CN111136580B - 一种高硬度脆性材料加工用l形节块碗磨 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨，属于金刚石磨削工具的技术领域。本发明的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨，包括具有环形加工面的碗状金属基体，环形加工面上形成有多个L形金刚石磨块；L形金刚石磨块由底层和磨削层组成，并且底层中的金刚石浓度小于磨削层中的金刚石浓度；L形金刚石模块由金刚石颗粒和金属结合剂分两段烧结，并且冷却过程中冷却至300℃的平均冷却速度为3～10℃/min。本发明的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨的胎体耐磨性能高，并且胎体对金刚石颗粒的包镶性能好，特别适用于耐火材料、花岗岩等高硬度脆性石材的磨削。

Description

一种高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨
技术领域
本发明涉及金刚石磨削工具的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨。
背景技术
金刚石磨轮是指以金刚石颗粒作为磨料的金刚石刀头焊接或者冷压在钢基体上而成的轮状或碗状的金刚石磨削工具。其中的金刚石刀头是通过人造金刚石和其它的金属粉末通过冷压和热压烧结而成，然后焊接在钢基体上。金刚石碗磨属于金刚石磨轮中的一种，其磨削层采用金属粉末(和/或预合金粉末)作为结合剂，以金刚石颗粒作为磨粒混配冷压后，在高温热压烧结机上烧结成型，主要用于对石材表面、边、角进行快速粗磨。
在现有技术中，用于石材表面的碗磨通常在基体平面上设置环形的工作面，并且在工作面上采用环形或者环形节块的磨削层，对于耐火材料、花岗岩等高硬度脆性材料的快速粗磨而言，磨削层的自锐性一般不成问题，但使用常规结合剂和烧结方法的磨削层的硬度通常较低，使得包镶金刚石的胎体材料的耐磨损性能较差，胎体的磨损速度较快，容易导致金刚石颗粒过早和过多的脱落。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨。
本发明的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨，包括碗状金属基体，碗状金属基体具有位于上沿的环形加工面；并且环形加工面上通过冷压和烧结形成有多个L形金刚石磨块；其特征在于：所述L形金刚石磨块由底层和磨削层组成，并且所述底层中的金刚石浓度小于所述磨削层中的金刚石浓度；所述L形金刚石磨块由沿着环形加工面外圆周延伸设置的第一磨块段和自所述环形加工面外圆周向环形加工面内圆周弯折并延伸设置的第二磨块段组成，所述第一磨块段和第二磨块段具有基本相同的宽度。
其中，所述环形加工面上设置有多个心形通孔，心形通孔与L形金刚石磨块一一对应，并且心形通孔位于所述环形加工面的内圆周一侧与所述L形金刚石磨块之间。
其中，所述底层和磨削层均由金刚石颗粒和金属结合剂通过混料、冷压和烧结形成。
其中，所述烧结分两段进行，在720～760℃保温3～10min，并且在850～900℃保温5～20min，冷却过程中冷却至300℃的平均冷却速度为3～10℃/min。
其中，所述磨削层采用的金属结合剂由25～30wt％的电解铜粉、3～5wt％的雾化锡粉、10～15wt％的CST合金粉、3～8wt％的高碳铬铁粉、1.5～3.5wt％的硅铁粉、0.5～3.0wt％的稀土合金粉、和余量的电解铁粉组成。
其中，所述底层采用的金属结合剂由20～25wt％的电解铜粉、3～5wt％的雾化锡粉、10～15wt％的青铜粉、1～2wt％的镍粉，和余量的电解铁粉组成。
其中，所述高碳铬铁粉含有62.0～72.0wt％的Cr、9.5wt％的C、0.50～0.10wt％的Si，和余量的Fe以及不可避免的杂质。
其中，所述硅铁粉含有72.0～78.0wt％的Si，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
其中，所述CST合金粉含有18.0～22.0wt％的Sn，以及余量的Cu和不可避免的杂质。
其中，所述稀土合金粉为La-Ce合金粉。
与现有技术相比，本发明的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨与现有的环形磨轮相比具有以下有益效果：
本发明的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨的胎体耐磨性能高，并且胎体对金刚石颗粒的包镶性能好，特别适用于耐火材料、花岗岩等高硬度脆性石材的磨削。
附图说明
