CN111331526B - 一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂cbn砂轮及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械零件加工技术领域,具体涉及一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮及其制备方法。本发明的一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮陶瓷砂轮结合剂、CBN磨料和临时粘结剂按照下述重量份组成:陶瓷砂轮结合剂30份、CBN磨料68份、临时粘结剂2份;本发明氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮,以溶胶凝胶法为陶瓷砂轮结合剂的制备方法,方法简单,使结合剂粒径更加细小,易于磨粒结合减少了纳米结合剂的团聚,烧结温度低,降低能耗,同时加入了氧化石墨烯提高了砂轮的寿命和韧性。具有广泛的市场前景,可以应用于航空航天、精密机械和仪器、电子信息、尖端武器等高科技领域。
Description
技术领域
本发明属于机械零件加工技术领域,具体涉及一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮及其制备方法,可应用于航空航天、精密机械和仪器、电子信息、尖端武器等高科技领域。
背景技术
随着航空航天、精密机械和仪器、电子信息、尖端武器等高科技领域的高速发展,机械零件的加工精度、表面粗糙度、表面完整性、加工效率和批量化质量稳定性对精密、超精密磨削加工技术提出更高的要求,而磨削工具的落后是制约其发展的主要瓶颈。
传统精密磨削用的陶瓷砂轮由于超细磨料易团聚和结合剂颗粒较粗等原因,使得所制备的砂轮微观结构较粗大,均匀性差,导致砂轮磨削性能不够理想,而超精密磨削用砂轮的磨料粒度往往为几个微米,而陶瓷结合剂颗粒相对较粗,一般为几微米到几十微米,结合剂用量一般为10%~20%,不能对磨料进行有效包覆和结合,造成砂轮强度低,耐用度差。而溶胶-凝胶法所制备的结合剂颗粒粒径小,有利于结合剂与磨料相结合且对多种粒径的磨料都可适用。目前氧化石墨烯广泛的运用于聚合物复合材料、陶瓷领域,对于陶瓷砂轮来说,利用氧化石墨烯提高砂轮的韧性是一个重要的突破口。目前制作砂轮普遍使用金刚石磨粒制造,而金刚石在超过720℃温度下会急剧发生氧化,损伤其作为磨粒的优异特性。专利201410011126.9公开了一种含有氧化石墨的金刚石陶瓷砂轮的制备方法,利用传统的粉末烧结的方式。该方法的物理混合容易出现氧化石墨的团聚现象,且无法避免金刚石磨粒出现氧化现象,能源消耗严重。专利201611068942.9公开了一种碱金属陶瓷结合剂,加入碱金属后提高了砂轮的耐火度,但其砂轮的强度和韧性没有明显提高。专利201510885179.8公开了一种金刚石树脂陶瓷砂轮的制备方法,此方法提高了砂轮的使用寿命但其强度仍与陶瓷结合剂砂轮存在差距。综上所述,以上专利方法及实际生产过程中仍存在以下问题:(1)磨粒与结合剂的混合过程中纳米填料易出现团聚现象;(2)陶瓷砂轮存在低韧性低寿命的现象;(3)金刚石磨粒在烧结过程中存在严重的氧化现象。
发明内容
本发明针对现有技术和实际情况的不足,提供了一种溶胶-凝胶法制备氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的方法,此方法采用溶胶-凝胶法可以得到粒径更细小的结合剂,利用氧化石墨烯的纳米特性提高陶瓷砂轮的韧性与强度,延长了砂轮的寿命;在烧结过程中采用多阶段降温的方式,减少了砂轮胚体的开裂,提高了砂轮的成品率。
本发明的目的是提供一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法;本发明的另一个目的是提供一种高强度、高韧性、低团聚和低能耗的陶瓷结合剂CBN砂轮。
为了达到上述目的,本发明采用了下列技术方案:
一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮由陶瓷砂轮结合剂、CBN磨料和临时粘结剂按照下述重量份组成:陶瓷砂轮结合剂30份、CBN磨料68份、临时粘结剂2份;
所述陶瓷砂轮结合剂由下述重量份原料组成:正硅酸乙酯60~75份,硝酸铝10~30份,硼酸0.05~0.30份,硝酸钠0.02~0.30份,氧化石墨烯0.2~5.6份,碱金属0.01~0.02份;
所述临时粘结剂为糊精溶液,糊精与水的质量比为1:1.5~4,按此配比范围下的临时粘结剂粘度适中,易成型,方便脱模。
