CN111251201A - 一种碳材料结合剂复合磨具及其制备方法 - Google Patents

一种碳材料结合剂复合磨具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种碳材料结合剂复合磨具及其制备方法，涉及磨具技术领域。本发明提供的复合磨具包括磨料和磨料结合剂；所述磨料为碳化硅、碳化硼、金刚石、立方氮化硼和氧化铝中的一种或几种；所述磨料结合剂为玻璃碳；所述磨料结合剂和磨料的体积比为1～9：9～1。本发明以碳化硅、碳化硼、金刚石、立方氮化硼和氧化铝中的一种或几种作为磨料，配以玻璃碳作为磨料结合剂，得到的磨具具有优异的耐热性、耐高温性，较高的抗折强度、硬度以及良好的耐腐蚀性，综合性能优异，且成分配比简单。本发明提供了所述碳材料结合剂复合磨具的制备方法，原料易得，设备简单、操作简便，便于加工成型。

Description

一种碳材料结合剂复合磨具及其制备方法
技术领域
本发明涉及磨具技术领域，特别涉及一种碳材料结合剂复合磨具及其制备方法。
背景技术
磨具是用以磨削、研磨和抛光的工具，除在机械制造和其他金属加工工业中被广泛采用外，还用于粮食加工、造纸工业和陶瓷、玻璃、石材、塑料、橡胶、木材等非金属材料的加工。
大部分的磨具是用磨料加上结合剂制成的人造磨具，目前，常用的结合剂主要有金属结合剂、陶瓷结合剂和树脂结合剂。这些结合剂主要存在的问题有：金属结合剂高温易变形，陶瓷结合剂脆性大、成分配比复杂，树脂结合剂耐热性差、保存周期短、耐腐蚀性差，进而影响了磨具的使用性能。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种碳材料结合剂复合磨具及其制备方法。本发明以玻璃碳作为磨料结合剂，使提供的磨具具有优异的耐热性、耐高温性，较高的抗折强度、硬度以及良好的耐腐蚀性，综合性能优异，且成分配比简单。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种碳材料结合剂复合磨具，包括磨料和磨料结合剂；
所述磨料为碳化硅、碳化硼、金刚石、立方氮化硼和氧化铝中一种或几种；
所述磨料结合剂为玻璃碳；
所述磨料结合剂和磨料的体积比为1～9：9～1。
优选地，所述磨料包括微粉、颗粒、晶须和纤维中的一种或几种；当所述磨料包括微粉时，所述微粉的粒径为0.1～40μm；当所述磨料包括颗粒时，所述颗粒的大小为20～400目。
优选地，所述磨料结合剂和磨料的体积比为7～5：3～5。
本发明提供了以上方案所述碳材料结合剂复合磨具的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述磨料和富碳聚合物混合进行压制成型得到压制品；
(2)将所述压制品在非氧化条件下加热进行玻璃化，得到所述碳材料结合剂复合磨具；所述玻璃化的加热温度为600～2500℃。
优选地，所述富碳聚合物包括酚醛树脂、酚醛树脂衍生物、糠醇树脂、糠醇树脂衍生物、环氧树脂和环氧树脂衍生物中的一种或几种。
优选地，所述压制成型的压力为10～20MPa，时间为1～2min。
优选地，所述玻璃化的保温时间为30～300min。
优选地，所述非氧化条件通过通入非氧化气氛或掩埋的方式实现；当所述非氧化条件通过掩埋的方式实现时，在进行玻璃化之前，还包括将所述压制品进行固化。
优选地，所述固化的温度为100～200℃。
本发明提供了一种碳材料结合剂复合磨具，包括磨料和磨料结合剂；所述磨料为碳化硅、碳化硼、金刚石、立方氮化硼和氧化铝中一种或几种；所述磨料结合剂为玻璃碳；所述磨料结合剂和磨料的体积比为1～9：9～1。在本发明中，玻璃碳具有类富勒烯的“牢笼”结构，使玻璃碳具有高温稳定性、极强的耐腐蚀性、高硬度、高机械强度、低热膨胀性，本发明以碳化硅、碳化硼、金刚石、立方氮化硼和氧化铝中的一种或几种作为磨料，配以玻璃碳作为磨料结合剂，得到的磨具具有优异的耐热性、耐高温性，较高的抗折强度、硬度以及良好的耐腐蚀性，且成分配比简单。此外，玻璃碳作为磨具结合剂比传统结合剂密度小、致密度高，使磨具具有轻质高强的特点。并且，本发明提供的磨具具有导电性，其导电性可根据磨料与磨料结合剂的不同体积比进行调整。本发明提供的碳材料结合剂复合磨具综合性能优异，可应用到高精度磨削领域、干磨领域和电化学磨削抛光领域。
本发明提供了所述碳材料结合剂复合磨具的制备方法，原料易得，设备简单、操作简便，便于加工成型。
附图说明
图1是实施例1压制成型后样品的实物图；
