃以上，而人造金刚石磨料在空气条件下700℃时就会发生氧化反应、表面变形和强度降低；其次，共价键形态的金刚石磨料表面不易被熔融态的陶瓷结合剂所润湿，造成其两者间的把持力较弱，结合强度不理想。
金刚石磨具超精密切削在加工铜、铝及其合金等软金属材料中已获得极大成功，但在工程陶瓷、半导体、光学玻璃、石材等各种硬脆材料的精密和超精密加工上，却在很大程度依赖于研磨、抛光等加工方法，虽然这些方法可以达到很高的精度和极低的表面粗糙度，但加工效率较低，在形状复杂如非球面零件等的超精密加工方面应用效果有限。陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削高脆硬性材料是一种有效的磨削加工方法，相比金属结合剂金刚石砂轮和树脂结合剂金刚石砂轮，具有自锐性好、强度高、磨削效率高、刚性好、磨削过程中不易堵塞和烧伤工件等优点，近年来得到广泛应用。
气孔是影响砂轮磨削性能的重要参数之一，气孔率、孔径及其分布对砂轮磨削性能起重要作用，气孔使冷却液更便捷的流入工作面，在磨削过程中起到容屑、排屑的作用，有效防止加工过程中工件的烧伤和砂轮堵塞，同时气孔对砂轮的抗弯强度和洛氏硬度也有很大的影响，因此气孔的引入有非常重要的意义。陶瓷结合剂金刚石砂轮虽然能由自身颗粒的堆积形成部分空隙，但气孔粒径和气孔率远不能满足加工的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对现有陶瓷结合剂和金刚石砂轮两者间把持力较弱，结合强度不理想的问题，提供了一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）取金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂，将金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂进行混合处理，即得基体；
（2）将基体置于室温下压制成型，即得坯体，将坯体置于烘箱中干燥处理，即得干燥坯体，将干燥坯体置于马弗炉中进行烧结处理，冷却至室温，即得陶瓷结合剂金刚石砂轮。
步骤（1）所述的陶瓷结合剂的制备步骤为：
（1）取硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃；将硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃进行混合，即得共混物；
（2）将共混物置于球磨机中进行球磨处理，即得混料，将混料置于高温熔块炉中熔融处理，即得熔料；
（3）将熔料倒入去离子水中冷淬，过滤得滤渣，将滤渣置于60～80℃的烘箱中干燥至恒重，即得前驱体，将前驱体进行球磨过筛处理，即得陶瓷结合剂。
步骤（1）所述的金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂之间的比例为：按重量份数计，分别称取30～50份金刚石粉末、10～20份陶瓷结合剂、5～10份核桃壳、15～20份钢玉砂。
步骤（2）所述的将基体压制成型的步骤为：将基体置于压力为8～12MPa室温下压制成型。
步骤（2）所述的将坯体置于烘箱中干燥处理的步骤为：将坯体置于温度为60～80℃的烘箱中干燥8～12h，再在温度为110～130℃下干燥1～4h。
步骤（2）所述的将干燥坯体置于马弗炉中进行烧结处理步骤为：将干燥坯体置于马弗炉中，以3～5℃/min的升温速率升温至400～500℃保温1～2h，然后以1～3℃/min的升温速率升温至600～700℃保温1～2h。
步骤（1）所述的硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃之间的比例为：按重量份数计，分别称取50～60份硅酸盐玻璃粉、10～20份沥青、1～10份碳化硅、1～10份铜粉、0.6～0.8份氧化镧、0.2～0.6份氧化锌、10～30份水玻璃。
步骤（2）所述的将共混物置于球磨机中进行球磨处理步骤为：将共混物置于球磨机中，在氧化铝磨球和共混物的质量比为2∶1，搅拌速度为100～160r/min下球磨10～12h。
步骤（2）所述的将混料置于高温熔块炉中熔融处理步骤为：将混料置于高温熔块炉中，以3～5℃/min的升温速率从室温升温至1400～1500℃保温2～3h。
步骤（3）所述的将前驱体进行球磨过筛处理步骤为：将前驱体置于球磨机中，在球磨转速为400～450r/min下球磨6～8h，并过200～260目筛。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明加入氧化镧稀土金属氧化物或其他副族金属氧化物可以有效地优化玻璃网络结构，提高陶瓷结合剂的强度和硬度等性能，增强金刚石磨具的磨削性能，而氧化锌的引入则可以增强结合剂对金刚石磨粒的润湿性；造孔剂核桃壳的加入能提高砂结比，起结构骨架支撑作用，提高磨削效率；
