CN113319742A

CN113319742A - 一种具有磨削与抛光功能磨料的制备方法

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Publication number: CN113319742A
Application number: CN202110641358.2A
Authority: CN
Inventors: 赵志伟; 王荣生; 王鹏
Original assignee: Jiangsu Fengmang Compound Material Science & Tech Group Co ltd
Current assignee: Jiangsu Fengmang Compound Material Science & Tech Group Co ltd
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2041-06-09
Also published as: CN113319742B

Abstract

本发明公开了一种具有磨削与抛光功能磨料的制备方法，具体包括以下步骤：（1）将原料纳米氮化钒与氮化铬复合微粉、陶瓷结合剂、超硬材料及碳化硅混合均匀，制成复合粉体，然后静压压制成板状，厚度为1‑2mm；（2）将静压后的板状原料在1100‑1200℃下烧结，烧结1‑2h，保温20‑30min，烧结后的原料进行破碎；（3）将步骤（2）破碎后的原料在1600‑1700℃下烧结，烧结8‑11h，保温2‑3h，烧结破碎后筛分，经筛分得到不同粒度的颗粒即具有磨削与抛光功能磨料；该制备方法简单易行，制备出的磨料既具有磨削又具有很好的抛光效果，降低物耗能耗与时耗，提高功效降低成本。

Description

一种具有磨削与抛光功能磨料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种磨料的制备方法，具体涉及一种具有磨削与抛光功能磨料的制备方法。

背景技术

打磨是制造业中一道重要的工序。铸造塑形、平整外装、除锈抛光，特别是滚动与摩擦触面低粗糙度加工等都离不开研磨工艺。现代制造业高速发展，以钛、镍、铬等稀有金属制成的各种合金钢被广泛应用，其表面处理技术和工艺要求越来越高，对被称之为“现代工业牙齿”的涂附磨具产品不断提出了新要求，如专业化、精细化、高效率、低成本、无污染等。

随着制造业的高速发展，对加工技术也提出了高端要求。就砂带磨削而言，传统的方法是在磨面上植入一种磨料，诸如碳化硅、氧化铝或其他人造复合磨料如立方氮化硼等。客观情况是，每一种磨料都有其独自的优点也存在相应的缺点。所以普通砂带的功效就显得比较单一。有时候要完成一种工件的磨削，必须更换几次不同性能的砂带，才能达到预想的效果。如何应用一条砂带就能完成多道工序的磨削功能，降低物耗能耗与时耗，提高功效降低成本，成了制造业的迫切需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种具有磨削与抛光功能磨料的制备方法，该制备方法简单易行，制备出的磨料既具有磨削又具有很好的抛光效果，降低物耗能耗与时耗，提高功效降低成本。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种具有磨削与抛光功能磨料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将原料纳米氮化钒与氮化铬复合微粉、陶瓷结合剂、超硬材料、助燃剂及碳化硅混合均匀，制成复合粉体，然后压制成块体或圆柱体；

（2）将压制后的坯体在600-1000℃下烧结，烧结1-2h，保温10-60min，烧结后的原料进行破碎；

（3）将步骤（2）破碎后的原料筛分得到不同粒度的颗粒即具有磨削与抛光功能磨料。

本发明进一步限定的技术方案是：

进一步的，前述具有磨削与抛光功能磨料的制备方法中，原料按质量百分比计具体为：纳米氮化钒与氮化铬复合微粉：4-8%，陶瓷结合剂：30-40%，超硬材料：10-15%，阻燃剂：5-8%，碳化硅：40-50%，以上各组分之和为100%，其中：

超硬材料为立方氮化硼或金刚石中的任意一种。

前述具有磨削与抛光功能磨料的制备方法中，金刚石或立方氮化硼得颗粒度为80-220目。

前述具有磨削与抛光功能磨料的制备方法中，阻燃剂由磷氮硅三元阻燃剂和硼酸锌混合而成，具体制备如下：

向装有冷凝管、滴液漏斗的三口烧瓶中通入氮气8min，依次加入磷酸和乙醇，将γ-（2,3-环氧丙氧基）丙基三甲氧硅烷逐滴加入，滴加速度控制在6g/min，在室温下反应2h；