一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,将硝酸铝、硼酸、硝酸钠和碱金属同时加入去离子水和正硅酸乙酯中,得到混合溶液1;
步骤2,将氧化石墨烯分散在去离子水中,调节pH值,与步骤1所得的混合溶液1混合,得到混合溶液2;
步骤3,将混合溶液2水浴搅拌,得到混合溶液3;
步骤4,将混合溶液3恒温干燥,静置,得到湿凝胶;
步骤5,将湿凝胶进行干燥处理,得到透明的干凝胶;
步骤6,将透明的干凝胶进行球磨,经两次筛分得到粉末状的陶瓷砂轮结合剂;
步骤7,将粉末状的陶瓷砂轮结合剂和磨料混合,加入临时粘结剂压模成型,干燥,得到氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮胚体;
步骤8,将氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮胚体进行烧结,即制得氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮。
进一步,所述步骤1中去离子水的用量为硝酸铝、硼酸、硝酸钠、碱金属和正硅酸乙酯总重量的2.5倍,按此比例所制溶液易于快速成胶,节约工艺时间。
进一步,所述步骤2中去离子水为氧化石墨烯重量的1.5倍,调节pH值用浓硝酸调节pH值为3~4,按此配比下制得溶液可使氧化石墨烯充分发挥纳米效应。
进一步,所述步骤3中水浴搅拌的温度为50~80℃,搅拌时间为60~75min,搅拌速度为100~170r/min,按此步骤有利于加快溶液快速成胶。
进一步,所述步骤4中恒温干燥的温度为60~75℃,时间为20h~25h,静置时间为2~3天,此步骤利于溶液中水分的挥发,加快成胶速度。
进一步,所述步骤5中干燥处理具体步骤为:首先75~85℃干燥60~80min,然后90~105℃干燥90~110min,最后110~125℃干燥120~150min,最终冷却至室温,此步骤利于胶体中水分的挥发,使湿凝胶迅速变成干凝胶。
进一步,所述步骤6中球磨的速度为300~450r/min,时间为30~90min,此步骤使干胶体充分球磨为细小粉末状,使粒径达到使用要求。
再进一步,所述步骤7中压模成型压力为30~40Pa,干燥时间为1~2h,此步骤可使砂轮成型,使临时粘结剂充分发挥作用。
更进一步,所述步骤8中氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮胚体在真空烧结炉中进行烧结,且采用多段降温的方式,具体如下(如附图1所示):
(1)第一阶段由室温加热150min至250℃;
(2)第二阶段250℃保温50min;
(3)第三阶段由250℃加热150min至450℃;
(4)第四阶段450℃保温20min;
(5)第五阶段由450℃130min至650℃;
(6)第六阶段650℃保温70min;
(7)第七阶段由650℃加热230min至850℃;
(8)第八阶段850℃保温300min;
(9)第九阶段由850℃缓慢降温70min至750℃;
(10)第十阶段750℃保温100min;
(11)第十一阶段由750℃缓慢降温120min至700℃;
(12)第十二阶段700℃保温80min;
(13)第十三阶段由700℃缓慢降温70min至600℃;
(14)第十四阶段600℃保温50min;
(15)第十五阶段由600℃降温至室温。
此步骤使用多段降温方案,可以有效的避免砂轮烧结过程中开裂现象,提高了砂轮的成型率。
与现有技术相比本发明具有以下优点:
(1)本发明采用溶胶凝胶法制备陶瓷结合剂,方法简单大大的降低了纳米结合剂的团聚;
(2)同时在陶瓷结合剂中加入了氧化石墨烯提高了陶瓷砂轮的韧性和强度,大大延长了砂轮的使用寿命;
(3)CBN作为磨粒,与金刚石相比有较强的高温稳定性;
(4)烧结时间短提高了砂轮制造效率,减少了有毒气体的挥发,降低了能耗;
(5)多段降温,提高了砂轮的成品率。
附图说明
图1为氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮烧结温度曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,将硝酸铝30g、硼酸0.3g、硝酸钠0.3g和0.02g碱金属同时加入硝酸铝、硼酸、硝酸钠、碱金属和正硅酸乙酯总重量2.5倍的去离子水和正硅酸乙酯75g中,得到混合溶液1;
步骤2,将5.6g氧化石墨烯分散在氧化石墨烯重量1.5倍的去离子水中,用浓硝酸调节pH值为3~4,与步骤1所得的混合溶液1混合,得到混合溶液2;
步骤3,将混合溶液2水浴60℃搅拌75min,搅拌速度为120r/min,得到混合溶液3;
