CN110774187B - 刚玉磨具制备方法及其制备的刚玉磨具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了刚玉磨具制备方法，包括以下步骤：配料，称取所述刚玉磨具的制备原料并混合均匀，制得坯料；成型，将所述坯料加压成型，制得磨具坯体；烧结，将所述磨具坯体依次进行无氧烧结以及有氧烧结，制得刚玉磨具；其中，所述刚玉磨具的制备原料包括以下重量份数的原料：刚玉磨料40～50份、碳化硅10～15份、氧化钠8～12份、锂辉石3～5份、硼玻璃3～5份、陶土粉5～7份、糊精3～5份、水2～3份。上述制备方法能够生成气孔，该气孔在制备的刚玉磨具中大小均一，可用于容纳磨削过程中产生的磨屑，防止磨具堵塞导致磨削能力下降，延长了磨具的使用寿命。

Description

刚玉磨具制备方法及其制备的刚玉磨具
技术领域
本发明属于磨具制造技术领域，具体涉及一种刚玉磨具制备方法及其制备的刚玉磨具。
背景技术
刚玉磨具是一种广泛使用的工具，主要用于对金属或非金属工件进行粗磨、半粗磨、精磨以及开槽、切断等处理，其在使用时处于高速运动状态。刚玉磨具在使用过程中，因为刚玉磨具与工件表面进行摩擦，故工件被磨削产生的磨屑会粘附在刚玉磨具和工件之间，当大量磨磨屑产生时，会造成堵塞，导致刚玉磨具的磨削能力下降，刚玉磨具寿命缩短，磨屑堵塞磨具甚至会使摩擦产生的热量不能及时排除，导致工件因局部高温而灼伤。
发明内容
本发明针对刚玉磨具在磨削加工中易被堵塞导致其磨削能力下降，寿命缩短的问题，提供一种刚玉磨具制备方法及其制备的刚玉磨具。
本发明提供的一种刚玉磨具制备方法，包括以下步骤：
配料，称取所述刚玉磨具的制备原料并混合均匀，制得坯料；
成型，将所述坯料加压成型，制得磨具坯体；
烧结，将所述磨具坯体依次进行无氧烧结以及有氧烧结，制得刚玉磨具；
其中，所述刚玉磨具的制备原料包括以下重量份数的原料：
刚玉磨料40～50份、碳化硅10～15份、氧化钠8～12份、锂辉石3～5份、硼玻璃3～5份、陶土粉5～7份、糊精3～5份、水2～3份；
所述碳化硅的粒度为80～120目；
碳化硅在无氧烧结过程中与锂辉石、硼玻璃中的碱金属氧化物发生反应生成金属硅酸盐以及石墨，碱金属硅酸盐通过热扩散进入到结合剂中，而石墨单质就在碳化硅原来的位置原位生成，进一步进行有氧烧结，石墨单质被氧化后二氧化碳排出，从而在碳化硅原位生成气孔；
所述刚玉磨具含有120～180μm孔径的气孔。
在其中一个实施例中，所述刚玉磨料的粒度为80～120目。
在其中一个实施例中，所述烧结步骤中，先以升温速率4～6℃/min的速度升温至400～500℃进行无氧烧结，保温1～2h，再以升温速率3～4℃/min的速度升温至900～1200℃进行无氧烧结，保温3～5h，自然降温至600～700℃时通入空气或氧气进行有氧烧结，于600～700℃保温0.5～1h后自然冷却至室温。
在其中一个实施例中，所述配料步骤中，通过球磨机使所述刚玉磨具的制备原料混合均匀；球料比为5:1～1:5，球磨石直径为3～5cm，转速为30～40rpm，球磨时间为20～30min。
在其中一个实施例中，所述成型步骤中，采用冷静压进行加压成型，冷静压压力为20～30MPa。
本发明还提供了一种刚玉磨具，所述刚玉磨具采用上述的制备方法制备而成。
