CN109877720A - 一种泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具及其制备方法和应用，属于金刚石超硬磨具领域，包括基体，所述基体的表面依次包覆环氧树脂层和工作层，所述工作层包括泡沫金刚石和树脂结合剂，所述树脂结合剂位于所述泡沫金刚石的孔隙中。本发明在工作层中通过添加泡沫金刚石，以提高磨具的磨削效率和加工质量，多孔结构的泡沫金刚石在磨削过程中能在较小的压力下通过自身局部的微破碎而产生新的切削刃，从而保证了磨具的高效、高精密加工，将泡沫金刚石应用于树脂结合剂超硬磨具中，对于有效提高磨具的加工效率和使用寿命，对提高加工工作的表面质量具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于金刚石超硬磨具技术领域，尤其涉及一种泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具及其制备方法。
背景技术
超硬材料磨具主要是指以金刚石或立方氮化硼为磨粒，借助于金属、陶瓷或树脂等结合剂，制备出的一种具有一定形状和强度的磨削工具。相对于金属和陶瓷，树脂结合剂制品具有加工弹性好、制造工艺简单等突出优点，非常适合于精磨与抛光，是精密超精密加工领域的重要工具。
在当前的超硬材料金刚石磨具中，采用的是普通的表面较为光滑的金刚石颗粒，由于金刚石强度较高，在磨削加工过程中很难通过自身的破碎达到自锐，只有等工作面磨平磨钝后整体脱落，直至新的金刚石颗粒出露才能形成新的切削刃。因此，金刚石颗粒的利用率和磨具的加工效率会大大下降，并且对加工工件的加工质量也有较大影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具及其制备方法和应用。本发明提供的泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具中含有泡沫金刚石，泡沫金刚石在磨削过程中能在较小的压力下通过自身局部的微破碎产生新的切削刃，从而保证了磨具的高效、高精密加工。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具，包括基体，所述基体的表面依次包覆环氧树脂层和工作层，所述工作层包括泡沫金刚石和树脂结合剂，所述树脂结合剂位于所述泡沫金刚石的孔隙中。
优选地，所述泡沫金刚石和树脂结合剂的重量比为1：1～3：1。
优选地，所述树脂结合剂包括酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂和环氧树脂中的一种或多种。
优选地，所述工作层中泡沫金刚石的质量分数为[5％,100％)。
优选地，所述泡沫金刚石的粒径为100～10000目。
优选地，所述泡沫金刚石的粒径为150～10000目。
优选地，所述工作层还包括金刚石。
优选地，所述泡沫金刚石还经过表面活性处理，所述表面活性处理包括以下步骤：
将所述泡沫金刚石经过超声洗涤后，得到洗涤后泡沫金刚石；
将所述洗涤后泡沫金刚石浸泡在活性剂溶液中进行表面活性处理，所述活性剂溶液包括羟甲基纤维素纳溶液、羟甲基纤维素溶液和羧甲基纤维素溶液中的一种或多种。
本发明还提供了上述技术方案所述泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具的制备方法，包括以下步骤：
将泡沫金刚石和树脂结合剂混合，得到工作层料；
在基体的表面依次涂覆环氧树脂，形成环氧树脂层，在所述环氧树脂层表面涂覆所述工作层料后，进行热压烧结成型，得到所述泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具。
优选地，所述热压烧结成型的温度为150～300℃，压力为40～200MPa，保温时间为4～10分钟，升温至热压烧结成型温度的速度为2～5℃/min。
本发明提供了一种泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具，包括基体，所述基体的表面依次包覆环氧树脂层和工作层，所述工作层包括泡沫金刚石和树脂结合剂，所述树脂结合剂位于所述泡沫金刚石的孔隙中。本发明在工作层中通过添加泡沫金刚石，以提高磨具的磨削效率和加工质量，多孔结构的泡沫金刚石在磨削过程中能在较小的压力下通过自身局部的微破碎而产生新的切削刃，从而保证了磨具的高效、高精密加工，将泡沫金刚石应用于树脂结合剂超硬磨具中，对于有效提高磨具的加工效率和使用寿命，对提高加工工作的表面质量具有重要意义。
进一步地，本发明提供的泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具的制备方法中，利用泡沫金刚石多孔状结构，使得热压烧结时熔融态的树脂结合剂能挤压到泡沫金刚石的孔状结构中，从而大大增强了树脂结合剂与泡沫金刚石颗粒的结合力，有效提高磨具的使用寿命。实施例的数据表明，本发明提供的泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具表面粗糙度低，使用寿命高达326小时。
附图说明
图1为实施例1中泡沫金刚石以及普通金刚石的SEM电镜图。
具体实施方式
本发明提供了一种泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具，包括基体，所述基体的表面依次包覆环氧树脂层和工作层，所述工作层包括泡沫金刚石和树脂结合剂，所述树脂结合剂位于所述泡沫金刚石的孔隙中。