图2是实施例1固化后样品实物图；
图3是实施例1玻璃化后样品实物图。
具体实施方式
本发明提供了一种碳材料结合剂复合磨具，包括磨料和磨料结合剂；
所述磨料为碳化硅、碳化硼、金刚石、立方氮化硼和氧化铝中一种或几种；
所述磨料结合剂为玻璃碳；
所述磨料结合剂和磨料的体积比为1～9：9～1。
在本发明中，所述磨料优选包括微粉、颗粒、晶须和纤维中的一种或几种；当所述磨料包括微粉时，所述微粉的粒径优选为0.1～40μm，更优选为3.5～20μm；当所述磨料包括颗粒时，所述颗粒的大小优选为20～400目，更优选为100～250目。当所述磨料包括晶须和/或纤维时，本发明对所述晶须和纤维的参数没有特别的要求。本发明对所述磨料的来源没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述磨料结合剂和磨料的体积比优选为7～5：3～5，具体地可以为7：3、6：4、5：5。
在本发明中，玻璃碳具有类富勒烯的“牢笼”结构，使玻璃碳具有高温稳定性、极强的耐腐蚀性、高硬度、高机械强度、低热膨胀性，本发明以碳化硅、碳化硼、金刚石、立方氮化硼和氧化铝中的一种或几种作为磨料，配以玻璃碳作为磨料结合剂，得到的磨具具有优异的耐热性、耐高温性，较高的抗折强度、硬度以及良好的耐腐蚀性，且成分配比简单。此外，玻璃碳作为磨具结合剂比传统结合剂密度小、致密度高，使磨具具有轻质高强的特点。并且，本发明提供的磨具具有导电性，其导电性可根据磨料与磨料结合剂的不同体积比进行调整。本发明提供的碳材料结合剂复合磨具综合性能优异，可应用到高精度磨削领域、干磨领域和电化学磨削抛光领域。
本发明提供了以上方案所述碳材料结合剂复合磨具的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述磨料和富碳聚合物混合进行压制成型，得到压制品；
(2)将所述压制品在非氧化条件下加热进行玻璃化，得到所述碳材料结合剂复合磨具；所述玻璃化的加热温度为600～2500℃。
本发明将所述磨料和富碳聚合物混合进行压制成型，得到压制品。在本发明中，所述富碳聚合物优选包括酚醛树脂、酚醛树脂衍生物、糠醇树脂、糠醇树脂衍生物、环氧树脂和环氧树脂衍生物中的一种或几种。本发明对所述酚醛树脂衍生物、糠醇树脂衍生物和环氧树脂衍生物没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的相应衍生物即可。本发明对所述富碳聚合物的来源没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述富碳聚合物在后续玻璃化阶段会高温转变为玻璃碳，不同富碳聚合物在不同温度条件下转化成玻璃碳的转化率不同，富碳聚合物和磨料的加入量需要根据最终磨具中玻璃碳和磨料的体积比以及富碳聚合物的转化率进行反推。例如，需要制备的磨具中玻璃碳和磨料的体积比为V1:V2，玻璃碳的密度为ρ1、磨料的密度为ρ2，富碳化合物的转化率为x，则反推出制备磨具时富碳化合物与磨料的加入质量比为(ρ1V1/x)：(ρ2V2)。
本发明优选将所述磨料和富碳聚合物在研钵中混合，本发明对所述混合的具体方式没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的混合方式使所述磨料和富碳聚合物混合均匀即可。在本发明中，所述所述压制成型的压力优选为10～20MPa，具体地可以为10MPa、15MPa、20MPa；所述冷压成型的时间优选为1～2min，具体地可以为1min、2min。在本发明实施例中，所述压制成型的具体操作方法为：将所述磨料和富碳聚合物混合后得到的混合料加入腔体尺寸为40×8×4mm的石墨模具中，然后将所述石墨模具置于热压烧结机上，在所述压力下进行压制。
得到压制品后，本发明将所述压制品在非氧化条件下加热进行玻璃化，得到所述碳材料结合剂复合磨具；所述玻璃化的加热温度为600～2500℃。
在本发明中，所述非氧化条件优选通过通入非氧化气氛或掩埋的方式实现。在本发明中，所述非氧化气氛优选为氮气或氩气；当所述非氧化条件优选通过通入非氧化气氛实现时，本发明在非氧化气氛下对所述压制品直接进行玻璃化。