上述刚玉磨具制备方法，由于刚玉磨具的制备原料含有一定量的碳化硅，在无氧烧结过程中与锂辉石、硼玻璃中的碱金属氧化物发生反应，生成金属硅酸盐以及石墨，碱金属硅酸盐通过热扩散进入到结合剂中，而石墨单质就在碳化硅原来的位置原位生成，进一步进行有氧烧结，石墨单质被氧化为二氧化碳排出，从而在碳化硅原位生成气孔，该气孔在制备的刚玉磨具中大小均一，可用于容纳磨削过程中产生的磨屑，防止磨具堵塞导致磨削能力下降，延长了磨具的使用寿命。
附图说明
图1本发明刚玉磨具制备方法一实施例的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。
请参阅图1所示，本发明提供的一实施例的刚玉磨具制备方法，包括以下步骤：
S100，配料，称取刚玉磨具的制备原料并混合均匀，制得坯料；
S200，成型，将坯料加压成型，制得磨具坯体；
S300，烧结，将磨具坯体依次进行无氧烧结以及有氧烧结，制得刚玉磨具；
其中，所述刚玉磨具的制备原料包括以下重量份数的原料：
刚玉磨料40～50份、碳化硅10～15份、氧化钠8～12份、锂辉石3～5份、硼玻璃3～5份、陶土粉5～7份、糊精3～5份、水2～3份；
所述碳化硅的粒度为80～120目；
碳化硅在无氧烧结过程中与锂辉石、硼玻璃中的碱金属氧化物发生反应生成金属硅酸盐以及石墨，碱金属硅酸盐通过热扩散进入到结合剂中，而石墨单质就在碳化硅原来的位置原位生成，进一步进行有氧烧结，石墨单质被氧化后二氧化碳排出，从而在碳化硅原位生成气孔；
所述刚玉磨具含有120～180μm孔径的气孔。
上述刚玉磨具制备方法，由于刚玉磨具的制备原料含有一定量的碳化硅，在无氧烧结过程中与锂辉石、硼玻璃中的碱金属氧化物发生反应，生成金属硅酸盐以及石墨，碱金属硅酸盐通过热扩散进入到结合剂中，而石墨单质就在碳化硅原来的位置原位生成，进一步进行有氧烧结，石墨单质被氧化为二氧化碳排出，从而在碳化硅原位生成气孔，该气孔在制备的刚玉磨具中大小均一，可用于容纳磨削过程中产生的磨屑，防止磨具堵塞导致磨削能力下降，延长了磨具的使用寿命。
传统地磨具制造中，由于碳化硅具有硬度高、化学性能稳定、导热系数热膨胀系数小、耐磨型能好等特点，一般作为磨料使用。而在本发明中，反而将其作为造孔剂，通过依次进行无氧烧结以及有氧烧结将其转化为金属硅酸盐扩散至结合剂中以及转化为二氧化碳气体排出，从而在碳化硅原位生成气孔，并且气孔的大小与碳化硅的粒径相同，从而能够得到均一并且容易控制的大小的气孔。
进一步地，包括氧化钠、锂辉石、硼玻璃、陶土粉原料形成的陶瓷结合剂，不仅提供与碳化硅在无氧环境下反应的碱金属氧化物，而且这些原料通过烧结能够形成耐高温、强度好的陶瓷结合剂。可选地，刚玉磨料可购于市售的工业级刚玉原料。可选地，碳化硅可购于市售的工业级碳化硅原料。
作为一种可选实施方式，碳化硅为立方体碳化硅。立方碳化硅为碳化硅的低温稳定晶型-金刚石晶型，其强度以及硬度都高于刚玉磨料，在配料与刚玉磨料混合时，立方碳化硅均会保持其原有的力度，不会被刚玉磨料破碎而保持取本身大小，有利于形成相应大小的气孔。
可选地，在成型步骤后，还包括以下步骤：
干燥，将磨具坯体置于60～70℃的烘箱中干燥10～14h。
由于磨具坯体中含有水，通过添加适量的水能够提高磨具坯体的成型，然而，若磨具坯体中含有较多的水分将影响烧结效果，可能导致磨具坯体在烧结过程中开裂，本发明通过60～70℃的温度条件下干燥，能够避免干燥过程中产生龟裂并能够提高干燥效率，也有利于提高烧结效果。
