CN112756613A - 高强高硬陶瓷加工用砂轮及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高强高硬陶瓷加工用砂轮及其制备方法，本发明砂轮的金属胎体由铜粉、锡粉、铁粉、纳米钛粉混合得到，将铜粉、锡粉、铁粉和纳米钛粉球磨后与金刚石混合，得到物料；所述物料经过冷压、烧结、加工，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮；对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率小，砂轮加工寿命长。

Description

高强高硬陶瓷加工用砂轮及其制备方法
技术领域
本发明属于砂轮技术，具体涉及高硬高强陶瓷材料用砂轮及其制备方法。
背景技术
随着3C行业的发展，通讯设备在我们生活中的大量应用，越来越多的产品部件选择性能更为优异的材料来优化产品的使用性能。高强高硬的陶瓷材料相对于传统的金属、玻璃兼具对信号影响小、视觉美感、硬度高不易磨损、散热性能好等特点，因此逐渐被广泛应用在手机、智能穿戴产品上。但目前高强高硬陶瓷未能得到充分应用，原因正是由于它的硬度高、韧性差的特性使其加工非常困难。对于高强高硬陶瓷的加工，普通烧结、电镀产品存在寿命短的问题。对于高强高硬陶瓷用砂轮，现有常规砂轮多采用铜锡钛作为胎体配方，该配方有他的优点，但该胎体配方对于高强高硬陶瓷的加工有致命的弱点，机械强度低，锋利度较差，砂轮使用品质不稳定，时常出现切削力不良造成的裂片。
发明内容
本发明采用铁和纳米钛粉对铜锡配方进行改性，得到的复合物为具有良好的力学性能的强化胎体，对金刚石润湿性好，同时可以提高胎体的抗弯强度，还具有强碳化物形成的优点，加入少量就可以大大改善铜对金刚石的润湿，增加胎体对金刚石的把持，另外，以铜作为骨架，低熔点的锡粉降低表面张力、降低铜的润湿角，纳米钛因其表面能高还可以一定程度上起到降低烧结温度的作用、同时还具有细晶强化的作用。从实际应用来看，添加铁和纳米钛后之后可以大大提高砂轮的寿命。
本发明采用如下技术方案：
高强高硬陶瓷加工用砂轮金属基胎体，其组分和各组分质量百分数如下：
铜粉 50～65%
锡粉 20～26%
铁粉 10～20%
纳米钛粉 余量。
本发明公开了高强高硬陶瓷加工用砂轮，其以上述高强高硬陶瓷加工用砂轮金属基胎体为结合剂、以金刚石为磨料制备得到。
上述高强高硬陶瓷加工用砂轮的制备方法为，将铜粉、锡粉、铁粉和纳米钛粉球磨后与金刚石混合，得到物料；所述物料经过冷压、烧结、加工，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮。
本发明中，球磨在无氧环境中进行，比如氮气下球磨，对后续坯体烧结有利。进一步的，球磨在有机溶剂比如酒精存在下进行，球磨的转速为400～600rpm，时间为100～130分钟。
本发明中，冷压在常温下进行，压力为4±0.5t/cm2，时间为8～11s。
本发明中，烧结时，以10～20℃/min的升温速率由常温升至450℃，保温40～60min；然后以10～20℃/min的升温速度升至900℃-920℃，保温15～25min。
本发明公开了上述高强高硬陶瓷加工用砂轮金属基胎体在制备高强高硬陶瓷加工用砂轮中的应用；上述高强高硬陶瓷加工用砂轮在加工高强高硬陶瓷材料中的应用，比如高强高硬陶瓷钻孔。
本发明以铜粉、锡粉、铁粉、纳米钛粉为原料组成金属基胎体，无需添加其他组分，用于金刚石砂轮的制备，相对于现有砂轮，对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率小于0.15%，砂轮加工寿命达到1200片。
附图说明
图1为实施例一钻孔后的工件；
图2为对比例四钻孔后的工件。
具体实施方式
本发明所有原料都是市售产品，符合砂轮应用，具体操作方法以及测试方法为常规技术。本发明的金属胎体由铜粉、锡粉、铁粉、纳米钛粉混合得到，将铜粉、锡粉、铁粉和纳米钛粉球磨后与金刚石混合，得到物料；所述物料经过冷压、烧结、加工，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮，加工为常规方法。本发明无需其他添加剂以及其他步骤，得到的高强高硬陶瓷加工用砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率小，砂轮加工寿命长。