图1为本发明的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨的俯视图。
图2为图1沿着A方向的剖切图。
图3为图2中圆圈所示部分的放大结构图。
图4为L形金刚石磨块的两段间的夹角示意图。
图5为本发明的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨的立体图。
图6为本发明的L形节块碗磨的典型烧结曲线示意图。
图7为用显微镜准焦发测量金刚石出刃高度的示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1～2所示，本发明的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨，包括碗状金属基体10，碗状金属基体10具有位于其上沿的环形加工面11，环形加工面通过机械加工为平整的表面。所述碗状金属基体10可为铝合金基体、低碳钢基体或低合金钢基体。环形加工面11上通过冷压和烧结工艺形成有多个L形金刚石磨块20，所述L形金刚石模块20的个数一般为6～8个，在以下实施例和比较例中均为6个。在本发明中，L形金刚石磨块由沿着环形加工面11外圆周延伸设置的第一磨块段和自所述环形加工面外圆周向环形加工面内圆周弯折并延伸设置的第二磨块段组成，第一磨块段和第二磨块段具有基本相同的宽度，并且所述第一磨块段和第二磨块段为一体成型结构。如图4所示，将所述第一磨块段和第二磨块段邻近部分的切线方向的夹角定义为二者的夹角，并且二者之间的夹角设计为120°～150°。将夹角设计为上述范围能够保证磨削时，磨轮的顺应性同时还能使得其中的金刚石磨块能够获得持久的自锐性能。所述环形加工面11上还设置有多个心形通孔30，心形通孔30与L形金刚石磨块一一对应，并且心形通孔30位于环形加工面11的内圆周一侧与L形金刚石磨块20之间。L形金刚石磨块20与心形通孔30均匀分布在环形加工面11上。在本发明中，通过设置与L形金刚石磨块一一对应且邻近于L形金刚石磨块的心形通孔能够保证在高速磨削的工况下的排屑和散热问题，非常适合于高速的干磨削工艺。图5示出了本发明的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨的立体图。
如图3所示，L形金刚石磨块20由底层21和磨削层22组成。底层21中的金刚石浓度小于磨削层22中的金刚石浓度。通过在底层21中设置浓度低于磨削层22的金刚石颗粒，一方面使得底层21在磨削层22完全磨损后可以继续发挥磨削的作用，另一方面也不影响磨块与基体之间的粘结性。L型金刚石磨块20首先是通过金刚石颗粒与金属结合剂配料得到底层成型料和磨削层成型料，然后将钢基体放置在工装模具中并依次投放底层成型料和磨削层成型料，通过冷压得到毛坯，最后在石墨模具中并于保护气氛中进行烧结。在本发明中，底层中的金属结合剂的配方一方面具有优异的粘结性能，同时也具有包覆金刚石颗粒的能力。而磨削层中的配方通过配合特殊的烧结工艺能够获得高硬度以及对金刚石颗粒的包镶能力，起到主要的磨削平面和边角的作用。具体来说，在本发明中，烧结分两段进行，第一段在720～760℃保温3～10min，第二段在850～900℃保温5～20min，冷却过程中平均冷却速度为3～10℃/min，出炉温度为100℃以下。磨削层采用的金属结合剂由25～30wt％的电解铜粉、3～5wt％的雾化锡粉、10～15wt％的CST合金粉、3～8wt％的高碳铬铁粉、1.5～3.5wt％的硅铁粉、0.5～3.0wt％的稀土合金粉、和余量的电解铁粉组成。底层采用的金属结合剂由20～25wt％的电解铜粉、3～5wt％的雾化锡粉、10～15wt％的青铜粉、1～2wt％的镍粉，和余量的电解铁粉组成。对于本发明的配方，第一段烧结的温度优选在700℃以上，如果小于700℃，尤其是低于600℃将起不到提高硬度以及包覆能力的作用。
在上述金属结合剂中采用的高碳铬铁粉、硅铁粉、CST合金粉以及稀土合金粉均为市售。具体来说，所述高碳铬铁粉可以含有62.0～72.0wt％的Cr、9.5wt％的C、0.50～0.10wt％的Si，和余量的Fe以及不可避免的杂质(在以下实施例和比较例中采用FeCr67C9.5)。所述硅铁粉含有72.0～78.0wt％的Si，以及余量的Fe和不可避免的杂质(在以下实施例或比较例中硅铁粉的名义组成为75.0wt％的Si，以及余量的Fe和不可避免的杂质)。CST合金粉含有18.0～22.0wt％的Sn，以及余量的Cu和不可避免的杂质(在以下实施例或比较例中CST合金粉的名义组成为20.0wt％的Sn，以及余量的Cu和不可避免的杂质)。所述稀土合金粉为La-Ce合金粉，添加La-Ce合金粉相对于La粉或Ce粉显著降低了成本，而且同样能够发挥抑制氧、硫等偏析的作用，La-Ce合金粉在烧结过程中能够优先于氧、硫作用形成化合物弥散分布于胎体中。