CN111421477B

CN111421477B - 大气孔率陶瓷cBN砂轮及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN111421477B
Application number: CN202010282665.1A
Authority: CN
Inventors: 刘振波; 薛萍; 李伟超; 杨菲
Original assignee: Jiangsu Saiyang Precision Tools Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Saiyang Precision Tools Technology Co ltd
Priority date: 2020-04-12
Filing date: 2020-04-12
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2040-04-12
Also published as: CN111421477A

Abstract

本发明公开了大气孔率陶瓷cBN砂轮及其制备方法与应用，将cBN磨料及无机组合物加入胺化合物水溶液中，搅拌脱泡得到浆料；然后将浆料注入模具，静置后得到砂轮素坯；然后将砂轮素坯干燥后烧结，得到大气孔率陶瓷cBN砂轮。本发明创造性地将无机组分以及cBN磨料均匀的分散于有机单体水系溶液中，通过有机单体形成的网状结构固定cBN磨料及结合剂形成素坯，烧结后制得的砂轮锥度小、密度均匀性程度高、且组织结构均匀；本发明制备大气孔率陶瓷cBN砂轮的方法未见近似报道。

Description

大气孔率陶瓷cBN砂轮及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于陶瓷cBN砂轮制备技术领域，具体涉及一种大气孔率陶瓷cBN砂轮的制备方法。

背景技术

近 30 年的高速磨削实践使得 CBN 砂轮在高速磨削中的应用成为了现实，并且这种方法被认为是对精密铁系金属进行大效率加工的最有效办法。目前陶瓷cBN砂轮的制备工艺主要以干法压制成型为主，即将粉状物料投入模具型腔内，然后闭模加压使其成型并固化。首先，干法压制成型时由于物料需要添加临时粘结剂，由于现用临时粘结剂大部分为液状，所以混合后物料需要烘干，而物料的干燥程度极其容易影响砂轮烧结后品质，物料过干则砂轮容易起泡，物料过湿则投料困难；其次，由于粉状物料与模具表面摩擦力及物料自身摩擦力的作用导致所受压力在传递过程中不断损失，造成砂轮坯体密度均匀性较差，坯体烧结后砂轮极容易产生锥度，且气孔分布不均匀。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备大气孔率陶瓷cBN砂轮的方法及产品与应用，制得的cBN砂轮坯体烧结后砂轮气孔分布均匀、密度一致性好、锥度<0.1mm，砂轮可用于压缩机气缸件、轴承件的内孔磨削。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

大气孔率陶瓷cBN砂轮素坯，其制备方法包括如下步骤：将cBN磨料及无机组合物加入胺化合物水溶液中，搅拌脱泡得到浆料；然后将浆料注入模具，静置后得到砂轮素坯。

一种大气孔率陶瓷cBN砂轮，其制备方法包括如下步骤：将cBN磨料及无机组合物加入胺化合物水溶液中，搅拌脱泡得到浆料；然后将浆料注入模具，静置后得到砂轮素坯；然后将砂轮素坯干燥后烧结，得到大气孔率陶瓷cBN砂轮。

本发明中，无机组合物由二氧化硅、氧化铝、氧化镁以及氧化钾组成；胺化合物水溶液由甲基丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、柠檬酸三铵与水组成；优选的，无机组合物中，各组分重量百分数为，二氧化硅60%～71%、氧化铝10～22%、氧化镁1～2%、氧化钾余量；胺化合物水溶液中，甲基丙烯酰胺（MAM）的浓度为10～20wt %，亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）的浓度为2～6wt %，柠檬酸三铵（TAC）的浓度为0.2～0.5wt%；胺化合物水溶液中，各组分的浓度分别以水为基准。

本发明中，cBN磨料及无机组合物中，cBN磨料的重量百分数为50～75wt%，余量为无机组合物；无机组合物与胺化合物的重量比为1∶0.5～1。

本发明中，料浆注入表面涂覆脱模剂的模具，脱模剂为常用硅油、微晶石蜡等常用脱模剂。

本发明中，搅拌的时间为1～3小时；脱泡为在真空下搅拌15～45分钟；静置的时间为3～5小时；干燥为70～100℃干燥1～3h；烧结为氮气下，烧结工艺为3小时从室温升至500℃，再保温3h，然后5小时从500℃升至850℃，再保温2h，然后3小时从850℃升至900～1000℃，再保温2～3h，最后随炉冷却。

本发明公开了上述大气孔率陶瓷cBN砂轮在加工精密铁系金属中的应用。

具体的，本发明制备大气孔率陶瓷cBN砂轮的方法如下：

1）配制水系溶液：

选取甲基丙烯酰胺（MAM）、亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）、柠檬酸三铵（TAC）依次加入水搅拌，得到自制水系溶液，其中甲基丙烯酰胺（MAM）的加入量为水的10-20 wt %，亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）的加入量为水的2-6 wt %，柠檬酸三铵（TAC）的加入量为水的0.2-0.5wt%；