步骤4,将混合溶液3在75℃恒温干燥25h,静置3天,得到湿凝胶;
步骤5,将湿凝胶进行干燥处理(首先85℃干燥80min,然后105℃干燥110min,最后125℃干燥150min,最终冷却至室温。),得到透明的干凝胶;
步骤6,将透明的干凝胶进行球磨(球磨速度为450r/min,时间为90min),经两次筛分得到粉末状的陶瓷砂轮结合剂;
步骤7,将粉末状的陶瓷砂轮结合剂30份和CBN磨料68份混合,加入2份临时粘结剂(糊精与水的质量比1:4)压模成型(压模成型压力在40Pa),干燥2h,得到氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮胚体;
步骤8,将氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮胚体在真空烧结炉中进行烧结,即制得氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮。
特性分析:
回转强度≥36米/秒;静平衡系数K≤0.20;磨削钢结硬质合金材料磨除率可达3.5mm3/(mm·s)以上,硬度L级。
实施例2
一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,将硝酸铝10g、硼酸0.5g、硝酸钠0.2g和0.1g碱金属同时加入硝酸铝、硼酸、硝酸钠、碱金属和正硅酸乙酯总重量2.5倍的去离子水和正硅酸乙酯60g中,得到混合溶液1;
步骤2,将6.5g氧化石墨烯分散在氧化石墨烯重量1.5倍的去离子水中,用浓硝酸调节pH值为3~4,与步骤1所得的混合溶液1混合,得到混合溶液2;
步骤3,将混合溶液2水浴80℃搅拌60min,搅拌速度为170r/min,得到混合溶液3;
步骤4,将混合溶液3在60℃恒温干燥24h,静置2天,得到湿凝胶;
步骤5,将湿凝胶进行干燥处理(首先75℃干燥60min,然后90℃干燥90min,最后110℃干燥120min,最终冷却至室温。),得到透明的干凝胶;
步骤6,将透明的干凝胶进行球磨(球磨速度为300r/min,时间为30min),经两次筛分得到粉末状的陶瓷砂轮结合剂;
步骤7,将粉末状的陶瓷砂轮结合剂30份和CBN磨料68份混合,加入2份临时粘结剂(糊精与水的质量比1:1.5)压模成型(压模成型压力在30Pa),干燥2h,得到氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮胚体;
步骤8,将氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮胚体在真空烧结炉中进行烧结,即制得氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮。
特性分析:
回转强度≥37米/秒;静平衡系数K≤0.23;磨削钢结硬质合金材料磨除率可达2.7mm3/(mm·s)以上,硬度L级。
实施例3
一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,将硝酸铝20g、硼酸0.175g、硝酸钠0.16g和0.015g碱金属同时加入硝酸铝、硼酸、硝酸钠、碱金属和正硅酸乙酯总重量2.5倍的去离子水和正硅酸乙酯67.5g中,得到混合溶液1;
步骤2,将0.29g氧化石墨烯分散在氧化石墨烯重量1.5倍的去离子水中,用浓硝酸调节pH值为3~4,与步骤1所得的混合溶液1混合,得到混合溶液2;
步骤3,将混合溶液2水浴50℃搅拌70min,搅拌速度为100r/min,得到混合溶液3;
步骤4,将混合溶液3在70℃恒温干燥20h,静置3天,得到湿凝胶;
步骤5,将湿凝胶进行干燥处理(首先80℃干燥70min,然后100℃干燥100min,最后120℃干燥130min,最终冷却至室温。),得到透明的干凝胶;
步骤6,将透明的干凝胶进行球磨(球磨速度为400r/min,时间为60min),经两次筛分得到粉末状的陶瓷砂轮结合剂;
步骤7,将粉末状的陶瓷砂轮结合剂30份和CBN磨料68份混合,加入2份临时粘结剂(糊精与水的质量比1:2.75)压模成型(压模成型压力在35Pa),干燥1.5h,得到氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮胚体;
步骤8,将氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮胚体在真空烧结炉中进行烧结,即制得氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮。