图6示出了本发明的烧结工艺中的典型烧结曲线示意图，其中包括了第一烧结段和第二烧结段，升温过程中典型的升温速度为10～50℃/min，升温速度对烧结性能影响不明显，在此不讨论。在本发明中，通过在磨削层的金属结合剂中添加高碳铬铁粉、硅铁粉不仅提高了胎体的耐磨性，而且通过配合特殊的两段烧结工艺，也进一步提高了胎体对金刚石颗粒的包镶能力，显示出了高的出刃高度，表现出了卓越的磨削性能。具体来说，冷却过程的冷却速度也会对L型金刚石磨块的性能产生显著影响，当从第二烧结温度冷却至300℃的冷却速度小于2℃/min时，胎体表现出较低的硬度，对应地耐磨性也下降，但当冷却至300℃的冷却速度大于10℃/min，胎体对金刚石颗粒的包镶能力较差，更优选冷却速度为3～8℃/min，在该冷却速度范围，能够获得兼有耐磨性好且包镶能力高的胎体。
实施例1
1)配料：以重量百分比表示，底层采用的金属结合剂中含有25wt％的电解铜粉、5wt％的雾化锡粉、10wt％的青铜粉、1wt％的镍粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.5ct/cm3，金刚石粒度40/45#-60％、50/60％-40％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到底层成型料。以重量百分比表示，磨削层采用的金属结合剂含有30％的电解铜粉、5％的雾化锡粉、10％的CST合金粉、8％的高碳铬铁粉、1.5％的硅铁粉、3.0％的稀土合金粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.8ct/cm3，金刚石粒度35/40#-30％、40/50-40％、45/50#-30％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到磨削层成型料。
2)冷压：调整好工装模具，先投放清洁好的65Mn钢基体，然后投放底层成型料并将粉料刮均匀，然后上压机预压，之后投放磨削层成型料，并放置到冷压成型钢模中冷压成型得到“L”型碗磨的毛坯。
3)烧结：将冷压的“L”型碗磨的毛坯，组装在石墨模具中，在保护气氛中升温至750℃，保温10分钟，然后继续升温至880℃保温15分钟，之后随炉冷却并且在冷却至300℃以前平均冷却速度控制在约8℃/min，然后缓冷至100℃以下出炉。
4)后加工：烧结后的碗磨基体表面喷砂、测动平衡、喷漆、开刃。
5)后加工好的碗磨，进行打标、印字，按要求包装入库。
实施例2
1)配料：以重量百分比表示，底层采用的金属结合剂中含有20wt％的电解铜粉、3wt％的雾化锡粉、15wt％的青铜粉、2wt％的镍粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.5ct/cm3，金刚石粒度40/45#-60％、50/60％-40％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到底层成型料。以重量百分比表示，磨削层采用的金属结合剂含有25％的电解铜粉、3％的雾化锡粉、15％的CST合金粉、3％的高碳铬铁粉、3.5％的硅铁粉、1.5％的稀土合金粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.8ct/cm3，金刚石粒度35/40#-30％、40/50-40％、45/50#-30％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到磨削层成型料。
2)冷压：调整好工装模具，先投放清洁好的65Mn钢基体，然后投放底层成型料并将粉料刮均匀，然后上压机预压，之后投放磨削层成型料，并放置到冷压成型钢模中冷压成型得到“L”型碗磨的毛坯。
3)烧结：将冷压的“L”型碗磨的毛坯，组装在石墨模具中，在保护气氛中升温至约750℃，保温10分钟，然后继续升温至约880℃保温15分钟，之后控制冷却速度在冷却至300℃以前的平均冷却速度为4℃/min，然后缓冷至100℃以下出炉。
4)后加工：烧结后的碗磨基体表面喷砂、测动平衡、喷漆、开刃。
5)后加工好的碗磨，进行打标、印字，按要求包装入库。
实施例3
1)配料：以重量百分比表示，底层采用的金属结合剂中含有23wt％的电解铜粉、4wt％的雾化锡粉、12wt％的青铜粉、1wt％的镍粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.5ct/cm3，金刚石粒度40/45#-60％、50/60％-40％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到底层成型料。以重量百分比表示，磨削层采用的金属结合剂含有28％的电解铜粉、4％的雾化锡粉、12％的CST合金粉、6％的高碳铬铁粉、2.5％的硅铁粉、1.5％的稀土合金粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.8ct/cm3，金刚石粒度35/40#-30％、40/50-40％、45/50#-30％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到磨削层成型料。