2）制备料浆：

称取cBN磨料及无机组合物，其中cBN磨料50-75%，无机组合物为余量；无机组合物的原料组成及其重量百分比含量为，二氧化硅60%～71%，氧化铝10～22%，氧化镁1～2%，氧化钾为余量；然后将cBN磨料及无机组合物倒入步骤1自制水系溶液，搅拌1-3h后置于真空搅拌机内搅拌15-45min脱泡得到浆料；

3）注模成型：

将步骤2所制得的料浆注入金属模具中，室温静置3-5h即可出模；

4）干燥：

将步骤3出模后的砂轮素坯置于70-100℃干燥箱内保温1-3h；

5）烧结：

将步骤4干燥后的陶瓷砂轮素坯在气氛炉进行烧结（烧结气氛为氮气），采用分段式升温制度升温至结合剂相对应的烧结温度900-1000℃，保温2-3h后，随炉冷却至室温；得到大气孔率陶瓷cBN砂轮。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明大气孔率陶瓷cBN砂轮制备方法简单、便于操作，国内外未见相关报道。

2、本发明无需造孔剂，获得的陶瓷cBN砂轮素坯气孔分布均匀、密度一致性好、烧结后砂轮变形量小、锥度<0.1mm，完全解决了现有技术需要造孔剂才能造孔的问题。

3、本发明通过配方的选择制得的大气孔率陶瓷cBN砂轮使用价值较大，其锋利性、稳定性远大于现有添加造孔剂制得的大气孔率cBN砂轮。

4、本发明制备工艺具备潜在的应用价值，可用于制备复杂形状的陶瓷cBN砂轮。

本发明中所涉及的原料都是市购产品，比如甲基丙烯酰胺（MAM）、亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）、柠檬酸三铵（TAC）为现有产品，市场有售，符合国家标准。

附图说明

图1为本发明实施例一大气孔率陶瓷cBN砂轮的显微照片；

图2为本发明实施例一大气孔率陶瓷cBN砂轮加工后的工件表面图；

图3为现有陶瓷cBN砂轮加工后的工件表面图。

具体实施方式

本发明公开的大气孔率陶瓷cBN砂轮素坯的制备方法如下：将cBN磨料及无机组合物加入胺化合物水溶液中，搅拌脱泡得到浆料；然后将浆料注入模具，静置后得到砂轮素坯。本发明通过配方的选择，获得的陶瓷cBN砂轮素坯气孔分布均匀、密度一致性好，烧结后砂轮变形量小、锥度<0.1mm，由其制备的大气孔率陶瓷cBN砂轮使用价值较大，其锋利性、稳定性远大于现有添加造孔剂制得的大气孔率cBN砂轮。

本发明公开的大气孔率陶瓷cBN砂轮的制备方法如下：将cBN磨料及无机组合物加入胺化合物水溶液中，搅拌脱泡得到浆料；然后将浆料注入模具，静置后得到砂轮素坯；然后将砂轮素坯干燥后烧结，得到大气孔率陶瓷cBN砂轮。

本发明涉及的砂轮加工以及工件加工都是在常规设备上进行，砂轮的性能表征比如锥度、气孔率（阿基米德排水法）的测试方法都是本领域常规方法

实施例一

称量MAM 6.6g、MBAM 2.2g、TAC0.11g加入55ml水中制备胺化合物水溶液，然后加入25g cBN磨料、11g无机组合物，搅拌3h后置于真空搅拌机（真空度10kPa）搅拌30min排除浆液内气泡，得到浆料；之后将浆料加入涂有硅油的现有模具中，室温静置5h之后取出，得到大气孔率陶瓷cBN砂轮素坯。

再将取出后的砂轮素坯置于100℃恒温干燥箱内干燥3h；然后使用高温气氛炉对砂轮坯体进行分段式升温烧结，最高温度为960℃，保温2h，最后随炉冷却得到大气孔率砂轮，用于加工压缩机汽缸工件内圆，砂轮外径为47.5mm，内孔为30mm，高度为38mm。

按质量百分数，上述无机组合物的组成为二氧化硅70%、氧化铝17%、氧化镁2%、氧化钾11%；上述烧结为氮气下，烧结工艺为3小时从室温升至500℃，再保温3h，然后5小时从500℃升至850℃，再保温2h，然后3小时从850℃升至960℃，再保温2h，最后随炉冷却。

