CN110842799A

CN110842799A - 一种陶瓷金属复合结合剂砂轮及其制备方法

Info

Publication number: CN110842799A
Application number: CN201911132670.8A
Authority: CN
Inventors: 郝素叶; 赵炯; 赵延军; 李大水; 王思亮; 许本超
Original assignee: Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-02-28
Anticipated expiration: 2039-11-19
Also published as: CN110842799B

Abstract

本发明涉及一种陶瓷金属复合结合剂砂轮的制备方法：1）液体陶瓷结合剂的制备：将一定配比的Al(NO₃)₃、H₃BO₃、LiNO₃和NaNO₃溶于水中，再加入SiO₂溶胶，得到液体陶瓷结合剂；2）陶瓷金属复合结合剂的制备：将金刚石微粉、金属混合粉添加到液体陶瓷结合剂中混匀，获得混合浆料；3）喷雾造粒：将步骤2）所得混合浆料进行喷雾造粒，制成成型料；4）烧结成型及后处理：将步骤3）所得成型料进行压制成型、烧结、修整和修锐即得到陶瓷金属复合结合剂砂轮。本发明提高了砂轮的微观结构一致性，解决了现有技术导致的崩口较大、切缝蛇形、烧伤、切割质量不稳定、消耗速度不均匀、大块脱落等现象，同时砂轮还具有较高的强度和使用寿命。

Description

一种陶瓷金属复合结合剂砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种陶瓷金属复合结合剂砂轮及其制备方法。

背景技术

近几年来，随着高速磨削和超精密磨削技术的迅速发展，对砂轮提出了更高要求。陶瓷树脂结合剂砂轮已不能满足生产需要，金属结合剂砂轮因其具有把持力强、结合强度高、耐磨性好、耐高温、成型性能好、寿命长、导热性好，能承受较大的磨削压力等特点，在工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金等难加工材料的磨削加工中得到了广泛应用。但金属结合剂砂轮自锐性差，常添加陶瓷结合剂提高自锐性，而传统固体陶瓷结合剂采用固相机械粉碎过筛方法得到粒径为1~100μm粉体，在制备微粉级金刚石磨料复合结合剂砂轮时，会形成以结合剂为中心的非均匀结构，不能实现对磨料有效包覆，降低结合剂强度及对磨料的把持力，且烧结后较大块的陶瓷结合剂切削过程中容易产生崩口等质量问题。再加上复合结合剂采用传统的球磨混合法，一是陶瓷结合剂粉、金属微粉、磨料相对较细，流动性差，易产生团聚，二是陶瓷结合剂粉、金属微粉、金刚石固相混合摩擦力大，不易混合均匀，三是金属微粉与磨料密度、粒度相差较大，混合均匀后在成型摊料过程中易分层，导致烧结后的磨料层相态分布不均，以上因素将会导致砂轮微观结构差异较大，进而导致应用过程中出现较大崩口、切缝蛇形、烧伤、切割质量不稳定、消耗速度不均匀、大块脱落等现象。为了解决上述问题，本发明提供了一种陶瓷金属复合结合剂砂轮及其制备方法，从成型料的制备及原材料的选择上改善目前切割过程中出现的问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种陶瓷金属复合结合剂砂轮及其制备方法，其提高了砂轮的微观结构的一致性，解决了现有技术导致的较大崩口、切缝蛇形、烧伤、切割质量不稳定、消耗速度不均匀、大块脱落等现象，同时砂轮还具有较高的强度和使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种陶瓷金属复合结合剂砂轮的制备方法，其包括如下步骤：

1）液体陶瓷结合剂的制备：将一定配比的Al(NO₃)₃、H₃BO₃、LiNO₃和NaNO₃溶于水中，再缓慢加入SiO₂溶胶，得到液体陶瓷结合剂；原料以氧化物摩尔百分比计，液体陶瓷结合剂中各原料配比为：Al₂O₃13％～17％、B₂O₃ 15％～20％、Li₂O 5％～8％、Na₂O 15％～18％、SiO₂37％～48％；

