CN112094053A - 一种微晶陶瓷低温结合剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于结合剂技术领域，尤其涉及一种微晶陶瓷低温结合剂及其制备方法，微晶陶瓷低温结合剂，包括以下重量份的原料：硅硼锂玻璃15‑23％、硼玻璃25‑35％、长石22‑28％、粘土10‑15％，第一氧化物余量；通过对原料及其配比的探索与调控，得到的结合剂强度可达到80m/s的抗拉强度要求，降低烧结温度，烧成温度960℃，性能优异。

Description

一种微晶陶瓷低温结合剂及其制备方法

技术领域

本发明属于结合剂技术领域，尤其涉及一种微晶陶瓷低温结合剂及其制备方法。

背景技术

砂轮是机械加工中的重要工具，它依靠结合剂将松散的颗粒状的磨料结合在一起。由于砂轮磨削时受到较大的冲击力，并需要高速旋转，因而其强度是保障安全和有效使用的前提；轴承，齿轮，汽车零部件等是现代机械工业设备的重要部件，提高零部件加工质量，砂轮的选用的磨料质量，推动先进机械装备生产企业技术进步，促进行业发展尤为重要，传统砂轮的结合剂有陶瓷、玻璃矿物料配合而成，或树脂有机料配合而成，其中以陶瓷结合剂为最多。

现用的陶瓷结合剂主要为玻璃或陶瓷，因此有烧结温度高、强度低，抗冲击韧性较低，磨削效率低等缺点，制约现代工业生产的效率和质量水平。随着现代精密加工工业的发展，对加工工具要求越来越高，陶瓷磨具的重要性也日益显现，目前陶瓷结合剂不能很好满足陶瓷磨具加工强度要求，这就需要我们进一步改善陶瓷结合剂。因此，有必要探索一种烧结温度低，强度高的陶瓷结合剂，可以很好地满足陶瓷磨具在精密加工方面的需求。满足陶瓷微晶磨料的性能要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种微晶陶瓷低温结合剂，包括以下重量份的原料：硅硼锂玻璃15-23％、硼玻璃25-35％、长石22-28％、粘土10-15％，第一氧化物余量。

作为一种优选的技术方案，所述硅硼锂玻璃包括以下质量百分比的原料：SiO₂50-55％，硼酸3-8％，锂辉石10-15％、碳酸锂15-20％，碳酸钾2-5％，第二氧化物余量。

作为一种优选的技术方案，所述第二氧化物选自TiO₂，BaO，CaO，MgO中的至少一种。

作为一种优选的技术方案，所述长石选自钠长石、钙长石、钾长石、钡长石、钡冰长石、微斜长石、正长石，透长石中的至少一种。

作为一种优选的技术方案，所述长石为钾长石、钠长石，钾长石、钠长石质量比为1：(1.8-4)。

作为一种优选的技术方案，所述粘土选自高岭土、水曲柳黏土、蒙脱土、伊利石、水铝英石、白泥中的至少一种。

作为一种优选的技术方案，所述粘土选自高岭土、白泥中的至少一种。

作为一种优选的技术方案，所述粘土为苏州高岭土，白泥，苏州高岭土，白泥质量比为(3-5)：(1-2)。

作为一种优选的技术方案，所述第一氧化物选自TiO₂，BaO，CaO，MgO，Al₂O₃，SiO₂中的至少一种。

本发明第二方面提供了一种微晶陶瓷低温结合剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅硼锂玻璃、硼玻璃、长石、粘土按重量比进行球磨，得到结合剂混合物；

(2)加入第一氧化物，混合机混合，制得所述微晶陶瓷低温结合剂。

有益效果：本发明提供了一种微晶陶瓷低温结合剂，通过对原料及其配比的探索与调控，得到的结合剂强度可达到80m/s的抗拉强度要求，降低烧结温度，烧成温度960℃，性能优异。

具体实施方式

参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。

如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由…组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由…组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

单数形式包括复数讨论对象，除非上下文中另外清楚地指明。“任选的”或者“任意一种”是指其后描述的事项或事件可以发生或不发生，而且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。

说明书和权利要求书中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。

此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。

为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种微晶陶瓷低温结合剂，包括以下重量份的原料：硅硼锂玻璃15-23％、硼玻璃25-35％、长石22-28％、粘土10-15％，第一氧化物余量。

