CN112756614B - 硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮及其制备方法 - Google Patents

硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮及其制备方法，将铜锡钛合金粉、锆粉球磨后与石墨粉、金刚石混合，得到物料；所述物料经过冷压、烧结、加工，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。从实际应用来看，本发明添加适量的Zr和石墨钛粉，与铜锡钛合金组成的复合金属结合剂可以起到细晶强化、降低烧结温度防止石墨碳化的作用，大大提高砂轮的寿命和加工品质。

Description

硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮及其制备方法
技术领域
本发明属于砂轮技术，具体涉及硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮及其制备方法。
背景技术
拥有优异的力学性能以及热学性能的陶瓷材料的社会中的应用的越来越广泛，但是也因为高硬、脆性大的特性，使其加工变得困难。传统的超硬磨削工具寿命短，品质差，普通的钎焊和电镀产品也因寿命不足不能满足加工要求。常规砂轮多采用铜锡钛作为胎体配方，该配方有其优点，但该胎体配方对于硬脆性蓝宝石玻璃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
本发明金属胎体表面张力低、润湿角低，对金刚石润湿性能高，同时采用Zr和石墨粉对铜锡钛合金进行改性，具有强碳性能，Zr的加入还可提高结合剂的活性，促进合金化和界面反应，利于金刚石的把持，另外，ZrC和TiC同属面心立方结构，且晶格常数接近，所以二者易形成（Zr,Ti）C，提高结合剂的强度和脆性，保持强度的同时增加砂轮自锐性，保持锋利，石墨的加入还可起到自润滑的作用，降低使用时摩擦产生的热量对工件和砂轮的损伤；另外石墨还可以与余量的Zr和Ti反应，防止与金刚石发生过度的反应导致金刚石强度降低；总之，从实际应用来看，添加适量的Zr和石墨钛粉，与铜锡钛合金组成的复合金属结合剂可以起到细晶强化、降低烧结温度防止石墨碳化的作用，大大提高砂轮的寿命和加工品质。
本发明采用如下技术方案：
硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮金属基胎体，其组分和各组分质量百分数如下：
铜锡钛合金粉 80～95%
锆粉 2～10%
石墨粉 余量。
优选的，硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮金属基胎体中，铜锡钛合金粉的质量百分数为85～95%，锆粉的质量百分数为3～8%，石墨粉为余量；本发明以铜锡钛合金粉、锆粉、石墨粉组成硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮金属基胎体，其质量百分数为100%。
本发明中，Cu-Sn-Ti合金粉中，铜锡钛元素比例为70∶15∶15，即70Cu-15Sn-15Ti。
本发明公开了硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮，其以上述硬脆性蓝宝石玻璃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。
上述硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮的制备方法为，将铜锡钛合金粉、锆粉球磨后与石墨粉、金刚石混合，得到物料；所述物料经过冷压、烧结、加工，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。
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。
优选的，球磨时，放入直径2mm和5mm硬质合金球进行球磨；进一步优选的，直径2mm硬质合金球、5mm硬质合金球的质量比为1:4。
优选的，球磨时，球料比20∶1，按重量百分比。
本发明中，冷压在常温下进行，压力为3±0.5t/cm2，时间为8～11s。
本发明中，烧结时，以15～25℃/min的升温速率由常温升至450℃，保温40～50min；然后以10～20℃/min的升温速度升至890℃～920℃，保温20～30min。
本发明公开了上述硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮金属基胎体在制备硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮中的应用；上述硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮在加工硬脆性蓝宝石玻璃材料中的应用，比如硬脆性蓝宝石玻璃修磨。
本发明以铜锡钛合金粉为主要成分，添加锆粉、石墨粉组成金属基胎体，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修磨加工，裂片率小于0.05%，砂轮加工寿命达到2000片。
附图说明
图1为实施例一加工后的工件照片；
图2为对比例四加工后的工件照片。
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锡钛合金粉、锆粉、石墨粉混合得到，将铜锡钛合金粉和锆粉球磨后与石墨粉、金刚石混合，得到物料；所述物料经过冷压、烧结、加工，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮，加工为常规方法。本发明无需其他添加剂以及步骤，得到的硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮对高强高硬脆性陶瓷进行修磨加工，裂片率小，砂轮加工寿命长。
优选的，按质量百分数，本发明硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮其金属基胎体（100%）组分和含量如下：
铜锡钛合金（Cu-Sn-Ti）粉 85～95%
锆（Zr）粉 3～8%
石墨粉 余量
进一步优选的，硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮其金属基胎体中，锆粉的质量百分数为4%～5%，石墨粉的质量百分数为4%～5%。
本发明中，铜锡钛合金粉的粒径为300#，锆粉的粒径为20μm，石墨粉的粒径为30μm，金刚石的粒径为400#。
硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮的制备工艺如下：
物料混料：铜锡钛合金粉、锆粉以及金属粉总质量25%的酒精一起放入球磨罐中，然后放入直径2mm和5mm硬质合金球（质量比为1:4），球料比20：1（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，加入石墨粉、金刚石和粉料总重量200%的丙酮，直径2mm硬质合金球（球料比10∶1，wt.%）200rpm常规混合1小时后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3±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15～25℃/min，并在450℃保温40～50min，然后以10～20℃/min的升温速度至890℃～920℃，保温20～30min；
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棒具有长寿命的特点，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6-10倍。
实施例一
物料混料：按质量百分数，准确称量91%Cu-Sn-Ti合金粉（70Cu-15Sn-15Ti）、5%Zr粉、4%石墨粉；将Cu-Sn-Ti合金粉、Zr粉以及金属粉总质量25%的酒精一起放入球磨罐中，然后放入质量比为1:4的直径2mm硬质合金球、5mm硬质合金球，球料比20：1（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，金属粉料重新放入球磨罐中，加入石墨粉、金刚石和粉料总重量200%的丙酮，用直径2mm硬质合金球（球料比10∶1，wt.%）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，其中金刚石的体积百分数为40%；
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3t/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20℃/min，由室温起升，并在450℃保温50min，然后以15℃/min的升温速度至900℃，保温25min；
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；
由以上步骤得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。
以下改变金属胎体组成，其余不变得到实施例与对比例。
实施例二
按质量百分数，91%Cu-Sn-Ti合金粉、4%Zr粉、5%石墨粉，其余不变，按照实施例一的方法，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。
实施例三
按质量百分数，88%Cu-Sn-Ti合金粉、8%Zr粉、4%石墨粉，其余不变，按照实施例一的方法，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。
实施例四
按质量百分数，88%Cu-Sn-Ti合金粉、5%Zr粉、7%石墨粉，其余不变，按照实施例一的方法，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。
对比例一
在实施例一的基础上，去除锆粉，其余不变，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。
对比例二
在实施例一的基础上，去除石墨粉，其余不变，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。
对比例三
按质量百分数，91%Cu-Sn-Ti合金粉、5%镍粉、4%石墨粉，其余不变，按照实施例一的方法，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。
对比例四
按质量百分数，71%Cu-Sn-Ti合金粉、25%Zr粉、4%石墨粉，其余不变，按照实施例一的方法，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。
对比例五
按质量百分数，84%Cu-Sn合金粉、7%钛粉、5%Zr粉、4%石墨粉，其余不变，按照实施例一的方法，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。
对比例六
将实施例一的球磨调整为全部用直径2mm硬质合金球，其余不变，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮。
将上述实施例以及对比例的硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮、现有市售砂轮进行同样的修磨加工测试，修磨对象都为2.7mm厚的硬脆性蓝宝石玻璃，加工参数为转速5000rpm。
现有市售用于修磨加工蓝宝石玻璃的砂轮对蓝宝石玻璃进行修磨加工，裂片率0.05%（裂了1片），砂轮加工寿命达到200片；
实施例一的硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮对蓝宝石玻璃进行修磨加工，裂片率0.05%（裂了1片），砂轮加工寿命达到2000片，加工后的工件图见图1，修磨品质好，符合加工要求；
实施例二的硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮对蓝宝石玻璃进行修磨加工，裂片率0.055%（裂了1片），砂轮加工寿命达到1800片；
实施例三的硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮对蓝宝石玻璃进行修磨加工，裂片率0.13%（裂了2片），砂轮加工寿命达到1500片；
实施例四的硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮对蓝宝石玻璃进行修磨加工，裂片率0.16%（裂了2片），砂轮加工寿命达到1200片；
对比例一的砂轮对蓝宝石玻璃进行修磨加工，裂片率0.26%（裂了2片），砂轮加工寿命达到760片；
对比例二的砂轮对蓝宝石玻璃进行修磨加工，裂片率0.9%（裂了8片），砂轮加工寿命达到880片；
对比例三的砂轮对蓝宝石玻璃进行修磨加工，裂片率0.65%（裂了5片），砂轮加工寿命达到770片；
对比例四的砂轮对蓝宝石玻璃进行修磨加工，裂片率12.1%（裂了20片），砂轮加工寿命达到165片，大部分修磨不佳，加工后的工件图见图2；
对比例五的砂轮对蓝宝石玻璃进行修磨加工，裂片率10%（裂了18片），砂轮加工寿命达到180片；
对比例六的砂轮对蓝宝石玻璃进行修磨加工，裂片率0.26%（裂了5片），砂轮加工寿命达到1890片。