碳化硅的粒度为80～120目，从而能够形成孔径约为120～180μm的气孔，可选地，可根据刚玉磨具磨削的工件选择不同粒度的碳化硅，进而形成相应孔径大小的气孔，以能够更好地容纳磨屑，提高防堵塞的能力。
进一步可选地，刚玉磨料的粒度为80～120目。尽管刚玉磨料能够很好地与结合剂粘结，不易从磨具上脱落，但是随着磨具的使用，不可避免地有些磨料从磨具上脱落。在本发明中，气孔的大小与磨料的大小接近，从而能够接纳脱落的磨料，使磨料在气孔二次固定，避免脱落的磨料随意滚落在工件表面产生划痕。
作为一种可选实施方式，烧结步骤中，先以升温速率4～6℃/min的速度升温至400～500℃进行无氧烧结，保温1～2h，再以升温速率3～4℃/min的速度升温至900～1200℃进行无氧烧结，保温3～5h，自然降温至600～700℃时通入空气或氧气进行有氧烧结，于600～700℃保温0.5～1h后自然冷却至室温。
通过上述烧结升温速率的控制以及烧结温度控制，在无氧烧结时能够满足结合剂的烧结要求，碳化硅与碱金属氧化物反应在碳化硅原位形成碱金属硅酸盐石墨颗粒，其中碱金属硅酸盐在无氧烧结条件下扩散至结合剂中。进一步地，降温至600～700℃通入空气或氧气以氧化石墨颗粒，此时由于结合剂已经完成了无氧烧结形成陶瓷结构，耐高温，不会在600～700℃存在不良反应，又能够除去位于碳化硅原位的石墨颗粒以形成气孔。
作为一种可选实施方式，配料步骤中，通过球磨机使刚玉磨具的制备原料混合均匀；球料比为5:1～1:5，球磨石直径为3～5cm，转速为30～40rpm，球磨时间为20～30min。通过球磨，能够使刚玉磨具各制备原料充分混合，提高混合效率，并且使磨料的分散更为均匀，另一方面也更有利于成型以及烧结。
作为一种可选实施方式，成型步骤中，采用冷静压进行加压成型，冷静压压力为20～30MPa。通过冷静压成型，能够使磨具坯体在各个方向受到相同大小的压力，从而使成型的磨具的密度更均衡，并能能够提高结合剂与磨料之间的粘结性能，提高磨具的强度。
相应地，本发明还提供了一种上述方法制备的刚玉磨具。由于上述制备方法具有上述特点，从而其制备的刚玉磨具也具有相应的效果，在此不再赘述。作为一种可选实施方式，刚玉磨具含有120～180μm的孔径。
实施例1
称取刚玉磨料40kg、碳化硅10kg、氧化钠8kg、锂辉石3kg、硼玻璃3kg、陶土粉5kg、糊精3kg、水2kg置于球磨机中，球磨20min，制得磨具坯料。其中，刚玉磨料的粒径为80目，碳化硅的粒径为80目，锂辉石、硼玻璃以及陶土粉的粒径小于5μm。球料比为5:1，球磨石直径为3cm，转速为30rpm。
根据磨具的形状，采用冷静压以20MPa的压力进行加压成型，制得磨具坯体。
将磨具坯体放入井式炉中，先以升温速率4℃/min的速度升温至400℃进行无氧烧结，保温1h，再以升温速率3℃/min的速度升温至900℃进行无氧烧结，保温3h，自然降温至600℃时通入空气进行有氧烧结，于600℃保温0.5h后自然冷却至室温，制得刚玉磨具。
实施例2
称取刚玉磨料50kg、碳化硅15kg、氧化钠8kg、锂辉石5kg、硼玻璃5kg、陶土粉7kg、糊精5kg、水3kg置于球磨机中，球磨30min，制得磨具坯料。其中，刚玉磨料的粒径为120目，碳化硅的粒径为120目，锂辉石、硼玻璃以及陶土粉的粒径小于5μm。球料比为1:5，球磨石直径为5cm，转速为40rpm。
根据磨具的形状，采用冷静压以30MPa的压力进行加压成型，制得磨具坯体。
