CN112192457B - 一种低熔硬脆金属树脂复合结合剂、含其的磨具以及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于磨具技术领域，具体涉及一种低熔硬脆金属树脂复合结合剂，其主要由下述重量份原料制成：25‑50份聚酰亚胺树脂粉，30‑60份青铜粉，8‑15份锡粉，5‑16份镍粉，2‑7份铋粉，2‑7份稀土元素。该结合剂兼具低熔点和硬脆性，用该复合结合剂制备的磨具可在低温下实现致密性成型，同时磨具还兼具金属结合剂砂轮的耐磨性，并拥有出色的锋利性。

Description

一种低熔硬脆金属树脂复合结合剂、含其的磨具以及制备 方法

技术领域

本发明属于磨料磨具技术领域，具体涉及一种低熔硬脆金属树脂复合结合剂、含其的磨具以及制备方法。

背景技术

复合结合剂砂轮因兼具树脂砂轮的锋利性和金属砂轮的耐磨性而成为磨料磨具行业发展的大趋势。由于金属结合剂砂轮成型温度高，树脂结合剂砂轮成形温度低，因此要将金属结合剂和树脂结合剂致密化地结合在一起，成型温度的选取尤为重要。成型温度过高，树脂会在成型过程中碳化失效，成型温度过低，金属结合剂达不到致密化成型，起不到金属结合剂的作用。

为满足金属树脂复合结合剂的制备要求，本发明通过在传统的金属结合剂体系中引入新的低熔点高脆元素，并加入促熔元素，设计了新的低熔点合金配方，将金属结合剂成型温度降低至560℃以下。采用球磨、煅烧的技术制备了金属低温硬脆金属结合剂，将该金属结合剂与聚酰亚胺树脂研磨过筛得到金属树脂复合结合剂。用该金属树脂复合结合剂制备的磨具锋利性和耐磨性均好。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种低熔硬脆金属树脂复合结合剂，其兼具低熔点和硬脆性，用该复合结合剂制备的磨具可在低温下实现致密性成型，同时磨具还兼具金属结合剂砂轮的耐磨性，并拥有出色的锋利性。

本发明还提供了一种利用上述低熔硬脆金属树脂复合结合剂制成的磨具，以及其简单易操作的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低熔硬脆金属树脂复合结合剂，该金属树脂复合结合剂主要由下述重量份原料制成：25-50份聚酰亚胺树脂粉，30-60份青铜粉，8-15份锡粉，5-16份镍粉，2-7份铋粉，2-7份稀土元素。该金属树脂复合结合剂的成型温度低于560℃。

金属树脂复合结合剂的各原料均为普通市售的工业级产品。其中，上述所使用的镍粉为携带自由羰基的超细镍粉，优选粒度5um，其在成型过程中能够促进金属原料粉的熔融，同时增加金属粉与树脂粉的结合强度。铋粉的加入，能在结合剂煅烧过程中与结合剂中的铜、锡元素反应，生成ε脆性相，增加结合剂的脆性。聚酰亚胺树脂粉能为金属树脂复合结合剂保留树脂结合剂磨具的锋利性。青铜粉、锡粉组成了金属结合剂的基础骨架，能为金属树脂复合结合剂保留金属结合剂是保型性。

具体的，所述稀土元素由镧、铈、镨、钕、钷、钐和铕中的一种或多种组成。少量稀土元素的增加一方面能降低成型温度，另一方面还能提高磨具的成型性和耐磨性。

本发明提供了上述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的制备方法，其包括以下步骤：

1）将除聚酰亚胺树脂粉以外的其它原料装进钢制球磨罐中，放入研磨用的钢球，倒入球磨介质，将密封好的球磨罐放置于行星球磨机上，用行星球磨机进行球磨，设定球磨频率，球磨时间，启动球磨机；