以现有机压成型cBN砂轮（外径47.5、内径30、高度38）为对比，采用现有设备加工压缩机汽缸工件内圆，参见下表所示，为本发明大气孔率砂轮和现有机压成型砂轮的部分性能参数及加工参数对比：

附图1为上述大气孔率砂轮的显微照片，可以看出本发明制备的砂轮气孔规则、分布均匀。

在上述制备方法的基础上，如果将亚甲基双丙烯酰胺替换为甲基丙烯酰胺（即不添加亚甲基双丙烯酰胺），其余不变，制备的砂轮气孔率为28%，锥度为0.21mm；在上述制备方法的基础上，如果将氧化镁替换为氧化钾（即不添加氧化镁），其余不变，制备的砂轮气孔率为32%，锥度为0.17mm；在上述制备方法的基础上，如果将烧结工艺替换为3小时从室温升至500℃，再保温3h，然后8小时从500℃升至960℃，再保温5h，最后随炉冷却，其余不变，制备的砂轮气孔率为33%，锥度为0.13mm。

附图2、附图3分别为本发明上述大气孔率砂轮和现有机压成型砂轮在同样的设备上加工同样的工件后的效果图，可以看出本发明砂轮加工工件的表面磨削纹路非常细腻规则。

对比例

现有技术公开了采用氧化铁作为造孔剂制备超大孔隙率的砂轮，比如CN103991041A，在其实施例二的基础上，将10%的氧化铁替换为5%硼玻璃粉、3%无碱玻璃粉、2%锂辉石粉，即保持无机组分总量不变，删除氧化铁，其余都一样，得到的砂轮孔隙率在18%；说明现有技术充分利用造孔剂以获得大孔隙效果，本发明则解决了这一技术偏见，没有采用造孔剂，不需要浸渍去除造孔剂的步骤，获得的砂轮气孔率高。

实施例二

称量MAM 4.5g，MBAM1.8g，TAC0.12g，配置30ml自制水溶液，然后加入25g cBN磨料、8.5g无机组合物，搅拌2h；将料浆置于真空搅拌机（真空度5kPa）搅拌20min排除浆液内气泡，之后加入涂有硅油的模具中，静置3h之后取出；将取出后的砂轮素坯置于80℃恒温干燥箱内干燥3h；使用高温气氛炉对砂轮坯体进行分段式升温烧结，最高温度为930℃，保温3h，最后随炉冷却，砂轮外径为35mm，内孔为25mm，高度为22mm，锥度0.12mm、气孔率30%，加工压缩机汽缸工件内圆的加工节拍为29s、修整间隔80。上述无机组合物的质量组成为二氧化硅65%、氧化铝22%、氧化镁1%、氧化钾12%。上述烧结为氮气下，烧结工艺为3小时从室温升至500℃，再保温3h，然后5小时从500℃升至850℃，再保温2h，然后3小时从850℃升至930℃，再保温3h，最后随炉冷却。

本发明制备大气孔率陶瓷cBN砂轮时，陶瓷粉末分散在有机单体溶液中，有机单体发生原位聚合反应形成网状结构将陶瓷粉末包裹其中，成为有一定强度的坯体，本发明创造性地将无机组分以及cBN磨料均匀的分散于有机单体水系溶液中，通过有机单体形成的网状结构固定cBN磨料及结合剂形成素坯，烧结后制得的砂轮锥度小、密度均匀性程度高、且组织结构均匀；本发明制备大气孔率陶瓷cBN砂轮的方法未见近似报道。

Claims

1.一种大气孔率陶瓷cBN砂轮素坯，其特征在于，所述大气孔率陶瓷cBN砂轮素坯的制备方法包括如下步骤：将cBN磨料及无机组合物加入胺化合物水溶液中，搅拌脱泡得到浆料；然后将浆料注入模具，静置后得到砂轮素坯；无机组合物由二氧化硅、氧化铝、氧化镁以及氧化钾组成；胺化合物水溶液由甲基丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、柠檬酸三铵与水组成；cBN磨料及无机组合物中，cBN磨料的重量百分数为50～75wt%，余量为无机组合物；无机组合物与胺化合物的重量比为1∶0.5～1；无机组合物中，各组分重量百分数为，二氧化硅60%～71%、氧化铝10～22%、氧化镁1～2%、氧化钾余量；胺化合物水溶液中，甲基丙烯酰胺的浓度为10～20wt %，亚甲基双丙烯酰胺的浓度为2～6wt %，柠檬酸三铵的浓度为0.2～0.5wt%。

2.根据权利要求1所述大气孔率陶瓷cBN砂轮素坯，其特征在于：搅拌的时间为1～3小时；脱泡为在真空下搅拌15～45分钟；静置的时间为3～5小时。