CN112123221A - 一种碳化硅砂轮结合剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及砂轮技术领域，尤其涉及一种碳化硅砂轮结合剂及其制备方法。按照重量份计，所述碳化硅砂轮结合剂的原料包括：粘土矿物16‑27份，长石50‑70份，石英5‑15份，锂辉石8‑20份，氧化锆5‑10份，废弃玻璃粉末2‑6份。本产品能够在降低结合剂烧成温度的同时提高制得的碳化硅砂轮的强度，并且解决了碳化硅砂轮易出现的黑心问题；本产品性能优异，能够与进口产品相媲美。

Description

一种碳化硅砂轮结合剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及砂轮技术领域，尤其涉及一种碳化硅砂轮结合剂及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，新型材料不断增长，机械加工向高质量、高精度、高效率、自动化方向的不断发展。结合剂作为将磨料粘结成各种形状磨具的材料，在超硬材料的生产领域发挥着重要作用。砂轮是机械加工的重要工具，碳化硅砂轮是采用碳化硅结合剂在高温时将松散的颗粒状磨料结合在一起而制成的磨具。碳化硅砂轮具有磨削效率高、加工精密度高、成本低廉等优点，碳化硅砂轮结合剂作为制备碳化硅砂轮的关键原料，在磨料已确定的前提下，结合剂的熔融温度(耐火度)和结合强度等性能决定着制成砂轮的安全使用性能和焙烧温度。
目前的砂轮结合剂多以长石、粘土体系配制而成，由其制作而成的砂轮的使用线速度一般为35m/s。考虑到低温节能的需要，一般加入硼玻璃等催熔物质来降低结合剂的耐火度同时不降低结合剂的结合强度，但往往会提高砂轮结合剂的生产成本。因此，研制结合强度与烧成温度合理、成本低廉的砂轮结合剂对砂轮的工业化生产具有重要的意义。
为保证产品质量，还需要防止从结合剂、原材料和配制工序混入杂质，使产品产生有害的缺陷。在原料配制中，用粉碎、混合等机械方法和结合剂、分散剂配合，达到分散、未含有凝聚粒子的效果。结合剂受到种类及其分子量，粒子表面的性质和溶剂的溶解性等影响，吸附在原料粒子表面上，通过立体稳定化效果，起到防止粉末原料凝聚的作用。在成型工序中，结合剂给予原料以可塑性，具有保水功能，提高成型强度和成型操作性。一般来说，降低耐火度和提高形体强度往往难以兼顾，因此，如何在降低结合剂耐火度的同时能够提升成型强度，同时还能够兼顾工艺成本，是砂轮结合剂制造领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明制备得到了一种碳化硅砂轮结合剂，该产品能够在降低结合剂烧成温度的同时提高制得的碳化硅砂轮的强度，并且解决了碳化硅砂轮易出现的黑心问题，性能稳定。
本发明第一方面提供了一种碳化硅砂轮结合剂，按照重量份计，所述碳化硅砂轮结合剂的原料包括：粘土矿物16-27份，长石50-70份，石英5-15份，锂辉石8-20份，氧化锆5-10份，废弃玻璃粉末2-6份。
在一种优选的实施方式中，所述粘土矿物选自高岭石，漳州土，蒙脱石，蛭石，伊利石，水铝英石中的至少一种。
在一种优选的实施方式中，所述长石选自钠长石，钙长石，钡长石，钾长石中的至少一种。
在一种优选的实施方式中，所述长石为钠长石和钾长石，钠长石和钾长石的重量比为1:(2-4.5)。
在一种优选的实施方式中，所述锂辉石中Li2O的质量分数为5％-7％。
在一种优选的实施方式中，所述长石和锂辉石的重量比为(3-8)：1。
在一种优选的实施方式中，所述氧化锆为纳米级氧化锆。
在一种优选的实施方式中，所述碳化硅砂轮结合剂的原料还包括白泥2-6份。
本发明第二方面提供了一种碳化硅砂轮结合剂的制备方法，具体步骤包括：
S1.熔融：按照重量份计，将粘土矿物16-27份，长石50-70份，石英5-15份，锂辉石8-20份，氧化锆5-10份，白泥2-6份加入高温炉中熔融，淬冷，得到混合料。
S2.破碎：将熔融后的混合料加入破碎机中进行破碎，得到混合料二；
S3.球磨：将破碎后的混合料二加入球磨机中进行球磨；球磨机料球重量比为(2-3)：1，球磨时间为360-500min，球磨后过320-360目筛网得到混合料三；