优选的，按质量百分数，本发明高强高硬陶瓷加工用砂轮其金属基胎体（100%）组分和含量如下：
铜粉 60～64%
锡粉 20～24%
铁粉 10～15%
纳米钛粉 余量
进一步优选的，高强高硬陶瓷加工用砂轮其金属基胎体中，铁粉的质量百分数为12%～15%，纳米钛粉的质量百分数为1.5%～3%。
各金属粉的粒径为：铜粉，300#；锡粉，300#；铁粉，20μm；纳米钛粉，100nm；金刚石的粒径为300#。
本发明高强高硬陶瓷加工用砂轮的制备工艺如下：
物料混料：铜粉、锡粉、铁粉、纳米钛粉以及原料金属粉总质量25%的酒精一起放入球磨罐中，然后放入硬质合金球，球料比10：1（wt.%），球磨机参数设置：转速500rpm，氮气环境球磨混合2小时后球料分离，料重新放入球磨罐中，加入金刚石和金属粉料总重量200%的丙酮，200rpm常规混合1小时后常规加热除去丙酮，得到混合均匀的物料；
压制：常温下，将上述混合好的物料装入现有模具中，置于液压机上，以4±0.5t/cm2的压力维持10s，从而制得密度均匀的冷压坯体；
烧结成型：将上述冷压好的坯体放入真空烧结炉内，设置升温程序使升温速率控制在10-20℃/min，并在450℃保温50min，然后以15℃/min的升温速度至900℃-920℃，保温20min；
成型加工：按照图纸进行尺寸加工，用800#油石抛光30s，进行出刃，为常规方法；按照上述方法制备的砂轮具有长寿命的特点，由于结合剂本身机械强度高、对金刚石把持力强，出刃高，磨损较小，所以寿命是常规砂轮的5-10倍。
实施例一
物料混料：按质量百分数，准确称量62%铜粉、22%锡粉、13%铁粉、3%纳米钛粉以及原料金属粉总质量25%的酒精一起放入球磨罐中，然后放入硬质合金球，球料比10：1（wt.%），球磨机参数设置：转速500rpm，氮气环境球磨混合2小时后球料分离，空气下，金属粉料（结合剂）重新放入球磨罐中，加入金刚石和金属粉料（结合剂与金刚石的体积比为65%：35%）总重量200%的丙酮，200rpm混合1小时后球料分离，物料60℃加热除丙酮，得到混合均匀的物料；
压制：常温下，将上述混合均匀的物料装入现有模具中，置于液压机上，以4t/cm2的压力维持10s，从而制得密度均匀的冷压坯体；
烧结成型：室温下，将上述冷压好的坯体放入真空烧结炉内，设置升温程序使升温速率控制在15℃/min，并在450℃保温50min，然后以15℃/min的升温速度至900℃，保温20min；
成型加工：按照图纸进行常规尺寸加工，用800#油石抛光30s，进行出刃；
由以上步骤得到高强高硬陶瓷加工用砂轮。
实施例二
按质量百分数，金属粉为，61%铜粉、22%锡粉、15%铁粉、2%纳米钛粉，按照实施例一的方法，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮。
实施例三
按质量百分数，金属粉为，63%铜粉、23.5%锡粉、12%铁粉、1.5%纳米钛粉，按照实施例一的方法，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮。
实施例四
按质量百分数，金属粉为，61%铜粉、24%锡粉、10%铁粉、5%纳米钛粉，按照实施例一的方法，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮。
对比例一
在实施例一的基础上，省略铁粉，其余不变，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮。
对比例二
在实施例一的基础上，省略纳米钛粉，其余不变，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮。
对比例三
按质量百分数，金属粉为，62%铜粉、22%锡粉、13%镍粉、3%纳米钛粉，按照实施例一的方法，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮。
对比例四
按质量百分数，金属粉为，42%铜粉、22%锡粉、33%铁粉、3%纳米钛粉，按照实施例一的方法，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮。