2）将球磨好的物料倒入钼坩埚中，盖上盖子，于真空烧结炉中进行煅烧以充分合金化；

3）将煅烧过的物料与聚酰亚胺树脂粉用刚玉研钵进行研磨，然后过筛，即得所述的低熔硬脆金属树脂复合结合剂。

进一步的，步骤1）中，球磨频率为150-250Hz，球磨时间8-15小时。优选的，球磨频率的最佳范围为180-200Hz，球磨最佳时间为8-13小时。

具体的，步骤1）中，选用直径5mm的钢球进行球磨，球磨介质为无水乙醇或丙酮，优选的，球磨介质为无水乙醇。研磨所用钢球占球磨罐体积的30-50%（优选35-45%），物料占球磨罐体积的15-30%（优选20-28%），球磨介质以刚没过球料为最优。

具体的，步骤2）中，煅烧温度范围为450-650℃，煅烧时间2-5小时。优选地，煅烧的最佳温度范围为480-620℃。

本发明还提供了一种含上述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的磨具的制备方法，其包括如下步骤：

a）将配方所需量的磨料放入刚玉研钵中，加入润湿剂，研磨均匀；磨料为金刚石或CBN；

b）称取配方所需的低熔硬脆金属树脂复合结合剂倒入料盆中，再加入步骤a）研磨好的磨料，过筛，即得成型料；

c）将成型料投入组装好的模具中，刮料，盖压头；将模具推上热压机，预压压力1-3MPa，120℃开始排气，30s排气1次，160℃停止排气，升温至设定温度350-520℃并开始带压保温，保温压力4-14MPa，60min后带压降温至300℃，卸压卸模，取出即得磨具。

一般来讲，磨料添加量为15-30体积份，低熔硬脆金属树脂复合结合剂70-90体积份。进一步的，所述润湿剂为石蜡、二甲基甲酰胺和硅烷偶联剂中的一种或多种。优选的，润湿剂选用石蜡和二甲基甲酰胺，以0.2-0.8份为最优添加量。

本发明还提供了采用上述制备方法制备得到的含低熔硬脆金属树脂复合结合剂的磨具。

和现有技术相比，本发明的有益效果：

为满足金属树脂复合结合剂的制备要求，本发明通过在传统的金属结合剂体系中引入新的低熔点高脆元素，并加入促熔元素，设计了新的低熔点合金配方，将金属树脂复合结合剂磨具的成型温度降低至560℃以下。采用球磨、煅烧的技术制备了金属低温硬脆金属结合剂，将该金属结合剂与聚酰亚胺树脂研磨过筛得到金属树脂复合结合剂。用该金属树脂复合结合剂制备的磨具均具有极好的锋利性和耐磨性，尤其适合用来磨削金属陶瓷棒料、蓝宝石棒、8寸硅片等。

附图说明

图1为实施例1中添加铋粉后结合剂中生成了ε脆性相；

图2中，左为不添加稀土元素于380℃热压成型的结合剂形貌，图2右为添加稀土元素于380℃热压成型的结合剂形貌。图中可以看出：不添加稀土元素的结合剂疏松，不致密，料生；而添加稀土元素后，结合剂致密度高，成型状态好。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

下述实施例中所使用的镍粉为携带自由羰基的超细镍粉（超细羰基镍粉），粒度5um，为直接购买的普通市售产品；其它原料如无特殊说明，均为可直接购买到的普通市售工业级产品。

实施例1

一种低熔硬脆金属树脂复合结合剂，该金属树脂复合结合剂主要由下述重量份原料制成：30份聚酰亚胺树脂粉，45份青铜粉，8份锡粉，6份镍粉，5份铋粉，6份稀土元素镧。

上述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的制备方法，其包括以下步骤：

1）将除聚酰亚胺树脂粉以外的其它五种原料装进钢制球磨罐中，放入研磨用的钢球（直径5mm），倒入球磨介质无水乙醇，将密封好的球磨罐放置于行星球磨机上，用行星球磨机进行球磨，设定球磨频率200Hz，球磨时间10小时，启动球磨机；研磨所用钢球占球磨罐体积的35%，物料占球磨罐体积的25%，球磨介质以刚没过球料为最优；