在本发明中，当所述非氧化条件优选通过掩埋的方式实现时，在进行玻璃化之前，本发明还包括将所述压制品进行固化，使压制品具有一定强度。本发明优选将所述压制品先在80℃温度下烘干水分，再进行固化。在本发明中，所述固化的温度优选为100～200℃。在本发明具体实施例中，所述固化的升温程序优选为从室温升温至第一中间温度，保温60～120min；然后从所述第一中间温度升温至第二中间温度，保温60～120min；再从所述第二中间温度升温至第三中间温度，保温60～120min；所述第一中间温度优选为100～110℃，所述第二中间温度优选为130℃，所述第三中间温度优选为150℃；所述固化的升温速率优选为1℃/min。在固化阶段，富碳聚合物分子间不断相互反应而简单的进行交联，并开始结合磨料成型。
在本发明中，所述掩埋的具体操作优选为：将经过固化阶段的压制品置于陶瓷坩埚中，用石墨粉或乙炔黑掩埋密实，将所述陶瓷坩埚封盖后放入马弗炉中进行玻璃化。在本发明具体实施例中，还优选在所述石墨粉或乙炔黑上覆盖一层刚玉粉。
在本发明中，所述压制品由固化阶段升温至玻璃化加热温度的升温速率优选为0.5～1℃/min。在本发明中，所述压制品由固化阶段升温至玻璃化加热温度的升温程序优选为：从所述第三中间温度升温至第四中间温度，保温120min；然后从所述第四中间温度升温至第五中间温度，保温120min；再从所述第五中间温度升温至第六中间温度，保温120min；之后从所述第六中间温度升温至所述玻璃化加热温度；所述第四中间温度优选为200℃，所述第五中间温度优选为400℃，所述第六中间温度优选为600℃。
在本发明中，所述玻璃化的加热温度为600～2500℃，优选为1000～1500℃；保温时间优选为30～300min，更优选为120～200min。在玻璃化阶段，富碳聚合物的分子链交联反应继续深入，分子量增大，逐步生成复杂的网状结构，并完全硬化，转化为碳材料，与磨料结合形成复合磨具。
本发明提供的所述碳材料结合剂复合磨具的制备方法，原料易得，设备简单、操作简便，便于加工成型。
下面结合实施例对本发明提供的碳材料结合剂复合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
根据玻璃碳：金刚石＝70vol.％：30vol.％，称取1.15g酚醛树脂(转化率为53％)和0.675g、20μm金刚石微粉(玻璃碳的密度按照1.5g/cm3、金刚石密度是3.52g/cm3)，在研钵中混合均匀后，将混合物直接加入到腔体尺寸为40×8×4mm的石墨模具中，置于热压烧结机上，15MPa，冷压2min；然后在马弗炉中固化，升温速率1℃/min，分别在80℃、110℃、130℃、150℃保温60min。将固化后的样品置于陶瓷坩埚中用石墨粉掩埋密实，封盖后放入马弗炉中玻璃化，以1℃/min升温速率升至1000℃，保温120min，其中升温过程中在200℃、400℃、600℃温度点各保温120min，待冷却到室温后取出，得到碳材料结合剂复合磨具。
图1是本实施例压制成型后样品的实物图；
图2是本实施例固化后样品实物图；相对于压制产品，由于酚醛树脂分子链之间的交联反应，固化品强度大幅增加，颜色也发生变化，并有小幅度的收缩；
图3是本实施例玻璃化后样品实物图；玻璃化后，酚醛树脂转变为碳材料，样品的颜色变黑，也会发生一定程度的收缩。
得到的碳材料结合剂复合磨具的抗折强度为60MPa，热膨胀系数为4.7×10-6K-1。
实施例2
根据玻璃碳：碳化硼＝50vol.％：50vol.％，称取0.82g酚醛树脂(转化率为53％)和0.8g、3.5μm碳化硼微粉(玻璃碳的密度按照1.5g/cm3、碳化硼密度是2.52g/cm3)，在研钵中混合均匀后，将混合物直接加入到腔体尺寸为40×8×4mm的石墨模具中，置于热压烧结机上，15MPa，冷压1min；然后在马弗炉中固化，升温速率1℃/min，分别在80℃、100℃、110℃、130℃、150℃各保温120min。将固化后的样品置于陶瓷坩埚中用乙炔黑掩埋密实，上层加一层刚玉粉，封盖后放入马弗炉中玻璃化，以0.5℃/min升温速率升至1000℃，保温300min，其中升温过程中在200℃、400℃、600℃温度点各保温120min，待冷却到室温后取出，得到碳材料结合剂复合磨具。
得到的碳材料结合剂复合磨具的抗折强度为100MPa，热膨胀系数为5×10-6K-1。
实施例3
根据玻璃碳：碳化硅＝60vol.％：40vol.％，称取0.98g酚醛树脂(转化率为53％)和0.82g、5μm碳化硅微粉(玻璃碳的密度按照1.5g/cm3、碳化硅密度是3.2g/cm3)，在研钵中混合均匀后，将混合物直接加入到腔体尺寸为40×8×4mm的石墨模具中，置于热压烧结机上，20MPa，冷压1min；然后在马弗炉中固化，升温速率1℃/min，分别在80℃、110℃、130℃、150℃保温60min。将固化后的样品置于陶瓷坩埚中用石墨粉掩埋密实，封盖后放入马弗炉中玻璃化，以1℃/min升温速率升至1000℃，保温120min，其中升温过程中在200℃、400℃、600℃温度点各保温120min，待冷却到室温后取出，得到碳材料结合剂复合磨具。