（2）本发明制备的陶瓷结合剂金刚石砂轮刚性较好，磨削过程中磨具变形较小，工件的加工精度较高；而且是多孔组织结构，修整简便，同时陶瓷结合剂金刚石砂轮内气孔大小与数量可以通过加入造孔物质进行调节，磨削过程中不易堵塞和烧伤工件，陶瓷结合剂金刚石砂轮的加工效率较高；使用陶瓷结合剂制备的陶瓷结合剂金刚石砂轮是通过玻璃或陶瓷类物质高温烧结或烧熔条件下将金刚石磨料固结起来，因此在磨削高温条件下陶瓷结合剂仍能与金刚石磨料有较好的结合强度，所制陶瓷结合剂金刚石砂轮能适用于较重负荷磨削；
（3）本发明制备的陶瓷结合剂有低烧结温度，能实现金刚石砂轮的低温烧成；陶瓷结合剂有与金刚石磨料相匹配的热膨胀性能，能避免或者降低砂轮工作时金刚石磨粒与陶瓷结合剂之间产生热应力，提高结合剂对金刚石磨粒的粘结把持能力；陶瓷结合剂有较高的韧性，适当的韧性能够保障金刚石磨料微刃的切削作用，提高砂轮磨削时的抗冲击力，保证砂轮的形状稳定性；陶瓷结合剂对金刚石磨料具有良好的润湿包覆性能，利于提高两者间的结合强度和砂轮的整体强度；
（4）本发明通过加入造孔剂核桃壳在砂轮中引入气孔，使砂轮具有自锐性好、强度高、磨削效率高、刚性好、磨削过程中不易堵塞和烧伤工件，对高脆硬难加工材料的加工有较高的效率的优点；在磨削金属或合金制品时，气孔可以容纳部分金属碎屑，防止金属碎屑大量存在于砂轮和工件表面而导致的工件损伤；在砂轮的高速磨削过程中会产生大量的热量，气孔的存在可以容纳部分的冷却液，促进工件表面冷却，防止工件表面烧伤；对于强度较高的砂轮来说，气孔的存在可以有效地促进结合剂随磨钝的金刚石一起脱落，有助于砂轮自锐性的提高。
具体实施方式
按重量份数计，分别称取50～60份硅酸盐玻璃粉、10～20份沥青、1～10份碳化硅、1～10份铜粉、0.6～0.8份氧化镧、0.2～0.6份氧化锌、10～30份水玻璃，将硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌和水玻璃进行混合，即得共混物，将共混物置于球磨机中，在氧化铝磨球和共混物的质量比为2∶1，搅拌速度为100～160r/min下球磨10～12h，即得混料，将混料置于高温熔块炉中，以3～5℃/min的升温速率从室温升温至1400～1500℃保温2～3h，即得熔料，将熔料倒入去离子水中冷淬，过滤得滤渣，将滤渣置于温度为60～80℃的烘箱中干燥至恒重，即得前驱体，将前驱体置于球磨机中，在球磨转速为400～450r/min下球磨6～8h，并过200～260目筛，即得陶瓷结合剂；按重量份数计，分别称取30～50份金刚石粉末、10～20份陶瓷结合剂、5～10份核桃壳、15～20份钢玉砂，将金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳和钢玉砂混合，即得基体，将基体在压力为8～12MPa室温下压制成型，即得坯体，将坯体置于温度为60～80℃的烘箱中干燥8～12h，再在110～130℃下干燥1～4h，即得干燥坯体，将干燥坯体置于马弗炉中进行烧结处理，以3～5℃/min的升温速率升温至400～500℃保温1～2h，然后以1～3℃/min的升温速率升温至600～700℃保温1～2h，冷却至室温，即得陶瓷结合剂金刚石砂轮。
实例1
取金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂，将金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂进行混合处理，即得基体；将基体置于室温下压制成型，即得坯体，将坯体置于烘箱中干燥处理，即得干燥坯体，将干燥坯体置于马弗炉中进行烧结处理，冷却至室温，即得陶瓷结合剂金刚石砂轮。陶瓷结合剂的制备步骤为：取硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃；将硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃进行混合，即得共混物；将共混物置于球磨机中进行球磨处理，即得混料，将混料置于高温熔块炉中熔融处理，即得熔料；将熔料倒入去离子水中冷淬，过滤得滤渣，将滤渣置于60℃的烘箱中干燥至恒重，即得前驱体，将前驱体进行球磨过筛处理，即得陶瓷结合剂。金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂之间的比例为：按重量份数计，分别称取30份金刚石粉末、10份陶瓷结合剂、5份核桃壳、15份钢玉砂。将基体压制成型的步骤为：将基体置于压力为8MPa室温下压制成型。将坯体置于烘箱中干燥处理的步骤为：将坯体置于温度为60℃的烘箱中干燥8h，再在温度为110℃下干燥1h。将干燥坯体置于马弗炉中进行烧结处理步骤为：将干燥坯体置于马弗炉中，以3℃/min的升温速率升温至400℃保温1h，然后以1℃/min的升温速率升温至600℃保温1h。硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃之间的比例为：按重量份数计，分别称取50份硅酸盐玻璃粉、10份沥青、1份碳化硅、1份铜粉、0.6份氧化镧、0.2份氧化锌、10份水玻璃。将共混物置于球磨机中进行球磨处理步骤为：将共混物置于球磨机中，在氧化铝磨球和共混物的质量比为2∶1，搅拌速度为100r/min下球磨10h。将混料置于高温熔块炉中熔融处理步骤为：将混料置于高温熔块炉中，以3℃/min的升温速率从室温升温至1400℃保温2h。将前驱体进行球磨过筛处理步骤为：将前驱体置于球磨机中，在球磨转速为400r/min下球磨6h，并过200目筛。