2）将球磨好的物料倒入钼坩埚中，盖上盖子，于真空烧结炉中500℃煅烧3h以充分合金化；

3）将煅烧过的物料与聚酰亚胺树脂粉用刚玉研钵进行研磨，然后过300目筛，即得所述的低熔硬脆金属树脂复合结合剂。

实施例2

一种低熔硬脆金属树脂复合结合剂，该金属树脂复合结合剂主要由下述重量份原料制成：25份聚酰亚胺树脂，50份青铜粉，10份锡粉，5份镍粉，6份铋粉，4份稀土元素铈。

上述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的制备方法，其包括以下步骤：

1）将除聚酰亚胺树脂粉以外的其它五种原料装进钢制球磨罐中，放入研磨用的钢球（直径5mm），倒入球磨介质无水乙醇，将密封好的球磨罐放置于行星球磨机上，用行星球磨机进行球磨，设定球磨频率200Hz，球磨时间9小时，启动球磨机；研磨所用钢球占球磨罐体积的45%，物料占球磨罐体积的30%，球磨介质以刚没过球料为最优；

2）将球磨好的物料倒入钼坩埚中，盖上盖子，于真空烧结炉中620℃煅烧2h以充分合金化；

3）将煅烧过的物料与聚酰亚胺树脂粉用刚玉研钵进行研磨，然后过300目筛，即得所述的低熔硬脆金属树脂复合结合剂。

实施例3

一种含上述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的磨具的制备方法，其包括如下步骤：

a）将按配方比例称取20体积份的金刚石磨料放入刚玉研钵中，加入润湿剂石蜡0.5份，充分研磨均匀；

b）称取配方所需的实施例1所述低熔硬脆金属树脂复合结合剂80份倒入料盆中，再加入步骤a）研磨好的磨料，过200目筛五遍，即得成型料；

c）将成型料投入组装好的模具中，刮料，盖压头；将模具推上热压机，设定升温曲线，预压压力2MPa，120℃开始排气，30s排气1次，160℃停止排气，升温至设定温度500℃并开始保温，保温压力4MPa，60min后带压降温至300℃，卸压卸模，取出即得磨具。

实施例4

一种含上述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的磨具的制备方法，其包括如下步骤：

a）将按配方比例称取30体积份的CBN磨料放入刚玉研钵中，加入润湿剂石蜡0.7份，充分研磨均匀；

b）称取配方所需的实施例1所述低熔硬脆金属树脂复合结合剂75份倒入料盆中，再加入步骤a）研磨好的磨料，过100目筛五遍，即得成型料；

c）将成型料投入组装好的模具中，刮料，盖压头；将模具推上热压机，设定升温曲线：预压压力2MPa，120℃开始排气，30s排气1次，160℃停止排气，升温至设定温度520℃并开始保温，保温压力6MPa，60min后带压降温至300℃，卸压卸模，取出即得磨具。

实施例5

一种含上述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的磨具的制备方法，其包括如下步骤：

a）将按配方比例称取18体积份的金刚石磨料放入刚玉研钵中，加入润湿剂石蜡0.5份，充分研磨均匀；

b）称取配方所需的实施例2所述低熔硬脆金属树脂复合结合剂82份倒入料盆中，再加入步骤a）研磨好的磨料，过100目筛五遍，即得成型料；

c）将成型料投入组装好的模具中，刮料，盖压头；将模具推上热压机，设定升温曲线，预压压力3MPa，120℃开始排气，30s排气1次，160℃停止排气，升温至设定温度385℃并开始保温，保温压力7MPa，60min后带压降温至300℃，卸压卸模，取出即得磨具。