在本发明中，所述基体优选为钢基体、铝基体或碳纤维基体。本发明对所述基体的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。本发明对所述磨具的形状没有特殊的限定。
在本发明中，所述泡沫金刚石和树脂结合剂的重量比优选为1：1～3：1，更优选为1.5：1～2：1。
在本发明中，所述树脂结合剂优选包括酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂和环氧树脂中的一种或多种，更优选为酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂和环氧树脂的混合物，所述混合物中酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂和环氧树脂的质量比优选为1：1：1。
在本发明中，所述工作层中泡沫金刚石的质量分数优选为[5％,100％)，更优选为[50％,100％)。
在本发明中，所述泡沫金刚石的粒径优选为100～10000目，更优选为150～10000目。本发明对所述泡沫金刚石的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，所述工作层优选还包括金刚石。本发明对所述金刚石的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，所述泡沫金刚石优选还经过表面活性处理，所述表面活性处理优选包括以下步骤：
将所述泡沫金刚石经过超声洗涤后，得到洗涤后泡沫金刚石；
将所述洗涤后泡沫金刚石浸泡在活性剂溶液中进行表面活性处理，所述活性剂溶液包括羟甲基纤维素纳溶液、羟甲基纤维素溶液和羧甲基纤维素溶液中的一种或多种。
本发明将所述泡沫金刚石经过超声洗涤后，得到洗涤后泡沫金刚石。在本发明中，优选使用丙酮或酒精进行超声洗涤。在本发明中，所述超声洗涤的时间优选为2～7min，本发明对所述超声洗涤的功率没有特殊的限定，能够完全除去泡沫金刚石颗粒表面的污染物即可。
得到洗涤后泡沫金刚石后，本发明将所述洗涤后泡沫金刚石浸泡在活性剂溶液中进行表面活性处理，所述活性剂溶液包括羟甲基纤维素纳溶液、羟甲基纤维素溶液和羧甲基纤维素溶液中的一种或多种。当所述活性剂溶液优选为混合物时，本发明对所述混合物中各活性剂溶液的种类没有特殊的限定，采用任意比例的混合物均可。本发明通过表面活性处理降低泡沫金刚石颗粒表面张力，提高树脂结合剂对其附着力，保证泡沫金刚石和树脂结合剂在混料时树脂结合剂材料能均匀有效的包覆在泡沫金刚石颗粒表面，从而有效提高树脂结合剂对工作层料的把持力。
在本发明中，所述活性剂溶液的质量浓度优选为1～20％。
在本发明中，所述表面活性处理的温度优选为100～120℃，所述表面活性处理的时间优选为8～24小时。在本发明中，所述表面活性处理优选在马弗炉内进行。
表面活性处理完成后，本发明优选将表面活性处理产物自然冷却至室温。
本发明还提供了上述技术方案所述泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具的制备方法，包括以下步骤：
将泡沫金刚石和树脂结合剂混合，得到工作层料；
在基体的表面依次涂覆环氧树脂，形成环氧树脂层，在所述环氧树脂层表面涂覆所述工作层料后，进行热压烧结成型，得到所述泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具。
本发明将泡沫金刚石和树脂结合剂混合，得到工作层料。在本发明中，所述混合优选在球磨机内进行机械混合，所述机械混合的时间优选不低于12h。
当所述工作层料中含有金刚石时，所述金刚石优选也经过表面活性处理，所述表面活性处理的步骤优选与上述泡沫金刚石表面活性处理的步骤一致，在此不再赘述。
本发明在基体的表面依次涂覆环氧树脂，形成环氧树脂层，在所述环氧树脂层表面涂覆所述工作层料后，进行热压烧结成型，得到所述泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具。在本发明中，所述环氧树脂层的厚度优选为0.3～0.5mm。本发明对所述涂覆的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
在本发明中，所述热压烧结成型的温度优选为150～300℃，压力优选为40～200MPa，保温时间优选为4～10分钟，升温至热压烧结成型温度的速度优选为2～5℃/min。
在本发明中，所述热压烧结成型优选在热压成型机中进行。
下面结合实施例对本发明提供的一种泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