将磨具坯体放入井式炉中，先以升温速率6℃/min的速度升温至500℃进行无氧烧结，保温2h，再以升温速率4℃/min的速度升温至1200℃进行无氧烧结，保温5h，自然降温至700℃时通入空气进行有氧烧结，于700℃保温1h后自然冷却至室温，制得刚玉磨具。
实施例3
称取刚玉磨料45kg、碳化硅12.5kg、氧化钠10kg、锂辉石4kg、硼玻璃4kg、陶土粉6kg、糊精4kg、水2.5kg置于球磨机中，球磨25min，制得磨具坯料。其中，刚玉磨料的粒径为100目，碳化硅的粒径为100目，锂辉石、硼玻璃以及陶土粉的粒径小于5μm。球料比为1:1，球磨石直径为4cm，转速为35rpm。
根据磨具的形状，采用冷静压以25MPa的压力进行加压成型，制得磨具坯体。
将磨具坯体放入井式炉中，先以升温速率5℃/min的速度升温至450℃进行无氧烧结，保温1.5h，再以升温速率3.5℃/min的速度升温至1050℃进行无氧烧结，保温4h，自然降温至650℃时通入空气进行有氧烧结，于650℃保温0.7h后自然冷却至室温，制得刚玉磨具。
实施例4
称取刚玉磨料40kg、碳化硅15kg、氧化钠12kg、锂辉石5kg、硼玻璃3kg、陶土粉6kg、糊精4kg、水3kg置于球磨机中，球磨20min，制得磨具坯料。其中，刚玉磨料的粒径为100目，碳化硅的粒径为100目，锂辉石、硼玻璃以及陶土粉的粒径小于5μm。球料比为5:3，球磨石直径为4cm，转速为30rpm。
根据磨具的形状，采用冷静压以20MPa的压力进行加压成型，制得磨具坯体。
将磨具坯体放入井式炉中，先以升温速率4℃/min的速度升温至400℃进行无氧烧结，保温1h，再以升温速率4℃/min的速度升温至1200℃进行无氧烧结，保温3h，自然降温至700℃时通入空气进行有氧烧结，于700℃保温0.5h后自然冷却至室温，制得刚玉磨具。
对比例1
称取刚玉磨料40kg、氧化钠8kg、锂辉石3kg、硼玻璃3kg、陶土粉5kg、糊精3kg、水2kg置于球磨机中，球磨20min，制得磨具坯料。其中，刚玉磨料的粒径为80目，锂辉石、硼玻璃以及陶土粉的粒径小于5μm。球料比为5:1，球磨石直径为3cm，转速为30rpm。
根据磨具的形状，采用冷静压以20MPa的压力进行加压成型，制得磨具坯体。
将磨具坯体放入井式炉中，先以升温速率4℃/min的速度升温至400℃进行无氧烧结，保温1h，再以升温速率3℃/min的速度升温至900℃进行无氧烧结，保温3h，自然降温至600℃时通入空气进行有氧烧结，于600℃保温0.5h后自然冷却至室温，制得刚玉磨具。
对比例2
称取刚玉磨料40kg、碳化硅10kg、氧化钠8kg、锂辉石3kg、硼玻璃3kg、陶土粉5kg、糊精3kg、水2kg置于球磨机中，球磨20min，制得磨具坯料。其中，刚玉磨料的粒径为80目，碳化硅的粒径为80目，锂辉石、硼玻璃以及陶土粉的粒径小于5μm。球料比为5:1，球磨石直径为3cm，转速为30rpm。
根据磨具的形状，采用冷静压以20MPa的压力进行加压成型，制得磨具坯体。
将磨具坯体放入井式炉中，先以升温速率4℃/min的速度升温至400℃进行无氧烧结，保温1h，再以升温速率3℃/min的速度升温至900℃进行无氧烧结，保温3h，自然降温至室温，制得刚玉磨具。
对比例3