S4.二次球磨：将混合料三加入球磨机中，加入废弃玻璃粉末2-6份进行二次球磨；球磨机中料球重量比为1：3，球磨时间为90-110min，二次球磨后过320目筛得到结合剂成品。
在一种优选的实施方式中，所述熔融的熔融温度为1100-1300℃。
有益效果：
传统的碳化硅砂轮结合剂采用烧结结合剂，易产生黑心现象，砂轮性能不稳定，增加了报废率。本发明制备了一种碳化硅砂轮结合剂，其烧成温度能低至1150℃以下，该结合剂制得的碳化硅砂轮的强度可达到50m/s。由此看出，本产品能够在降低结合剂烧成温度的同时提高制得的碳化硅砂轮的强度，并且解决了碳化硅砂轮易出现的黑心问题。本产品性能优异，能够与进口产品相媲美。
具体实施方式
结合以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可进一步地理解本发明的内容。除非另有说明，本文中使用的所有技术及科学术语均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。如果现有技术中披露的具体术语的定义与本申请中提供的任何定义不一致，则以本申请中提供的术语定义为准。
在本文中使用的，除非上下文中明确地另有指示，否则没有限定单复数形式的特征也意在包括复数形式的特征。还应理解的是，如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义，“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示所陈述的组合物、步骤、方法、制品或装置，但不排除存在或添加一个或多个其它组合物、步骤、方法、制品或装置。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“优选的”、“优选地”、“更优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。除此之外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种碳化硅砂轮结合剂，按照重量份计，所述碳化硅砂轮结合剂的原料包括：粘土矿物16-27份，长石50-70份，石英5-15份，锂辉石8-20份，氧化锆5-10份，废弃玻璃粉末2-6份。
在一些优选的实施方式中，所述粘土矿物选自高岭石，漳州土，蒙脱石，蛭石，伊利石，水铝英石中的至少一种。
进一步优选，所述粘土矿物选自高岭石和/或蒙脱石。
更进一步优选，所述粘土矿物为苏州高岭土，苏州高岭土可为市售，例如河北桓禾矿产品有限公司。
在一些优选的实施方式中，所述长石选自钠长石，钙长石，钡长石，钾长石中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述长石为钠长石和钾长石；进一步优选，钠长石和钾长石的重量比为1:(2-4.5)。所述钠长石可为市售，例如石家庄腾邦矿产品有限公司；所述钾长石可为市售，例如河南丰凯耐火材料有限公司。
本发明发现，当钠长石和钾长石的重量比为1：(2-4.5)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。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。钠长石的熔点约1118℃，其烧成温度范围较钾长石更窄，但是钠长石的高温流动性强，对于磨具耐火度的降温效果优于钾长石。钾长石在990℃-1150℃范围内发生熔融，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，对于结合剂的韧性、强度和抵抗酸碱侵蚀能力效果更强。而钾长石的含量较高时能提高制得砂轮的硬度，但对于结合剂烧成温度的降低效果较钠长石略有逊色；而钠长石的含量高虽然显著降低了结合剂的烧成温度，但对制得砂轮的硬度提升效果并不明显。本发明意想不到地发现，当体系中锂辉石中Li2O的质量分数为5％-7％，钠长石和钾长石的重量比为1：(2-4.5)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。