Claims (6)

1.硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮金属基胎体，其特征在于，所述硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮金属基胎体的组分和各组分质量百分数如下：
铜锡钛合金粉 80～95%
锆粉 2～10%
石墨粉 余量
Cu-Sn-Ti合金粉中，铜锡钛元素比例为70∶15∶15；铜锡钛合金粉的粒径为300#，锆粉的粒径为20μm，石墨粉的粒径为30μm。
2.硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮，以权利要求1所述硬脆性蓝宝石玻璃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，其特征在于，将铜锡钛合金粉、锆粉球磨后与石墨粉、金刚石混合，得到物料；所述物料经过冷压、烧结、成型加工，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮；冷压的压力为3±0.5t/cm2，时间为8～11s；烧结时，以15～25℃/min的升温速率由常温升至450℃，保温40～50min；然后以10～20℃/min的升温速度升至890℃～920℃，保温20～30min；结合剂、磨料的体积比为60∶40。
3.权利要求2所述硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮的制备方法，其特征在于，将铜锡钛合金粉、锆粉球磨后与石墨粉、金刚石混合，得到物料；所述物料经过冷压、烧结、成型加工，得到硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮；冷压的压力为3±0.5t/cm2，时间为8～11s；烧结时，以15～25℃/min的升温速率由常温升至450℃，保温40～50min；然后以10～20℃/min的升温速度升至890℃～920℃，保温20～30min；结合剂、磨料的体积比为60∶40。
4.根据权利要求3所述硬脆性蓝宝石玻璃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；球磨时，放入直径2mm和5mm硬质合金球进行球磨。
5.权利要求1所述硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮金属基胎体在制备硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮中的应用。
6.权利要求2所述硬脆性蓝宝石玻璃加工用砂轮在加工硬脆性蓝宝石玻璃材料中的应用。
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