得到的碳材料结合剂复合磨具的抗折强度为65MPa，热膨胀系数为4.8×10-6K-1。
实施例4
根据玻璃碳：碳化硅＝90vol.％：10vol.％，称取2g糠醇树脂(转化率为43％)和0.2g、0.1μm碳化硅微粉(玻璃碳的密度按照1.5g/cm3、碳化硅密度是3.2g/cm3)，在研钵中混合均匀后，将混合物直接加入到腔体尺寸为40×8×4mm的石墨模具中，置于热压烧结机上，15MPa，冷压2min。将压制品置于氩气保护氛围下以0.5℃/min升温速率升至2500℃，保温30min，其中升温过程中在200℃、400℃、600℃温度点各保温120min，待冷却到室温后取出，得到碳材料结合剂复合磨具。
得到的碳材料结合剂复合磨具的抗折强度为70MPa，热膨胀系数为3.5×10-6K-1。
实施例5
根据玻璃碳：立方氮化硼＝50vol.％：50vol.％，称取1.2g环氧树脂(转化率为37.5％)和1.1g、200目立方氮化硼颗粒(玻璃碳的密度按照1.5g/cm3、立方氮化硼密度是3.48g/cm3)，在研钵中混合均匀后，将混合物直接加入到腔体尺寸为40×8×4mm的石墨模具中，置于热压烧结机上，10MPa，冷压1min。将压制品置于氮气保护氛围下以1℃/min升温速率升至1500℃，保温30min，其中升温过程中在200℃、400℃、600℃温度点各保温120min，待冷却到室温后取出，得到碳材料结合剂复合磨具。
得到的碳材料结合剂复合磨具的抗折强度为50MPa，热膨胀系数为4.9×10-6K-1。
由以上实施例可以看出，本发明提供的碳材料结合剂复合磨具热膨胀系数小，抗折强度高，具有优异的耐热性和机械强度，此外通过耐高温和耐腐蚀性测试，所得碳材料结合剂复合磨具还具有优异的耐高温性和耐腐蚀性，因此，本发明提供的碳材料结合剂复合磨具综合性能优异，且成分配比简单。
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 (9)

1.一种碳材料结合剂复合磨具，其特征在于，包括磨料和磨料结合剂；
所述磨料为碳化硅、碳化硼、金刚石、立方氮化硼和氧化铝中的一种或几种；
所述磨料结合剂为玻璃碳；
所述磨料结合剂和磨料的体积比为1～9：9～1。
2.根据权利要求1所述的碳材料结合剂复合磨具，其特征在于，所述磨料包括微粉、颗粒、晶须和纤维中的一种或几种；当所述磨料包括微粉时，所述微粉的粒径为0.1～40μm；当所述磨料包括颗粒时，所述颗粒的大小为20～400目。
3.根据权利要求1所述的碳材料结合剂复合磨具，其特征在于，所述磨料结合剂和磨料的体积比为7～5：3～5。
4.权利要求1～3任意一项所述碳材料结合剂复合磨具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述磨料和富碳聚合物混合进行压制成型，得到压制品；
(2)将所述压制品在非氧化条件下加热进行玻璃化，得到所述碳材料结合剂复合磨具；所述玻璃化的加热温度为600～2500℃。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述富碳聚合物包括酚醛树脂、酚醛树脂衍生物、糠醇树脂、糠醇树脂衍生物、环氧树脂和环氧树脂衍生物中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述压制成型的压力为10～20MPa，时间为1～2min。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述玻璃化的保温时间为30～300min。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述非氧化条件通过通入非氧化气氛或掩埋的方式实现；当所述非氧化条件通过掩埋的方式实现时，在进行玻璃化之前，还包括将所述压制品进行固化。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述固化的温度为100～200℃。
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