3)烧结：将冷压的“L”型碗磨的毛坯，组装在石墨模具中，在保护气氛中升温至约750℃，保温10分钟，然后继续升温至约880℃保温15分钟，之后控制冷却速度在冷却至300℃以前的冷却速度为5℃/min，然后缓冷至100℃以下出炉。
3)烧结：将冷压的“L”型碗磨的毛坯，组装在石墨模具中，在保护气氛中升温至750℃，保温10分钟，然后继续升温至880℃保温15分钟，之后随炉冷却并且在冷却至300℃以前平均冷却速度控制在5℃/min，然后缓冷至100℃以下出炉。
4)后加工：烧结后的碗磨基体表面喷砂、测动平衡、喷漆、开刃。
5)后加工好的碗磨，进行打标、印字，按要求包装入库。
对比例1
1)配料：以重量百分比表示，底层采用的金属结合剂中含有23wt％的电解铜粉、4wt％的雾化锡粉、12wt％的青铜粉、1wt％的镍粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.5ct/cm3，金刚石粒度40/45#-60％、50/60％-40％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到底层成型料。以重量百分比表示，磨削层采用的金属结合剂含有28％的电解铜粉、4％的雾化锡粉、12％的CST合金粉、6％的高碳铬铁粉、2.5％的硅铁粉、1.5％的稀土合金粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.8ct/cm3，金刚石粒度35/40#-30％、40/50-40％、45/50#-30％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到磨削层成型料。
2)冷压：调整好工装模具，先投放清洁好的65Mn钢基体，然后投放底层成型料并将粉料刮均匀，然后上压机预压，之后投放磨削层成型料，并放置到冷压成型钢模中冷压成型得到“L”型碗磨的毛坯。
3)烧结：将冷压的“L”型碗磨的毛坯，组装在石墨模具中，在保护气氛中升温至约750℃，保温10分钟，然后继续升温至约880℃保温15分钟，之后控制冷却速度在冷却至300℃以前的平均冷却速度为15℃/min，然后缓冷至100℃以下出炉。
4)后加工：烧结后的碗磨基体表面喷砂、测动平衡、喷漆、开刃。
5)后加工好的碗磨，进行打标、印字，按要求包装入库。
对比例2
1)配料：以重量百分比表示，底层采用的金属结合剂中含有23wt％的电解铜粉、4wt％的雾化锡粉、12wt％的青铜粉、1wt％的镍粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.5ct/cm3，金刚石粒度40/45#-60％、50/60％-40％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到底层成型料。以重量百分比表示，磨削层采用的金属结合剂含有28％的电解铜粉、4％的雾化锡粉、12％的CST合金粉、6％的高碳铬铁粉、2.5％的硅铁粉、1.5％的稀土合金粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.8ct/cm3，金刚石粒度35/40#-30％、40/50-40％、45/50#-30％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到磨削层成型料。
2)冷压：调整好工装模具，先投放清洁好的65Mn钢基体，然后投放底层成型料并将粉料刮均匀，然后上压机预压，之后投放磨削层成型料，并放置到冷压成型钢模中冷压成型得到“L”型碗磨的毛坯。
3)烧结：将冷压的“L”型碗磨的毛坯，组装在石墨模具中，在保护气氛中升温至约750℃，保温10分钟，然后继续升温至约880℃保温15分钟，之后控制冷却速度在冷却至300℃以前的平均冷却速度为2℃/min，然后缓冷至100℃以下出炉。
4)后加工：烧结后的碗磨基体表面喷砂、测动平衡、喷漆、开刃。
5)后加工好的碗磨，进行打标、印字，按要求包装入库。
对比例3