为了降低结合剂的烧结温度，在一些优选的实施方式中，所述硼玻璃中B₂O₃含量大于35％，Na₂O含量小于5％。本申请人发现，选择该种硼玻璃时，制得的微晶陶瓷低温结合剂可以有效的降低烧结温度。原因是B₂O₃的特殊结构可以有效的降低烧结温度，避免出现烧结温度过高，陶瓷结合剂中熔体大幅增加处于低粘度状态，而出现软化变形或者直接坍塌现象，同时也避免因发泡变形进一步降低磨具的均匀性、密实性和机械强度的现象，该硼玻璃中Na₂O含量控制在5％以内，与原料的SiO₂，Al₂O₃等协同作用，可以在有效的降低耐火度的同时，保持较好的稳定性，不会因为其流动性好而出现后续产品易变形的现象。但是Na₂O具有较大的热膨胀系数，在冷却过程中陶瓷结合剂的体积收缩会偏大，这直接会导致陶瓷结合剂与磨料之间的结合变弱，同时伴随着界面应力的产生甚至会出现微裂纹，这将直接导致在磨削加工过程中磨料颗粒较易从陶瓷结合剂中脱落，降低陶瓷结合剂的磨削效率和使用寿命。同时也降低砂轮强度。

本申请中所述硼玻璃可为市售，例如购自淄川华鵬砂轮辅料厂，型号高硼玻璃粉。

因此，为了提高结合剂和磨料的结合力以及结构稳定性，在一些实施方式中，所述第一氧化物选自TiO₂，BaO，CaO，MgO，Al₂O₃，SiO₂中的至少一种。

在一些实施方式中，所述第一氧化物粒径为100-500nm。

在一些优选的实施方式中，所述第一氧化物为Al₂O₃、CaO；Al₂O₃、CaO质量比为(3-5)：1。当加入Al₂O₃、CaO，可以提高陶瓷结合剂对磨料的润湿包覆能力，主要是玻璃相对磨料的润湿包覆能力，从而保证陶瓷结合剂的磨削效率和使用寿命。原因是加入了阳离子半径较大的碱金属氧化物，降低了陶瓷结合剂和磨料的湿润角，结合剂对磨料的亲和性和包覆性增强，两者结合力增强，从而提高陶瓷结合剂对磨料的润湿包覆能力。当加入Al₂O₃，Al³⁺可与体系中的游离氧相结合形成[AlO₄]，[AlO₄]和体系中的[SiO₄]形成统一的网络，增强网络结构，提高结构的稳定性；另外，本申请人意外发现，氧化物粒径为100-500nm时，可以保持结合剂热膨胀系数与刚玉热膨胀系数相近，促使陶瓷结合剂的内部键强更大，网络更加紧密，网络振动降低，从而降低热膨胀系数。粒径越小，颗粒的比表面积越大，表面能越高，颗粒之间越容易相互粘结反应，有利于降低陶瓷的烧结温度；但是当纳米粒子粒径过小，会导致纳米粒子之间相互吸附，降低磨料与结合剂的润湿包覆性。本申请人经过反复实验得到，加入粒径为100-500nm的纳米粒子，最有利于陶瓷结合剂的烧结，尤其是体系中加入质量比为1：(1.8-4)的钾长石、钠长石。

本申请中Al₂O₃可为市售，例如购自徐州捷创新材料科技有限公司，牌号N611，粒径为200nm。

本申请中CaO为市售，例如购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，货号C100071-25g，粒径为160nm。

在一些优选的实施方式中，所述硅硼锂玻璃包括以下质量百分比的原料：SiO₂50-55％，硼酸3-8％，锂辉石10-15％、碳酸锂15-20％，碳酸钾2-5％，第二氧化物余量。