对比例五
将实施例一的球磨调整为全在空气中进行，其余不变，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮。
将上述实施例以及对比例的高强高硬陶瓷加工用砂轮、现有市售砂轮进行同样的钻孔加工测试，加工工件为2.5mm厚氧化铝陶瓷，加工参数为转速30000rpm。
现有市售用于钻孔加工的砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率0.6%（裂了1片），砂轮加工寿命达到150片；
实施例一的高强高硬陶瓷加工用砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率0.13%（裂了2片），砂轮加工寿命达到1500片，图1为钻孔后的工件，加工品质好，符合应用要求；
实施例二的高强高硬陶瓷加工用砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率0.25%（裂了3片），砂轮加工寿命达到1200片；
实施例三的高强高硬陶瓷加工用砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率0.3%（裂了3片），砂轮加工寿命达到1000片；
实施例四的高强高硬陶瓷加工用砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率0.54%（裂了4片），砂轮加工寿命达到740片；
对比例一的砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率0.96%（裂了5片），砂轮加工寿命达到520片；
对比例二的砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率0.65%（裂了3片），砂轮加工寿命达到460片；
对比例三的砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率2.1%（裂了12片），砂轮加工寿命达到570片；
对比例四的砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率30.7%（裂了20片），砂轮加工寿命达到65片，图2为钻孔后的工件，存在开裂；
对比例五的砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行钻孔加工，裂片率0.51%（裂了6片），砂轮加工寿命达到1160片。

Claims (10)

1.高强高硬陶瓷加工用砂轮金属基胎体，其特征在于，所述高强高硬陶瓷加工用砂轮金属基胎体的组分和各组分质量百分数如下：
铜粉 50～65%
锡粉 20～26%
铁粉 10～20%
纳米钛粉 余量。
2.高强高硬陶瓷加工用砂轮，其特征在于，所述高强高硬陶瓷加工用砂轮以权利要求1所述高强高硬陶瓷加工用砂轮金属基胎体为结合剂、以金刚石为磨料制备得到。
3.根据权利要求2所述高强高硬陶瓷加工用砂轮，其特征在于，结合剂、磨料的体积比为65∶35。
4.根据权利要求2所述高强高硬陶瓷加工用砂轮，其特征在于，金刚石为300#，纳米钛粉的粒径为100nm。
5.权利要求2所述高强高硬陶瓷加工用砂轮的制备方法，其特征在于，将铜粉、锡粉、铁粉和纳米钛粉球磨后与金刚石混合，得到物料；所述物料经过冷压、烧结、加工，得到高强高硬陶瓷加工用砂轮。
6.根据权利要求5所述高强高硬陶瓷加工用砂轮的制备方法，其特征在于，球磨在无氧环境中进行。
7.根据权利要求5所述高强高硬陶瓷加工用砂轮的制备方法，其特征在于，冷压的压力为4±0.5t/cm2，时间为8～11s。
8.根据权利要求5所述高强高硬陶瓷加工用砂轮的制备方法，其特征在于，烧结时，以10～20℃/min的升温速率由常温升至450℃，保温40～60min；然后以10～20℃/min的升温速度升至900℃～920℃，保温15～25min。
9.权利要求1所述高强高硬陶瓷加工用砂轮金属基胎体在制备高强高硬陶瓷加工用砂轮中的应用。
10.权利要求5所述高强高硬陶瓷加工用砂轮在加工高强高硬陶瓷材料中的应用。
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