在一些优选的实施方式中，所述锂辉石中Li2O的质量分数为5％-7％。
由于锂的离子半径小，离子电位高，锂辉石具有很强的助熔能力。Li有“紧实”作用，制造碳化硅砂轮时加入含锂辉石的结合剂能够降低砂轮粘度，提高砂轮的抗张强度和弹性模数，降低砂轮的结晶倾向。同时Li的引入能够利于体系中气泡的排出，有利于提高产品的质量和产量。
本发明发现，当锂辉石中Li2O的质量分数为5％-7％时，制得砂轮的硬度和防黑心效果最佳；猜测其原因与体系中的石英有关。石英作为一种性质稳定的氧化物矿物，通常加入到砂轮结合剂中以提升砂轮的机械强度和化学稳定性。但是传统砂轮制造过程中往往伴随着石英的相转化，这一过程伴随着晶格体积变化并且产生内应力，使得砂轮的抗热振性下降。锂辉石在烧熔至1000℃时迅速转变为β-锂辉石，β-锂辉石的晶格结构能够吸收石英相变释放出的游离SiO2，使SiO2成固熔体；同时β-锂辉石促进石英熔解于熔体中，抑制残余石英向热膨胀系数比石英高得多的方石英转化。本发明意想不到地发现，当锂辉石中Li2O的质量分数为5％-7％时，制得砂轮的硬度和防黑心效果最佳；猜测原因是Li2O的质量分数为5％-7％时，β-锂辉石对于石英熔解的促进作用最强，提升了砂轮的机械强度和热稳定性。Li2O的含量较低时，未有足够的β-锂辉石抑制石英的相变，且可能引入更多杂质降低体系的稳定性能；而Li2O过高伴随着晶格网络的基本形成单元SiO2和Al2O3含量的下降，从而限制了结合剂的致密结构。因此，在一些优选的实施方式中，锂辉石中Li2O的质量分数为5％-7％。
在一些优选的实施方式中，所述石英的粒径为200-800目，粒径为200-800目的石英可为市售，例如合肥砾金科技有限公司。
在一些优选的实施方式中，所述长石和锂辉石的重量比为(3-8)：1。
本发明意想不到地发现，当长石和锂辉石的重量比为(3-8)：1时，制得的碳化硅砂轮硬度最高，且未产生黑心现象。猜测是长石和锂辉石的重量比为(3-8)：1时体系中的氧化物(如SiO2、Al2O3、Li2O等)浸润性好，扩散渗透能力佳，锂辉石中Li2O对石英相变膨胀的抑制作用最强，形成的晶格骨架结构稳定，进一步提高了碳化硅砂轮的机械硬度，同时抑制了碳化硅的分解作用，使碳化硅砂轮的黑心现象得以解决。
在一些优选的实施方式中，所述氧化锆为纳米级氧化锆。纳米级氧化锆可为市售，例如北京德科岛金科技有限公司。
在一些优选的实施方式中，所述碳化硅砂轮结合剂的原料还包括白泥2-6份。所述白泥可为市售，例如灵寿县顺佳矿产品加工厂。
在一些优选的实施方式中，废弃玻璃粉末的粒径为200-600目。该原料的具体选择无特别限制，本领域技术人员可以通过常规方法收集并研磨得到。
本发明第二方面提供了一种碳化硅砂轮结合剂的制备方法，具体步骤包括：
S1.熔融：按照重量份计，将粘土矿物16-27份，长石50-70份，石英5-15份，锂辉石8-20份，氧化锆5-10份，白泥2-6份加入高温炉中熔融，淬冷，得到混合料。
S2.破碎：将熔融后的混合料加入破碎机中进行破碎，得到混合料二；
S3.球磨：将破碎后的混合料二加入球磨机中进行球磨；球磨机料球重量比为(2-3)：1，球磨时间为360-500min，球磨后过320-360目筛网得到混合料三；
S4.二次球磨：将混合料三加入球磨机中，加入废弃玻璃粉末2-6份进行二次球磨；球磨机中料球重量比为1：3，球磨时间为90-110min，二次球磨后过320目筛得到结合剂成品。
本发明发现，二次球磨时加入特定量的废弃玻璃粉末提高了结合剂制得砂轮的硬度，降低了砂轮的报废率；同时废弃玻璃粉末的加入降低了工艺成本。猜测原因可能是废弃玻璃粉末提升了结合剂体系的分散性，提升了结合剂空间网络结构的稳定性；进一步与结合剂中粘土、石英、锂辉石等矿物协同作用，提高了结合剂与磨料结合的反应能力和高温润湿性，进一步使得制得砂轮机械性能提升。
在一些优选的实施方式中，所述熔融的熔融温度为1100-1300℃。