所述硅硼锂玻璃的制备方法，包括以下步骤：原料按配比经过预熔-淬冷-烘干-破碎-球磨-过筛，得到320目-500目的硼硅锂玻璃。

在一些优选的实施方式中，所述第二氧化物选自TiO₂，BaO，CaO，MgO中的至少一种。

在一些实施方式中，所述长石选自钠长石、钙长石、钾长石、钡长石、钡冰长石、微斜长石、正长石，透长石中的至少一种。

为了在保持低烧结温度的同时提高结合剂强度，在一些优选的实施方式中，所述长石为钾长石、钠长石，钾长石、钠长石质量比为1：(1.8-4)。当钾长石，钠长石质量比为1：(1.8-4)时，能够使结合剂保持较低的烧成温度同时提升磨具的成品强度。猜测原因是钾长石和钠长石的晶体结构、熔融温度和熔融范围不同，进一步影响着结合剂的耐火度、高温流动性和磨具的成品强度。钠长石具有较高的高温流动性，对磨料耐火度的降温效果较优，可以与加入Al₂O₃、CaO，尤其是粒径为200-500nm的纳米粒子，两者协同作用，可以有效的降低结合剂的耐火度。另外，本申请人意外发现，在结合剂合成中加入少量钾长石，钾长石在液相中扩散渗透而加速莫来石的形成，使结合剂空隙减少并形成致密结构，可以有效提高结合剂的韧性、强度和抵抗酸碱侵蚀能力。本发明意想不到地发现，当体系中选择硼玻璃，加入粒径200-500nm的Al₂O₃、CaO，钾长石，钠长石质量比为1：(1.8-4)时，能够使结合剂保持较低的烧成温度同时提升磨具的成品强度。

本申请中钾长石可为市售，例如购自河北恒光矿产品有限公司，货号001。

本申请中钠长石可为市售，例如购自灵寿县鑫福矿产品加工厂，货号XF-51。

在一些实施方式中，所述粘土选自高岭土、水曲柳黏土、蒙脱土、伊利石、水铝英石、白泥中的至少一种。

在一些优选的实施方式中，所述粘土选自高岭土中的至少一种。

在一些更为优选的实施方式中，所述高岭土为苏州高岭土，白泥，苏州高岭土，白泥质量比为(3-5)：(1-2)。可以有效提高结合剂强度和把持力的同时，降低耐火度。苏州高岭土相较于其他地区的高岭土，形貌多呈片状、棒状混杂，片状形貌多一些，多数为不规则的单片，且颗粒较小，从而提供更大的比表面积，提高表面能，颗粒之间容易相互粘结与反应，而且苏州高岭土有序性较低，有利于降低陶瓷的烧结温度；高岭土的可塑性、结合性、干燥收缩、干燥强度、烧结收缩、烧结性质、耐火度及烧后白度对结合剂的性能影响较大，而且涉及到化学特性，特别是铁、钛、铜、铬、锰等致色元素的存在，容易使烧后白度降低，产生斑点，而本申请中，选择苏州高岭土依然能够保持较好的烧后白度，加入了白泥，且苏州高岭土、白泥质量比为(3-5)：(1-2)，能够进一步降低耐火度的同时，保持较好的烧后白度。

本申请中苏州高岭土可为市售，例如购自苏州高岭土有限公司，品牌LEE。

本申请中白泥可为市售，例如购自灵寿县权达矿产品加工厂。

本发明第二方面提供了一种微晶陶瓷低温结合剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅硼锂玻璃、硼玻璃、长石、粘土按重量比进行球磨，得到结合剂混合物；

(2)加入第一氧化物，混合机混合，制得所述微晶陶瓷低温结合剂。

在一些优选的实施方式中，将所述硅硼锂玻璃、硼玻璃、长石、粘土按重量比进行球磨，得到粒径320-500目混合物。原料粒径为320-500目时，制成的结合剂结构致密，单颗粒抗压强度也越高，并且越易烧结，从而减低烧结温度。另外，该粒径的硅硼锂玻璃、硼玻璃、长石、粘土在高温液相体系中可以促进相互扩散渗透熔融作用，促进抑制残余石英向热膨胀系数比石英高得多的方石英转化，进一步降低了结合剂的内应力，增强其与磨料的结合能力，从而提升了磨具成品的机械强度和稳定性。