制备工作层厚度为8mm、工作层宽度20mm、直径300mm金刚石砂轮：根据尺寸加工出圆形铸铁基体，然后依据工作层按泡沫金刚石：树脂结合剂＝1：1的质量比用量计算投料量，然后将铸铁基体外圆均匀均匀涂抹环氧树脂并固定，将投料用钢体模具放置在基体外框进行投料，投料结合后置于自动热压成型机上进行固化烧结，热压烧结温度为300℃，热压压力为200MPa，烧结保温时间10分钟，升温速度为5℃/min。烧结后取出，采用滚轮修整法对砂轮工作层进行修整，达到所要求的几何平整度及使用精度。制备中使用的泡沫金刚石为100目，全部采用泡沫金刚石，泡沫金刚石置于装满酒精或丙酮的超声波装置内，利用超声波振荡2分钟，完全除去金刚石颗粒表面的污染物。然后配制羟甲基纤维素钠溶液，将泡沫金刚石在其溶液中进行清洗、润湿，降低泡沫金刚石颗粒表面张力，提高树脂结合剂对其附着力，保证泡沫金刚石和树脂结合剂在混料时结合剂材料能均匀有效的包覆在泡沫金刚石颗粒表面，从而有效提高结合剂对磨粒的把持力，羟甲基纤维素纳的质量分数为1％，然后置于马弗炉内，在100℃的条件下煮24小时，自然冷却后即得到使用的泡沫金刚石。树脂结合剂为酚醛树脂。
图1为本发明实施例1中泡沫金刚石以及普通金刚石的SEM谱图，图1中a为普通金刚石的SEM谱图，b为泡沫金刚石的SEM谱图，由1可知，泡沫金刚石具有多孔结构，在磨削过程中能在较小的压力下通过自身局部的微破碎而产生新的切削刃，从而保证了磨具的高效、高精密加工。
同时，采用相同的工艺制备常规普通金刚石树脂砂轮作为对比例，磨削YG8硬质合金进行性能对比，其结果如表1所示，由表1可以看出，采用泡沫金刚石后无论是在加工质量上还是在磨具的使用寿命上，都有明显提升。
表1对比例以及实施例1模具的性能参数测定结果
实施例2
制备直径5mm小型砂轮：根据尺寸加工出圆形铝基体，然后依据工作层按金刚石总量：树脂结合剂＝3：1的质量比用量计算投料量，然后将铝铁基体外圆均匀均匀涂抹环氧树脂并固定，将投料用钢体模具放置在基体外框进行投料，投料结合后置于自动热压成型机上进行固化烧结，热压烧结温度为150℃，热压压力为40MPa，烧结保温时间4分钟，升温速度为2℃/min。烧结后取出，采用滚轮修整法对砂轮工作层进行修整，达到所要求的几何平整度及使用精度。制备中使用的金刚石和泡沫金刚石的粒径均为10000目，采用5％泡沫金刚石，95％的金刚石，泡沫金刚石以及金刚石的均经过表面活性处理，具体步骤为置于装满酒精或丙酮的超声波装置内，利用超声波振荡7分钟，然后配制羧甲基纤维素溶液，将泡沫金刚石以及金刚石在其溶液中进行清洗、润湿，提高树脂结合剂对其附着力，取羧甲基纤维素溶液的质量分数为20％，然后置于马弗炉内，在120℃的条件下煮8小时，自然冷却后即得。树脂结合剂为3种，其比例为酚醛树脂：双马来酰亚胺树脂：环氧树脂＝1：1：1。
从实施效果看，采用泡沫金刚石后磨具的加工质量和寿命也有实施例1类似的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具，其特征在于，包括基体，所述基体的表面依次包覆环氧树脂层和工作层，所述工作层包括泡沫金刚石和树脂结合剂，所述树脂结合剂位于所述泡沫金刚石的孔隙中。
2.根据权利要求1所述的泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具，其特征在于，所述泡沫金刚石和树脂结合剂的重量比为1：1～3：1。
3.根据权利要求1或2所述的泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具，其特征在于，所述树脂结合剂包括酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂和环氧树脂中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具，其特征在于，所述工作层中泡沫金刚石的质量分数为[5％,100％)。
5.根据权利要求1或2所述的泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具，其特征在于，所述泡沫金刚石的粒径为100～10000目。
6.根据权利要求5所述的泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具，其特征在于，所述泡沫金刚石的粒径为150～10000目。
7.根据权利要求1所述的泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具，其特征在于，所述工作层还包括金刚石。
8.根据权利要求1所述的泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具，其特征在于，所述泡沫金刚石还经过表面活性处理，所述表面活性处理包括以下步骤：
将所述泡沫金刚石经过超声洗涤后，得到洗涤后泡沫金刚石；
将所述洗涤后泡沫金刚石浸泡在活性剂溶液中进行表面活性处理，所述活性剂溶液包括羟甲基纤维素纳溶液、羟甲基纤维素溶液和羧甲基纤维素溶液中的一种或多种。
9.权利要求1～8任一项所述泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将泡沫金刚石和树脂结合剂混合，得到工作层料；
在基体的表面涂覆环氧树脂，形成环氧树脂层，在所述环氧树脂层表面涂覆所述工作层料后，进行热压烧结成型，得到所述泡沫金刚石增强型树脂结合剂超硬磨具。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述热压烧结成型的温度为150～300℃，压力为40～200MPa，保温时间为4～10分钟，升温至热压烧结成型温度的速度为2～5℃/min。
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