2）陶瓷金属复合结合剂的制备：将金刚石微粉、金属混合粉添加到液体陶瓷结合剂中混匀，获得混合浆料；

3）喷雾造粒：将步骤2）所得混合浆料在搅拌过程中进行喷雾造粒，制成成型料；

4）烧结成型及后处理：将步骤3）所得成型料进行压制成型、烧结、修整和修锐即得到陶瓷金属复合结合剂砂轮。

进一步优选的，步骤1）中，SiO₂溶胶的固含量为30%-50%。液体陶瓷结合剂的固含量以40%～50％为佳。

具体的，步骤2）中，混合浆料中各成分质量百分比为：金刚石微粉10～15%、金属混合粉78～85%、陶瓷结合剂5～12%。

具体的，步骤2）中，金属混合粉由以下质量百分比原料组成：Sn 11～20%、Ni 5～10%、Fe 1～5%、Ti 1～4%、Al 3～10%，余量为铜粉。

进一步优选的，所述金刚石微粉的粒度为w20-w5；所述金属混合粉中，Cu粉的平均粒径0.5~2μm、Sn粉的平均粒径为2~15μm（优选2~7μm）、Ni 粉的平均粒度为0.5~3μm、Fe粉的平均粒径为 0.3~4μm、Ti粉的平均粒径为0.5~6μm、Al粉平均粒径为1~10μm（优选1~6μm）。

进一步优选的，步骤3）中喷雾造粒时，喷雾压力为1-4MPa，喷雾干燥的温度180-240℃，获得成型料的粒径范围为10~32μm。

进一步优选的，步骤4）中，压制成型时压制压力为180-220MPa，烧结温度为650-710℃。

本发明还提供了采用上述制备方法制备得到的陶瓷金属复合结合剂砂轮。本发明中涉及的原料均可以直接购买普通市售产品。

本发明提高了砂轮微观结构的一致性，解决了现有技术因结构差异大导致切割过程中出现较大崩口、切缝蛇形、烧伤、切割质量不稳定、消耗速度不均匀、大块脱落等问题，同时砂轮还具有较高的强度和使用寿命。

本发明的主要创新点在于：1）将传统的固体陶瓷结合剂调整为液体陶瓷结合剂，即将可溶性原料溶于水后与SiO₂溶胶混合制得，液体陶瓷结合剂原料Al(NO₃)₃、H₃BO₃、LiNO₃和NaNO₃溶于水后是离子状态，SiO₂溶胶的粒径小于100nm，可实现对磨料的均匀包裹，提高结合剂强度及对磨料的把持力，同时纳米级原料可细化砂轮结构，提高切割精度。2）将液体陶瓷结合剂与金刚石微粉和金属混合粉混匀后进行喷雾制粒，液相喷雾混料采用液相混料可提高混料均匀度，喷雾后所得成型料为有一定强度的球形颗粒，可避免摊料分层，且球形颗粒粒度均匀，流行性好，利于成型，可提高素坯微观结构一致性，进而提高切割质量。

和现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）针对现有金属结合剂砂轮因自锐性差而导致切割过程中易堵塞的缺陷，本发明制备的砂轮通过添加液体陶瓷结合剂提高了砂轮的自锐性，同时所用陶瓷结合剂为全液体，替代了传统的易团聚的细粉末陶瓷结合剂，细化了砂轮结构。

2）全液体陶瓷结合剂可对金刚石实现完全包覆，提高结合剂对磨料金刚石微粒的把持力，提高了砂轮的强度及寿命，且各原料在液体中混合能显著提高砂轮的均匀性，实现高质量切割；

3）更为重要的是，全液体陶瓷结合剂烧结温度低，可明显降低砂轮烧结温度，既可避免金刚石微粉氧化，又实现节能。除此之外，本发明的复合结合剂砂轮制备方法工艺简单，易实现自动化。

附图说明

图1为本发明陶瓷金属复合结合剂砂轮制备工艺流程图；

图2为本发明陶瓷金属复合结合剂砂轮与金属结合剂砂轮切割效果对比图，其中a为实施例1制备陶瓷金属复合结合剂砂轮切割效果图，b为对比例1传统陶瓷金属复合结合剂砂轮切割效果图；由图中可以看出：与传统陶瓷金属复合结合剂砂轮切割崩口相比，本发明实施例制备的复合结合剂砂轮切割崩口2μm远小于现有对比例的30μm，显著提高了切割质量。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种陶瓷金属复合结合剂砂轮的制备方法，其具体包括以下步骤：

1）液体陶瓷结合剂的制备：取配方量的Al(NO₃)₃、H₃BO₃、LiNO₃和NaNO₃溶于水中，再缓慢加入50%SiO₂溶胶，得到液体陶瓷结合剂；

原料以氧化物摩尔百分比计，液体陶瓷结合剂中各原料配比为：Al₂O₃17％、B₂O₃ 15％、Li₂O 5％、Na₂O 15％、SiO₂ 48％，液体陶瓷结合剂固含量为50％；