1)配料：以重量百分比表示，底层采用的金属结合剂中含有23wt％的电解铜粉、4wt％的雾化锡粉、12wt％的青铜粉、1wt％的镍粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.5ct/cm3，金刚石粒度40/45#-60％、50/60％-40％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到底层成型料。以重量百分比表示，磨削层采用的金属结合剂含有28％的电解铜粉、4％的雾化锡粉、12％的CST合金粉、6％的高碳铬铁粉、2.5％的硅铁粉、1.5％的稀土合金粉和余量的电解铁粉，添加的金刚石颗粒的浓度为0.8ct/cm3，金刚石粒度35/40#-30％、40/50-40％、45/50#-30％，混制成成型料，采用三维混料机，混料120分钟得到磨削层成型料。
2)冷压：调整好工装模具，先投放清洁好的65Mn钢基体，然后投放底层成型料并将粉料刮均匀，然后上压机预压，之后投放磨削层成型料，并放置到冷压成型钢模中冷压成型得到“L”型碗磨的毛坯。
3)烧结：将冷压的“L”型碗磨的毛坯，组装在石墨模具中，在保护气氛中升温至约880℃保温25分钟，之后随炉冷却并且在冷却至300℃以前冷却速度控制在5℃/min，然后缓冷至100℃以下出炉。
4)后加工：烧结后的碗磨基体表面喷砂、测动平衡、喷漆、开刃。
5)后加工好的碗磨，进行打标、印字，按要求包装入库。
测量实施例1～3以及对比例1～3制备的碗磨上的6个磨块的HRB硬度(各磨块上测量一个点，取平均值)。并分别将碗磨安装在角磨机上对花岗岩石材以干磨削方式进行磨削试验(切入式，转速3000r/min，切深0.10mm)，磨削20分钟后观测L形金刚石磨块整个磨削面上露出的金刚石颗粒的情况。
金刚石出刃高度是表征金刚石工具磨削性能的重要指标。如图7所示，金刚石的出刃高度是指个工具中露出的金刚石颗粒顶点到包镶金刚石胎体切割方向前部沟谷间的高度h。显微镜准焦法是利用调焦旋钮带有刻度分划值的偏光显微镜，分别在出露金刚石的顶部和切割方向上金刚石前部的胎体沟谷准焦，记录下调焦旋钮的刻度值，两个测量数据的差值为高度差，即金刚石出刃高度。
分别统计各实施例以及对比例的L形金刚石磨块整个磨削面上出露的金刚石颗粒的个数，以及全部出露的金刚石颗粒的出刃高度的平均值(全部出刃平均值)，并且统计出刃高度大于110μm的金刚石颗粒的个数，以及出刃高度大于110μm的金刚石颗粒的平均高度值(高出刃平均值)以及所占的百分比。测试结果如表1所示。
表1
Figure BSA0000173632370000091
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨，包括碗状金属基体，碗状金属基体具有位于上沿的环形加工面；并且环形加工面上通过冷压和烧结形成有多个L形金刚石磨块；其特征在于：所述L形金刚石磨块由底层和磨削层组成，并且所述底层中的金刚石浓度小于所述磨削层中的金刚石浓度；所述L形金刚石磨块由沿着环形加工面外圆周延伸设置的第一磨块段和自所述环形加工面外圆周向环形加工面内圆周弯折并延伸设置的第二磨块段组成，所述第一磨块段和第二磨块段具有基本相同的宽度；所述磨削层采用的金属结合剂由25～30wt％的电解铜粉、3～5wt％的雾化锡粉、10～15wt％的CST合金粉、3～8wt％的高碳铬铁粉、1.5～3.5wt％的硅铁粉、0.5～3.0wt％的La-Ce合金粉、和余量的电解铁粉组成；所述底层采用的金属结合剂由20～25wt％的电解铜粉、3～5wt％的雾化锡粉、10～15wt％的青铜粉、1～2wt％的镍粉，和余量的电解铁粉组成；所述底层和磨削层均由金刚石颗粒和金属结合剂通过混料、冷压和烧结形成；所述烧结分两段进行，在720～760℃保温3～10min，并且在850～900℃保温5～20min，冷却过程中冷却至300℃的平均冷却速度为3～10℃/min。
2.根据权利要求1所述的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨，其特征在于：所述环形加工面上设置有多个心形通孔，心形通孔与L形金刚石磨块一一对应，并且心形通孔位于所述环形加工面的内圆周一侧与所述L形金刚石磨块之间。
3.根据权利要求1所述的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨，其特征在于：所述高碳铬铁粉含有62.0～72.0wt％的Cr、9.5wt％的C、0.50～0.10wt％的Si，和余量的Fe以及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨，其特征在于：所述硅铁粉含有72.0～78.0wt％的Si，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的高硬度脆性材料加工用L形节块碗磨，其特征在于：所述CST合金粉含有18.0～22.0wt％的Sn，以及余量的Cu和不可避免的杂质。
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