实施例

以下将结合实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。如无特别说明，本发明中的原料均为市售。

实施例1

一种微晶陶瓷低温结合剂，包括以下重量份的原料：硅硼锂玻璃20％、硼玻璃28％、长石26％、粘土13％，第一氧化物余量。

所述硅硼锂玻璃包括以下质量百分比的原料：SiO₂ 53％，硼酸5％，锂辉石12％、碳酸锂18％，碳酸钾3％，MgO余量。

本实施例中所述硼玻璃可为市售，购自淄川华鵬砂轮辅料厂，型号高硼玻璃粉。

本实施例中所述锂辉石为市售，购自佛山市阔承新材料科技有限公司。

所述硼硅锂玻璃的制备方法，包括以下步骤：原料按配比经过1300℃预熔-淬冷-烘干-破碎-球磨-过筛，得到500目的硼硅锂玻璃。

所述长石为钾长石、钠长石，钾长石、钠长石质量比为1：3。

本实施例中钾长石为市售，购自河北恒光矿产品有限公司，货号001。

本实施例中钠长石为市售，购自灵寿县鑫福矿产品加工厂，货号XF-51。

所述粘土为苏州高岭土，白泥，苏州高岭土，白泥质量比为4：1.5。

本实施例中苏州高岭土为市售，购自苏州高岭土有限公司，品牌LEE。

本实施例中白泥为市售，购自灵寿县权达矿产品加工厂。

本实施例中，所述第一氧化物为Al₂O₃、CaO；Al₂O₃、CaO质量比为4：1。

本实施例中Al₂O₃为市售，购自徐州捷创新材料科技有限公司，牌号N611，粒径为200nm。

本实施例中CaO为市售，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，货号C100071-25g，粒径为160nm。

一种微晶陶瓷低温结合剂的制备方法，具体步骤包括：

(1)将硅硼锂玻璃、硼玻璃、长石、粘土按重量比进行球磨，得到500目结合剂混合物；

(2)加入第一氧化物，混合机混合，制得所述微晶陶瓷低温结合剂。

实施例2

一种微晶陶瓷低温结合剂，具体实施方式同实施例1，所不同的是，包括以下重量份的原料：硅硼锂玻璃15％、硼玻璃25％、长石22％、粘土10％，第一氧化物余量。

所述硅硼锂玻璃包括以下质量百分比的原料：SiO2 50％，硼酸3％，锂辉石10％、碳酸锂15％，碳酸钾2％，BaO余量。

所述硼硅锂玻璃的制备方法，包括以下步骤：原料按配比经过1300℃预熔-淬冷-烘干-破碎-球磨-过筛，得到320目的硼硅锂玻璃。

所述长石为钾长石、钠长石，钾长石、钠长石质量比为1：1.8。

所述粘土为苏州高岭土，白泥，苏州高岭土，白泥质量比为3：2。

本实施例中，所述第一氧化物为Al₂O₃、CaO；Al₂O₃、CaO质量比为3：1。

一种微晶陶瓷低温结合剂的制备方法，具体步骤包括：

(1)将硅硼锂玻璃、硼玻璃、长石、粘土按重量比进行球磨，得到400目结合剂混合物；

(2)加入第一氧化物，混合机混合，制得所述微晶陶瓷低温结合剂。

实施例3

本发明提供了一种微晶陶瓷低温结合剂，包括以下重量份的原料：硅硼锂玻璃23％、硼玻璃35％、长石28％、粘土15％，第一氧化物余量。

所述硅硼锂玻璃包括以下质量百分比的原料：SiO₂ 55％，硼酸8％，锂辉石15％、碳酸锂20％，碳酸钾5％，TiO₂余量。

所述锂辉石为市售，购自佛山市阔承新材料科技有限公司。

所述硼硅锂玻璃的制备方法，包括以下步骤：原料按配比经过1300℃预熔-淬冷-烘干-破碎-球磨-过筛，得到400目的硼硅锂玻璃。

所述长石为钾长石、钠长石，钾长石、钠长石质量比为1：4。

所述粘土为苏州高岭土，白泥，苏州高岭土，白泥质量比为5：1。

本实施例中，所述第一氧化物为Al₂O₃、CaO；Al₂O₃、CaO质量比为5：1。

一种微晶陶瓷低温结合剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅硼锂玻璃、硼玻璃、长石、粘土按重量比进行球磨，得到320目结合剂混合物；