2）陶瓷金属复合结合剂的制备：将金刚石微粉、金属混合粉添加到液体陶瓷结合剂中并持续搅拌混匀，获得混合浆料；

混合浆料中各成分质量百分比为：金刚石微粉12%、金属混合粉78%、液体陶瓷结合剂10%。金属混合粉由以下质量百分比原料组成：Sn 15%、Ni 5%、Fe 5%、Ti 4%、Al 10%，余量为铜粉。金刚石微粉的粒度为w5，金属混合粉中Cu粉的平均粒径0.5μm、Sn粉的平均粒径为2μm、Ni 粉的平均粒度为0.5μm、Fe粉的平均粒径为 0.3μm、Ti粉的平均粒径为 0.5μm、Al粉平均粒径为 1μm；

3）喷雾造粒：将步骤2）所得混合浆料在搅拌过程中进行喷雾造粒（喷雾压力为1MPa，喷雾干燥的温度240℃），制成粒径为10μm的成型料；

4）烧结成型及后处理：将步骤3）所得成型料依次进行压制成型、烧结、修整和修锐即得到陶瓷金属复合结合剂砂轮，其中，压制压力180MPa，烧结温度为710℃。

实施例2

一种陶瓷金属复合结合剂砂轮的制备方法，其具体包括以下步骤：

1）液体陶瓷结合剂的制备：取配方量的Al(NO₃)₃、H₃BO₃、LiNO₃和NaNO₃溶于水中，再缓慢加入30%SiO₂溶胶，得到液体陶瓷结合剂；

原料以氧化物摩尔百分比计，液体陶瓷结合剂中各原料配比为：Al₂O₃17％、B₂O₃ 20％、Li₂O 8％、Na₂O 18％、SiO₂ 37％，液体陶瓷结合剂固含量为40％；

3）陶瓷金属复合结合剂的制备：将金刚石微粉、金属混合粉添加到液体陶瓷结合剂中并持续搅拌混匀，获得混合浆料；

混合浆料中各成分质量百分比为：金刚石微粉15%、金属混合粉73%、液体陶瓷结合剂12%。金属混合粉由以下质量百分比原料组成：Sn 20%、Ni 5%、Fe 5%、Ti 4%、Al 10%，余量为铜粉。金刚石微粉的粒度为w20，金属混合粉中Cu粉的平均粒径2μm、Sn粉的平均粒径为7μm、Ni 粉的平均粒度为3μm、Fe粉的平均粒径为 4μm、Ti粉的平均粒径为 6μm、Al粉平均粒径为6 μm；

3）喷雾造粒：将步骤2）所得混合浆料在搅拌过程中进行喷雾造粒（喷雾压力为1MPa，喷雾干燥的温度240℃），制成粒径为32μm的成型料；

4）烧结成型及后处理：将步骤3）所得成型料依次进行压制成型、烧结、修整和修锐即得到陶瓷金属复合结合剂砂轮，其中，压制压力220MPa，烧结温度为650℃。

实施例3

1）液体陶瓷结合剂的制备：取配方量的Al(NO₃)₃、H₃BO₃、LiNO₃和NaNO₃溶于水中，再缓慢加入40%SiO₂溶胶，得到液体陶瓷结合剂；

原料以氧化物摩尔百分比计，液体陶瓷结合剂中各原料配比为：Al₂O₃15％、B₂O₃ 17％、Li₂O 7％、Na₂O 17％、SiO₂ 44％，液体陶瓷结合剂固含量为45％；

混合浆料中各成分质量百分比为：金刚石微粉10%、金属混合粉85%、液体陶瓷结合剂5%。金属混合粉由以下质量百分比原料组成：Sn 11%、Ni 10%、Fe 5%、Ti4%、Al 10%，余量为铜粉。金刚石微粉的粒度为w13，金属混合粉中Cu粉的平均粒径2μm、Sn粉的平均粒径为5μm、Ni 粉的平均粒度为3μm、Fe粉的平均粒径为 4μm、Ti粉的平均粒径为 6μm、Al粉平均粒径为4 μm；