特性分析:
回转强度≥37米/秒;静平衡系数K≤0.21;磨削钢结硬质合金材料磨除率可达3.0mm3/(mm·s)以上,硬度L级。
Claims (6)
1.一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法,其特征在于,所述氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮由陶瓷砂轮结合剂、CBN磨料和临时粘结剂按照下述重量份组成:陶瓷砂轮结合剂30份、CBN磨料68份、临时粘结剂2份;所述陶瓷砂轮结合剂由下述重量份原料组成:正硅酸乙酯60~75份,硝酸铝10~30份,硼酸0.05~0.30份,硝酸钠0.02~0.30份,氧化石墨烯0.2~5.6份,碱金属0.01~0.02份;所述临时粘结剂为糊精溶液,糊精与水的质量比为1:1.5~4;
所述制备方法包括以下步骤:
步骤1,将硝酸铝、硼酸、硝酸钠和碱金属同时加入去离子水和正硅酸乙酯中,得到混合溶液1;
步骤2,将氧化石墨烯分散在去离子水中,浓硝酸调节pH值为3~4,与步骤1所得的混合溶液1混合,得到混合溶液2,其中去离子水为氧化石墨烯重量的1.5倍;
步骤3,将混合溶液2水浴搅拌,得到混合溶液3;
步骤4,将混合溶液3在60~75℃下恒温干燥20h~25h,静置2~3天,得到湿凝胶;
步骤5,将湿凝胶进行干燥处理,得到透明的干凝胶;
步骤6,将透明的干凝胶进行球磨,经两次筛分得到粉末状的陶瓷砂轮结合剂;
步骤7,将粉末状的陶瓷砂轮结合剂和CBN磨料混合,加入临时粘结剂压模成型,干燥,得到氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮胚体;
步骤8,将氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮胚体在真空烧结炉中进行烧结,且采用多段降温的方式,具体如下:
(1)第一阶段由室温加热150min至250℃;
(2)第二阶段250℃保温50min;
(3)第三阶段由250℃加热150min至450℃;
(4)第四阶段450℃保温20min;
(5)第五阶段由450℃130min至650℃;
(6)第六阶段650℃保温70min;
(7)第七阶段由650℃加热230min至850℃;
(8)第八阶段850℃保温300min;
(9)第九阶段由850℃缓慢降温70min至750℃;
(10)第十阶段750℃保温100min;
(11)第十一阶段由750℃缓慢降温120min至700℃;
(12)第十二阶段700℃保温80min;
(13)第十三阶段由700℃缓慢降温70min至600℃;
(14)第十四阶段600℃保温50min;
(15)第十五阶段由600℃降温至室温,即制得氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮。
2.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法,其特征在于,所述步骤1中去离子水的用量为硝酸铝、硼酸、硝酸钠、碱金属和正硅酸乙酯总重量的2.5倍。
3.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法,其特征在于,所述步骤3中水浴搅拌的温度为50~80℃,搅拌时间为60~75min,搅拌速度为100~170r/min。
4.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法,其特征在于,所述步骤5中干燥处理具体步骤为:首先75~85℃干燥60~80min,然后90~105℃干燥90~110min,最后110~125℃干燥120~150min,最终冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法,其特征在于,所述步骤6中球磨的速度为300~450r/min,时间为30~90min。
6.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯强韧化陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法,其特征在于,所述步骤7中压模成型压力为30~40Pa,干燥时间为1~2h。
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GR01 | Patent grant | ||
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