实施例6

一种含上述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的磨具的制备方法，其包括如下步骤：

a）将按配方比例称取25体积份的金刚石磨料放入刚玉研钵中，加入润湿剂石蜡0.5份，充分研磨均匀；

b）称取配方所需的实施例2所述低熔硬脆金属树脂复合结合剂75份倒入料盆中，再加入步骤a）研磨好的磨料，过300目筛五遍，即得成型料；

c）将成型料投入组装好的模具中，刮料，盖压头；将模具推上热压机，设定升温曲线，预压压力1MPa，120℃开始排气，30s排气1次，160℃停止排气，升温至设定温度420℃并开始保温，保温压力5MPa，60min后带压降温至300℃，卸压卸模，取出即得磨具。

对比例1

一种含金属树脂复合结合剂的磨具的制备方法，其包括如下步骤：

a）将按配方比例称取20体积份的金刚石磨料放入刚玉研钵中，加入润湿剂石蜡0.5份，充分研磨均匀；

b）称取配方所需的金属树脂复合结合剂80份倒入料盆中，再加入步骤a）研磨好的磨料，过200目筛五遍，即得成型料；所述金属树脂复合结合剂配方与实施例1相同，不同之处在于：制备过程中没有经过实施例1步骤1）的球磨和步骤2）的煅烧处理；

c）将成型料投入组装好的模具中，刮料，盖压头；将模具推上热压机，设定升温曲线，预压压力2MPa，120℃开始排气，30s排气1次，160℃停止排气，升温至设定温度500℃并开始保温，保温压力4MPa，60min后带压降温至300℃，卸压卸模，取出即得对比例磨具。

对比例2

一种含金属树脂复合结合剂的磨具的制备方法，其包括如下步骤：

a）将按配方比例称取18体积份的金刚石磨料放入刚玉研钵中，加入润湿剂石蜡0.5份，充分研磨均匀；

b）称取配方所需的金属树脂复合结合剂82份倒入料盆中，再加入步骤a）研磨好的磨料，过100目筛五遍，即得成型料；所述金属树脂复合结合剂的配方与实施例2不同之处在于：不含铋粉，制备方法参考实施例2；

c）将成型料投入组装好的模具中，刮料，盖压头；将模具推上热压机，设定升温曲线，预压压力3MPa，120℃开始排气，30s排气1次，160℃停止排气，升温至设定温度385℃并开始保温，保温压力7MPa，60min后带压降温至300℃，卸压卸模，取出即得对比例磨具。

对比例3

一种含金属树脂复合结合剂的磨具的制备方法，其包括如下步骤：

a）将按配方比例称取25体积份的金刚石磨料放入刚玉研钵中，加入润湿剂石蜡0.5份，充分研磨均匀；

b）称取配方所需的金属树脂复合结合剂75份倒入料盆中，再加入步骤a）研磨好的磨料，过300目筛五遍，即得成型料；所述金属树脂复合结合剂的配方与实施例2不同之处在于：不含稀土元素铈，制备方法参考实施例2；

c）将成型料投入组装好的模具中，刮料，盖压头；将模具推上热压机，设定升温曲线，预压压力1MPa，120℃开始排气，30s排气1次，160℃停止排气，升温至设定温度420℃并开始保温，保温压力5MPa，60min后带压降温至300℃，卸压卸模，取出即得对比例磨具。

应用试验1

将实施例3和对比例1制备所得磨具（1A1 125*6*31.75*10，D35）分别用来磨削直径6mm的金属陶瓷棒料，砂轮转速3600rpm，走刀速度80mm/min，单次进刀量1.5mm。记录加工5根棒料后磨床功率和砂轮磨削面状态，如下表。表中数据说明：金属树脂复合结合剂中的金属结合剂经过球磨、煅烧充分合金化后，所制备的磨具磨削负载低，磨削面无堵塞，磨具锋利性好。