本发明发现，熔融温度为熔融温度为1100-1300℃制得的结合剂耐火度较低，且制得的磨具成品硬度较高，不易产生黑心现象。猜测原因是熔融温度为1100-1300℃促进了结合剂中的粘土、石英等矿物在高温液相体系中的相互扩散渗透熔融，促进了锂辉石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
实施例1.
一种碳化硅砂轮结合剂。按照重量份计，所述碳化硅砂轮结合剂的原料包括：粘土矿物20份，长石54份，石英7份，锂辉石9份，氧化锆5份，废弃玻璃粉末2份，白泥2份。
所述粘土矿物为苏州高岭土，购买自河北桓禾矿产品有限公司。
所述长石为钠长石和钾长石，钠长石和钾长石的重量比为1：3。所述钠长石购买自石家庄腾邦矿产品有限公司；所述钾长石购买自河南丰凯耐火材料有限公司。
所述锂辉石的锂辉石中Li2O的质量分数为5％，购买自巩义市佳鸿耐材有限公司。
所述石英的粒径为200目，购买自合肥砾金科技有限公司。
所述氧化锆为纳米级氧化锆，购买自北京德科岛金科技有限公司。
所述白泥购买自灵寿县顺佳矿产品加工厂。
所述废弃玻璃粉末的粒径为200目，废弃玻璃购买自佛山市邸扼绯塑料有限公司。
所述碳化硅砂轮结合剂的具体制备步骤包括：
S1.熔融：按照重量份计，将粘土矿物20份，长石54份，石英7份，锂辉石9份，氧化锆5份加入高温炉中熔融，熔融温度为1200℃，淬冷，得到混合料；
S2.破碎：将熔融后的混合料加入破碎机中进行破碎，得到混合料二；
S3.球磨：将破碎后的混合料二加入球磨机中进行球磨；球磨机料球重量比为3：1，球磨时间为400min，球磨后过320目筛网得到混合料三；
S4.二次球磨：将混合料三加入球磨机中，加入废弃玻璃粉末进行二次球磨；球磨机中料球重量比为1：3，球磨时间为100min，二次球磨后过320目筛得到结合剂成品。
实施例2.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，所述锂辉石中Li2O的质量分数为7％，购买自巩义市佳鸿耐材有限公司。
实施例3.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，所述长石的重量份为63份。
实施例4.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，所述钠长石和钾长石的重量比为1：2。
实施例5.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，所述废弃玻璃粉末的重量份为6份。
实施例6.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，所述长石的重量份为60份，锂辉石的重量份为12份。
实施例7.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，所述熔融温度为1150℃。
实施例8.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，所述熔融温度为1250℃。
对比例1.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，所述锂辉石中Li2O的质量分数为3％，购买自巩义市佳鸿耐材有限公司。
对比例2.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，所述长石是钠长石和钾长石，钠长石和钾长石的重量比为1：1。
对比例3.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，所述长石的重量份为72份，锂辉石的重量份为8份。
对比例4.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，未加入废弃玻璃粉末。
对比例5.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，所述熔融温度为1400℃。
对比例6.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，使用氧化钙替换氧化锆，所述氧化钙购买自镇江大众矿业有限公司。
对比例7.