3）喷雾造粒：将步骤2）所得混合浆料在搅拌过程中进行喷雾造粒（喷雾压力为3MPa，喷雾干燥的温度220℃），制成粒径为28μm的成型料；

4）烧结成型及后处理：将步骤3）所得成型料依次进行压制成型、烧结、修整和修锐即得到陶瓷金属复合结合剂砂轮，其中，压制压力200MPa，烧结温度为680℃。

对比例1

一种陶瓷金属结合剂砂轮的制备方法，混合料中各成分质量百分比为：金刚石微粉12%、金属混合粉78%、陶瓷结合剂10%。金属混合粉由以下质量百分比原料组成：Sn 15%、Ni5%、Fe 5%、Ti 4%、Al 10%，余量为铜粉。金刚石微粉的粒度为w5，金属混合粉中Cu粉的平均粒径0.5μm、Sn粉的平均粒径为2μm、Ni 粉的平均粒度为0.5μm、Fe粉的平均粒径为 0.3μm、Ti粉的平均粒径为 0.5μm、Al粉平均粒径为 1μm；陶瓷结合剂各组分的配比为原料以氧化物摩尔百分比计，各原料配比为：Al₂O₃17％、B₂O₃ 15％、Li₂O 5％、Na₂O 15％、SiO₂ 48％，具体制备方法为：将陶瓷结合剂各原料混合后经1200℃熔融、水淬、球磨、过200#筛制得陶瓷结合剂；将陶瓷结合剂、金混合属粉、磨料金刚石微粉球磨混合均匀，经压制、烧结、修整和修锐即可得到陶瓷金属复合结合剂砂轮；其中压制压力180MPa，烧结温度为710℃。

效果试验

采用实施例1-3制备陶瓷金属复合结合剂砂轮与对比例1制备的陶瓷金属结合剂砂轮对比切割，切割的工件为长宽高为10×10×0.05cm的氧化铝陶瓷，切割机转速为 20000r/min，进刀速度为30mm/s，水冷却。切割结果如下：

实施例1：最大崩口尺寸为2μm，寿命为4000m；

实施例2：最大崩口尺寸为12μm，寿命为3300m；

实施例3：最大崩口尺寸为18μm，寿命为2700m；

对比例1：最大崩口尺寸为30μm，寿命为2000m。

由上述结果可以看出：和对比例1相比，本发明实施例1的最大崩口尺寸为2μm（见图2），寿命为4000m，较对比例1切割品质有明显的提升。

Claims

1.一种陶瓷金属复合结合剂砂轮的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）液体陶瓷结合剂的制备：将一定配比的Al(NO₃)₃、H₃BO₃、LiNO₃和NaNO₃溶于水中，再加入SiO₂溶胶，得到液体陶瓷结合剂；以氧化物摩尔百分比计，液体陶瓷结合剂中各原料配比为：Al₂O₃13％～17％、B₂O₃ 15％～20％、Li₂O 5％～8％、Na₂O 15％～18％、SiO₂ 37％～48％；

3）喷雾造粒：将步骤2）所得混合浆料进行喷雾造粒，制成成型料；

2.如权利要求1所述陶瓷金属复合结合剂砂轮的制备方法，其特征在于，步骤1）中，SiO₂溶胶的固含量为30%-50%。

3.如权利要求1所述陶瓷金属复合结合剂砂轮的制备方法，其特征在于，步骤2）中，混合浆料中各成分质量百分比为：金刚石微粉10～15%、金属混合粉78～85%、陶瓷结合剂5～12%。

4.如权利要求3所述陶瓷金属复合结合剂砂轮的制备方法，其特征在于，步骤2）中，金属混合粉由以下质量百分比原料组成：Sn 11～20%、Ni 5～10%、Fe 1～5%、Ti 1～4%、Al 3～10%，余量为铜粉。

5.如权利要求3所述陶瓷金属复合结合剂砂轮的制备方法，其特征在于，所述金刚石微粉的粒度为w20-w5；所述金属混合粉中，Cu粉的平均粒径0.5~2μm、Sn粉的平均粒径为2~15μm、Ni 粉的平均粒度为0.5~3μm、Fe粉的平均粒径为 0.3~4μm、Ti粉的平均粒径为0.5~ 6μm、Al粉平均粒径为1~ 10μm。

6.如权利要求3所述陶瓷金属复合结合剂砂轮的制备方法，其特征在于，步骤3）中喷雾造粒时，喷雾压力为1-4MPa，喷雾干燥的温度180-240℃，获得成型料的粒径范围为10~32μm。

7.如权利要求3所述陶瓷金属复合结合剂砂轮的制备方法，其特征在于，步骤4）中，压制成型时压制压力为180-220MPa,烧结温度为650-710℃。

8.采用权利要求1至7任一所述制备方法制备得到的陶瓷金属复合结合剂砂轮。