应用试验2

将实施例5和对比例2制备所得磨具（6A2 100*35*40*15*10，D64）分别用来磨削直径100mm的蓝宝石棒，砂轮转速3000rpm，走刀速度40mm/min，单次进刀量0.5mm。记录外圆磨床加工蓝宝石棒料时磨床的状态，如下表。表中数据说明：金属树脂复合结合剂中添加铋粉后，结合剂的锋利性好，所制备的磨具磨削声音小，工件表面无振纹。

应用试验3

将实施例6和对比例3制备所得磨具（6A2H/C 200*35*76*5*5，4000#）分别用来磨削8寸硅片，砂轮转速2000rpm，单次进刀量0.3mm。记录磨床加工10片硅片时磨床的电流走势及硅片表面纹路情况，如下表。表中数据说明：金属树脂复合结合剂中添加少量稀土元素后，所制备的磨具尖角保持性好，耐磨性好，持续磨削10片硅片，磨床的电流还可以维持在安全值以内。

综上可以看出：本发明的金属树脂复合结合剂属于低熔点、硬脆型，其成型温度低于560℃，利用其所制备的磨具具有锋利性好，耐磨性好等优点。

Claims (8)

1.一种低熔硬脆金属树脂复合结合剂，其特征在于，该金属树脂复合结合剂主要由下述重量份原料制成：25-50份聚酰亚胺树脂粉，30-60份青铜粉，8-15份锡粉，5-16份镍粉，2-7份铋粉，2-7份稀土元素；

所述稀土元素由镧、铈、镨、钕、钷、钐和铕中的一种或多种组成；

所使用的镍粉为携带自由羰基的超细镍粉，粒度5um；

铋粉的加入，能在结合剂煅烧过程中与结合剂中的铜、锡元素反应，生成ε脆性相，增加结合剂的脆性；

用该金属树脂复合结合剂制备的磨具适合用来磨削金属陶瓷棒料、蓝宝石棒、8寸硅片。

2.权利要求1所述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将除聚酰亚胺树脂粉以外的其它原料用行星球磨机进行球磨；

2）将球磨好的物料于真空烧结炉中进行煅烧；

3）将煅烧过的物料与聚酰亚胺树脂粉用刚玉研钵进行研磨，然后过筛，即得所述的低熔硬脆金属树脂复合结合剂。

3.根据权利要求2所述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的制备方法，其特征在于，步骤1）中，球磨频率为150-250Hz，球磨时间8-15小时。

4.根据权利要求2所述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的制备方法，其特征在于，步骤1）中，选用直径5mm的钢球进行球磨，球磨介质为无水乙醇或丙酮。

5.根据权利要求2所述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的制备方法，其特征在于，步骤2）中，煅烧温度范围为450-650℃，煅烧时间2-5小时。

6.一种含权利要求1所述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的磨具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a）将配方所需量的磨料放入刚玉研钵中，加入润湿剂，研磨均匀；

b）称取配方所需的低熔硬脆金属树脂复合结合剂倒入料盆中，再加入步骤a）研磨好的磨料，过筛，即得成型料；

c）将成型料投入组装好的模具中，刮料，盖压头；将模具推上热压机，预压压力1-3MPa，120℃开始排气，30s排气1次，160℃停止排气，升温至设定温度350-520℃并开始带压保温，保温压力4-14MPa，60min后带压降温至300℃，卸压卸模，取出即得磨具；

磨具制备过程中，磨料添加量为15-30体积份，低熔硬脆金属树脂复合结合剂70-90体积份；磨料为金刚石或CBN。

7.根据权利要求6含所述低熔硬脆金属树脂复合结合剂的磨具的制备方法，其特征在于，所述润湿剂为石蜡、二甲基甲酰胺和硅烷偶联剂中的一种或多种。

8.采用权利要求6或7所述制备方法制备得到的含低熔硬脆金属树脂复合结合剂的磨具。

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