实例2
取金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂，将金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂进行混合处理，即得基体；将基体置于室温下压制成型，即得坯体，将坯体置于烘箱中干燥处理，即得干燥坯体，将干燥坯体置于马弗炉中进行烧结处理，冷却至室温，即得陶瓷结合剂金刚石砂轮。陶瓷结合剂的制备步骤为：取硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃；将硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃进行混合，即得共混物；将共混物置于球磨机中进行球磨处理，即得混料，将混料置于高温熔块炉中熔融处理，即得熔料；将熔料倒入去离子水中冷淬，过滤得滤渣，将滤渣置于70℃的烘箱中干燥至恒重，即得前驱体，将前驱体进行球磨过筛处理，即得陶瓷结合剂。金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂之间的比例为：按重量份数计，分别称取40份金刚石粉末、15份陶瓷结合剂、8份核桃壳、18份钢玉砂。将基体压制成型的步骤为：将基体置于压力为10MPa室温下压制成型。将坯体置于烘箱中干燥处理的步骤为：将坯体置于温度为70℃的烘箱中干燥10h，再在温度为120℃下干燥2h。将干燥坯体置于马弗炉中进行烧结处理步骤为：将干燥坯体置于马弗炉中，以4℃/min的升温速率升温至450℃保温1h，然后以2℃/min的升温速率升温至650℃保温1h。硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃之间的比例为：按重量份数计，分别称取55份硅酸盐玻璃粉、15份沥青、5份碳化硅、5份铜粉、0.7份氧化镧、0.4份氧化锌、20份水玻璃。将共混物置于球磨机中进行球磨处理步骤为：将共混物置于球磨机中，在氧化铝磨球和共混物的质量比为2∶1，搅拌速度为130r/min下球磨11h。将混料置于高温熔块炉中熔融处理步骤为：将混料置于高温熔块炉中，以4℃/min的升温速率从室温升温至1450℃保温2h。将前驱体进行球磨过筛处理步骤为：将前驱体置于球磨机中，在球磨转速为425r/min下球磨7h，并过230目筛。
实例3
取金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂，将金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂进行混合处理，即得基体；将基体置于室温下压制成型，即得坯体，将坯体置于烘箱中干燥处理，即得干燥坯体，将干燥坯体置于马弗炉中进行烧结处理，冷却至室温，即得陶瓷结合剂金刚石砂轮。陶瓷结合剂的制备步骤为：取硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃；将硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃进行混合，即得共混物；将共混物置于球磨机中进行球磨处理，即得混料，将混料置于高温熔块炉中熔融处理，即得熔料；将熔料倒入去离子水中冷淬，过滤得滤渣，将滤渣置于80℃的烘箱中干燥至恒重，即得前驱体，将前驱体进行球磨过筛处理，即得陶瓷结合剂。金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂之间的比例为：按重量份数计，分别称取50份金刚石粉末、20份陶瓷结合剂、10份核桃壳、20份钢玉砂。将基体压制成型的步骤为：将基体置于压力为12MPa室温下压制成型。将坯体置于烘箱中干燥处理的步骤为：将坯体置于温度为80℃的烘箱中干燥12h，再在温度为130℃下干燥4h。将干燥坯体置于马弗炉中进行烧结处理步骤为：将干燥坯体置于马弗炉中，以5℃/min的升温速率升温至500℃保温2h，然后以3℃/min的升温速率升温至700℃保温2h。硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃之间的比例为：按重量份数计，分别称取60份硅酸盐玻璃粉、20份沥青、10份碳化硅、10份铜粉、0.8份氧化镧、0.6份氧化锌、30份水玻璃。将共混物置于球磨机中进行球磨处理步骤为：将共混物置于球磨机中，在氧化铝磨球和共混物的质量比为2∶1，搅拌速度为160r/min下球磨12h。将混料置于高温熔块炉中熔融处理步骤为：将混料置于高温熔块炉中，以5℃/min的升温速率从室温升温至1500℃保温3h。将前驱体进行球磨过筛处理步骤为：将前驱体置于球磨机中，在球磨转速为450r/min下球磨8h，并过260目筛。