称取刚玉磨料65kg、氧化钠8kg、锂辉石5kg、硼玻璃5kg、陶土粉7kg、糊精5kg、水3kg置于球磨机中，球磨30min，制得磨具坯料。其中，刚玉磨料的粒径为120目，锂辉石、硼玻璃以及陶土粉的粒径小于5μm。球料比为1:5，球磨石直径为5cm，转速为40rpm。
根据磨具的形状，采用冷静压以30MPa的压力进行加压成型，制得磨具坯体。
将磨具坯体放入井式炉中，先以升温速率6℃/min的速度升温至500℃进行无氧烧结，保温2h，再以升温速率4℃/min的速度升温至1200℃进行无氧烧结，保温5h，自然降温至700℃时通入空气进行有氧烧结，于700℃保温1h后自然冷却至室温，制得刚玉磨具。
对实施例1至4以及对比例1至3进行分析和测试，测试结果如表1所示。
表1实施例以及对比例测试结果
Figure GDA0003280639940000101
从表1的实施例以及对比例的测试结果可以看出，本发明的的磨削质量明显提高，磨削时不存在堵塞或划伤的情况，而对比例1和3中，由于未添加有碳化硅原料，尽管制备方法与本发明相同，但是制备的磨具使用时仍存在堵塞和划伤的情况；对比例2中，尽管添加有碳化硅原料，但是由于制备的烧结过程中未在适宜的时候通入空气或氧气以在碳化硅处形成气孔，仍存在堵塞或划伤的情况。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种刚玉磨具制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
配料，称取所述刚玉磨具的制备原料并混合均匀，制得坯料；
成型，将所述坯料加压成型，制得磨具坯体；
烧结，将所述磨具坯体依次进行无氧烧结以及有氧烧结，制得刚玉磨具；
其中，所述刚玉磨具的制备原料包括以下重量份数的原料：
刚玉磨料40～50份、碳化硅10～15份、氧化钠8～12份、锂辉石3～5份、硼玻璃3～5份、陶土粉5～7份、糊精3～5份、水2～3份；
所述碳化硅的粒度为80～120目；
碳化硅在无氧烧结过程中与锂辉石、硼玻璃中的碱金属氧化物发生反应生成金属硅酸盐以及石墨，碱金属硅酸盐通过热扩散进入到结合剂中，而石墨单质就在碳化硅原来的位置原位生成，进一步进行有氧烧结，石墨单质被氧化后二氧化碳排出，从而在碳化硅原位生成气孔；
所述刚玉磨具含有120～180μm孔径的气孔。
2.根据权利要求1所述的刚玉磨具制备方法，其特征在于，所述刚玉磨料的粒度为80～120目。
3.根据权利要求1至2任意一项所述的刚玉磨具制备方法，其特征在于，所述烧结步骤中，先以升温速率4～6℃/min的速度升温至400～500℃进行无氧烧结，保温1～2h，再以升温速率3～4℃/min的速度升温至900～1200℃进行无氧烧结，保温3～5h，自然降温至600～700℃时通入空气或氧气进行有氧烧结，于600～700℃保温0.5～1h后自然冷却至室温。
4.根据权利要求3所述的刚玉磨具制备方法，其特征在于，所述配料步骤中，通过球磨机使所述刚玉磨具的制备原料混合均匀；球料比为5:1～1:5，球磨石直径为3～5cm，转速为30～40rpm，球磨时间为20～30min。
5.根据权利要求3所述的刚玉磨具制备方法，其特征在于，所述成型步骤中，采用冷静压进行加压成型，冷静压压力为20～30MPa。
6.一种刚玉磨具，其特征在于，所述刚玉磨具采用如权利要求1至5任意一项所述的制备方法制备而成。
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