(2)加入第一氧化物，混合机混合，制得所述微晶陶瓷低温结合剂。

实施例4

一种微晶陶瓷低温结合剂，具体实施方式同实施例1，所不同的是，所述硼玻璃B₂O₃含量在12.5-13.5％，Na₂O含量为6.5-9.5％。

本实施例中所述硼玻璃为市售，购自深圳市诚隆玻璃有限公司，型号CL071707。

实施例5

一种微晶陶瓷低温结合剂，具体实施方式同实施例1，所不同的是，加入第一氧化物为Al₂O₃。

实施例6

一种微晶陶瓷低温结合剂，具体实施方式同实施例1，所不同的是，加入第一氧化物粒径为1um。

实施例7

一种微晶陶瓷低温结合剂，具体实施方式同实施例1，所不同的是，所述长石为钾长石。

实施例8

一种微晶陶瓷低温结合剂，具体实施方式同实施例1，所不同的是，所述长石为钠长石。

实施例9

一种微晶陶瓷低温结合剂，具体实施方式同实施例1，所不同的是，所述粘土为北京高岭土、白泥，质量比为2：5。

实施例10

一种微晶陶瓷低温结合剂，具体实施方式同实施例1，所不同的是，所述粘土苏州高岭土。

实施例11

一种微晶陶瓷低温结合剂，具体实施方式同实施例1，所不同的是，将所述硅硼锂玻璃、硼玻璃、长石、粘土按重量比进行球磨，得到粒径240目混合物粒子。

性能测试评价

烧成温度：

采用SCN-802造型材料耐火性能测试仪测定结合剂的烧成温度。将制备的结合剂粉体在15MPa下压制成Φ8×10mm圆柱体试样，平放在陶瓷基片上，放入测试仪加热区，升温速度为5℃/min。当温度接近材料烧成温度时，每升高10℃保温1小时，当试样出现收缩时该温度即为试样的烧成温度。

砂轮硬度：

将本发明制得的结合剂与刚玉磨料、粘结剂、润湿剂混合，经过成型，干燥，焙烧，加工制得砂轮。在上海材料试验厂制备的HR-150DT洛氏硬度仪上测量砂轮的洛氏硬度，压头为淬火钢球，直径为1.59mm，载荷为980N。测量点为砂轮正反面边角各四个点及中心一个点，共十个点，测量值为十点平均值。

热膨胀系数

将在马弗炉里经核化、晶化处理过的陶瓷结合剂烧结体样品用砂纸磨平。采用PEY超高温卧式膨胀仪测定随着温度的升高试样的热膨胀情况，升温速度50℃/min，测试温度范围为室温至700℃，测得热膨胀系数，结果如表1所示。

表1

通过实施例1-11可以得知，本申请提供了一种微晶陶瓷低温结合剂，通过对原料及其配比的探索与调控，得到的结合剂强度可达到80m/s的抗拉强度要求，降低烧结温度，烧成温度960℃，性能优异。

最后指出，以上所述为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种微晶陶瓷低温结合剂，其特征在于，包括以下重量比的原料：硅硼锂玻璃15-23％、硼玻璃25-35％、长石22-28％、粘土10-15％，第一氧化物余量。

2.根据权利要求1所述的一种微晶陶瓷低温结合剂，其特征在于，所述硅硼锂玻璃包括以下质量百分比的原料：SiO₂ 50-55％，硼酸3-8％，锂辉石10-15％、碳酸锂15-20％，碳酸钾2-5％，第二氧化物余量。

3.根据权利要求2所述的一种微晶陶瓷低温结合剂，其特征在于，所述第二氧化物选自TiO₂，BaO，CaO，MgO中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种微晶陶瓷低温结合剂，其特征在于，所述长石选自钠长石、钙长石、钾长石、钡长石、钡冰长石、微斜长石、正长石，透长石中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的一种微晶陶瓷低温结合剂，其特征在于，所述长石为钾长石、钠长石，钾长石、钠长石质量比为1：(1.8-4)。

6.根据权利要求1所述的一种微晶陶瓷低温结合剂，其特征在于，所述粘土选自高岭土、水曲柳黏土、蒙脱土、伊利石、水铝英石、白泥中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的一种微晶陶瓷低温结合剂，其特征在于，所述粘土选自高岭土、白泥中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的一种微晶陶瓷低温结合剂，其特征在于，所述粘土为苏州高岭土，白泥，苏州高岭土，白泥质量比为(3-5)：(1-2)。

9.根据权利要求1所述的一种微晶陶瓷低温结合剂，其特征在于，所述第一氧化物选自TiO₂，BaO，CaO，MgO，Al₂O₃，SiO₂中的至少一种。

10.一种根据权利要求1-9任一项所述的微晶陶瓷低温结合剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将硅硼锂玻璃、硼玻璃、长石、粘土按重量比进行球磨，得到结合剂混合物；

(2)加入第一氧化物，混合机混合，制得所述微晶陶瓷低温结合剂。