对照例：东莞某公司生产的陶瓷结合剂金刚石砂轮。
将实例及对照例制备得到的陶瓷结合剂金刚石砂轮进行检测，具体检测如下：
砂轮抗弯强度：在测试砂轮的抗弯强度时，是以一定尺寸试条的抗弯强度来定量表示砂轮的抗弯强度。将砂轮成型料混合均匀后，在定模成型条件下压制成4×5×40mm的试条，按照一定的烧结工艺进行烧结，将烧结后的试条采用三点抗弯强度法在DKZ-5000型电动抗折试验机测试抗弯强度。
砂轮硬度：采用洛氏硬度仪（上海材料试验厂HR-150DT）测量砂轮洛氏硬度，荷载压力为980N，压头为直径1.59mm的淬火钢球，以砂轮正反面平均分布的五个点，共十个点为测量点，计算十点平均值为砂轮硬度。
砂轮气孔率：本实验中测量砂轮的气孔率可根据阿基米德原理，用液体静力称重法来测定结合剂密度以及砂轮的体积密度，进而可计算得到砂轮的气孔率。
具体测试结果如表1。
表1性能表征对比表
由表1可知，本发明制备的陶瓷结合剂金刚石砂轮具有良好的力学性能和结合强度。
Claims (8)
1.一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（i）取金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂，将金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂进行混合处理，即得基体；
（ii）将基体置于室温下压制成型，即得坯体，将坯体置于烘箱中干燥处理，即得干燥坯体，将干燥坯体置于马弗炉中进行烧结处理，冷却至室温，即得陶瓷结合剂金刚石砂轮；
且所述的步骤（i）所述的陶瓷结合剂的制备步骤为：
（1）取硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃；将硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃进行混合，即得共混物；所述的硅酸盐玻璃粉、沥青、碳化硅、铜粉、氧化镧、氧化锌、水玻璃之间的比例为：按重量份数计，50～60份硅酸盐玻璃粉、10～20份沥青、1～10份碳化硅、1～10份铜粉、0.6～0.8份氧化镧、0.2～0.6份氧化锌、10～30份水玻璃；
（2）将共混物置于球磨机中进行球磨处理，即得混料，将混料置于高温熔块炉中熔融处理，即得熔料；
（3）将熔料倒入去离子水中冷淬，过滤得滤渣，将滤渣置于60～80℃的烘箱中干燥至恒重，即得前驱体，将前驱体进行球磨过筛处理，即得陶瓷结合剂。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（i）所述的金刚石粉末、陶瓷结合剂、核桃壳、钢玉砂之间的比例为：按重量份数计，分别称取30～50份金刚石粉末、10～20份陶瓷结合剂、5～10份核桃壳、15～20份钢玉砂。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（ii）所述的将基体压制成型的步骤为：将基体置于压力为8～12MPa室温下压制成型。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（ii）所述的将坯体置于烘箱中干燥处理的步骤为：将坯体置于温度为60～80℃的烘箱中干燥8～12h，再在温度为110～130℃下干燥1～4h。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（ii）所述的将干燥坯体置于马弗炉中进行烧结处理步骤为：将干燥坯体置于马弗炉中，以3～5℃/min的升温速率升温至400～500℃保温1～2h，然后以1～3℃/min的升温速率升温至600～700℃保温1～2h。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的将共混物置于球磨机中进行球磨处理步骤为：将共混物置于球磨机中，在氧化铝磨球和共混物的质量比为2∶1，搅拌速度为100～160r/min下球磨10～12h。
7.根据权利要求1所述的一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的将混料置于高温熔块炉中熔融处理步骤为：将混料置于高温熔块炉中，以3～5℃/min的升温速率从室温升温至1400～1500℃保温2～3h。
8.根据权利要求1所述的一种陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的将前驱体进行球磨过筛处理步骤为：将前驱体置于球磨机中，在球磨转速为400～450r/min下球磨6～8h，并过200～260目筛。
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