一种碳化硅砂轮结合剂，具体实施方式同实施例1。不同点在于，未加入白泥。
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碳化硅磨料、粘结剂、润湿剂按照重量份数比20：100：4：5混合，经过成型，干燥，焙烧制得碳化硅砂轮。所述粘结剂为糊精，购买自成都宏博实业有限公司；所述润湿剂为丙烯酸与水按1：1.5(重量)比例混合；所述焙烧温度为1250℃。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。砂轮黑心程度：
由5人小组对制得砂轮的黑心现象进行观察，评估等级从0(无黑心)-5(黑心严重)。
性能测试数据
表1.制得的碳化硅砂轮的性能测试数据
Figure BDA0002700306590000091
Figure BDA0002700306590000101
从实施例1-8和对比例1-7的结果可以看出，加入特定量的长石、粘土、石英、锂辉石和废弃玻璃粉末显著改善了碳化硅砂轮结合剂的烧成温度，并且提高了砂轮的机械强度，还抑制了砂轮易产生的黑心现象。同时发现，虽然氧化钙的加入显著降低了结合剂的烧成温度，但降低了碳化硅砂轮的强度。综上，本发明提供了一种碳化硅砂轮结合剂，该方法制得的砂轮能够兼顾结合剂烧成温度降低和砂轮机械强度增加，同时加入废弃玻璃粉末，降低了结合剂的矿物原料成本。
最后指出，以上所述仅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之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅砂轮结合剂，其特征在于，按照重量份计，所述碳化硅砂轮结合剂的原料包括：粘土矿物16-27份，长石50-70份，石英5-15份，锂辉石8-20份，氧化锆5-10份，废弃玻璃粉末2-6份。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅砂轮结合剂，其特征在于，所述粘土矿物包括高岭石，漳州土，蒙脱石，蛭石，伊利石，水铝英石中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅砂轮结合剂，其特征在于，所述长石选自钠长石，钙长石，钡长石，钾长石中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的一种碳化硅砂轮结合剂，其特征在于，所述长石为钠长石和钾长石，钠长石和钾长石的重量比为1:(2-4.5)。
5.根据权利要求4所述的一种碳化硅砂轮结合剂，其特征在于，所述锂辉石中Li2O的质量分数为5％-7％。
6.根据权利要求5所述的一种碳化硅砂轮结合剂，其特征在于，所述长石和锂辉石的重量比为(3-8)：1。
7.根据权利要求6所述的一种碳化硅砂轮结合剂，其特征在于，所述氧化锆为纳米级氧化锆。
8.根据权利要求7所述的一种碳化硅砂轮结合剂，其特征在于，所述碳化硅砂轮结合剂的原料还包括白泥2-6份。
9.一种根据权利要求8所述的碳化硅砂轮结合剂的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
S1.熔融：按照重量份计，将粘土矿物16-27份，长石50-70份，石英5-15份，锂辉石8-20份，氧化锆5-10份，白泥2-6份加入高温炉中熔融，淬冷，得到混合料。
S2.破碎：将熔融后的混合料加入破碎机中进行破碎，得到混合料二；
S3.球磨：将破碎后的混合料二加入球磨机中进行球磨；球磨机料球重量比为(2-3)：1，球磨时间为360-500min，球磨后过320-360目筛网得到混合料三；
S4.二次球磨：将混合料三加入球磨机中，加入废弃玻璃粉末2-6份进行二次球磨；球磨机中料球重量比为1：3，球磨时间为90-110min，二次球磨后过320目筛得到结合剂成品。
10.根据权利要求9所述的一种碳化硅砂轮结合剂的制备方法，其特征在于，所述熔融的熔融温度为1100-1300℃。
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