反应结束后，将三口烧瓶置于恒温水浴锅内，用旋转蒸发器减压蒸馏除去溶剂和低沸物，即得到磷硅二元阻燃剂，其中整个反应过程保持连续机械搅拌，搅拌速度为300-400r/min，在容器中加入磷硅二元阻燃剂和脲，室温下连续机械搅拌5-10min，得到磷氮硅三元阻燃剂；

将硼酸锌与制备好的磷氮硅三元阻燃剂混合均匀，最终得到复合的阻燃剂。

技术效果，本发明中加入的磷元素阻燃剂的合成工艺简单、产率高、阻燃效果好，具有广阔的前景，本发明中将不同的阻燃剂混合形成一种新的阻燃体系，共同阻燃效果大于各阻燃成分单独作用之和，协同效应不仅能提高阻燃体系的效率，而且能减少体系中某种成分或全部成分的用量，本发明中添加了硅系阻燃剂，在经过硅系阻燃系整理棉织物后，棉织物阻燃性能明显提高，且对织物的柔软性没有大的影响；

本发明阻燃剂的使用，减少了磨料的破碎、熄灭清理时产生的火花。

前述具有磨削与抛光功能磨料的制备方法中，陶瓷结合剂按质量百分比计包括以下组分：

二氧化二硼：13-15%，氧化铝：10-15%，氧化钛：5-7%，氧化镁：3-5%，氧化锂：1-3%，氧化钾：5-8%，氧化钙：1-3%，氧化锆：1-3%，铋酸钠：1-2%，余量为二氧化硅，以上各组分之和为100%；

所述陶瓷结合剂的制备工艺，具体为：将所有原料混合均匀，装入坩埚于高温熔块炉中加热至1000-1200℃，保温2-4h，待原料完全熔融后水淬，然后在100℃烘箱中干燥20-24h，高能球磨处理48h，然后过200目筛，制得陶瓷结合剂。

技术效果，二氧化硅为陶瓷结合剂提供主架构，氧化钛作为晶核剂，本发明将二氧化硅、三氧化二铝、铋酸钠。氧化锆等原料混合加热，制备成复合陶瓷结合剂，这种陶瓷结合剂较常规的陶瓷结合剂具有更高的强度、韧性和更低的烧结温度，高温润湿性更佳，热膨胀系数低，对磨料的把持性好。

前述具有磨削与抛光功能磨料的制备方法中，步骤（1）所用压制设备为液压机或等静压机中的任意一种，步骤（2）中所述烧结设备为马弗炉、真空烧结炉、微波烧结炉、热等静压烧结炉、隧道窑、推板窑中的任意一种。

前述具有磨削与抛光功能磨料的制备方法中，纳米氮化钒与氮化铬复合微粉在使用前进行处理，包括残碳和残氧处理，具体为：空气中加热制得的纳米氮化钒/氮化铬复合粉末，然后再在氢气气氛中加热制得的纳米氮化钒/氮化铬复合粉末。

技术效果，本发明不是常规的纳米氮化钒/氮化铬复合粉末制备，为进一步提高产物纯度，需对纳米氮化钒/铬复合粉末进行处理，主要包括残碳和残氧处理，可先进行残碳处理（空气中加热产物至一定温度，使碳和氧发生反应），再进行残氧处理（在氢气气氛中加热产物至一定温度，使氧和氢发生反应），后者可进一步除去残余碳（碳和氢气发生反应）。

本发明的有益效果是：

本发明的作用机理是，纳米氮化钒与氮化铬复合微粉具有较高的附着力，又有高硬度与耐磨性能，用它包覆CBN（金刚石）与碳化硅，形成既能磨削又能抛光的新材料。

本发明将纳米氮化物复合粉末，通过引入超硬材料（CBN或金刚石）、碳化硅三种材料进行科学配伍，然后结合高性能陶瓷结合剂，凝聚，经高温分段烧结制成新型磨料，所得磨料具有较高的硬度和韧性，磨削能力强、效率高，具有优良的抛光性能；具有良好的耐磨性、热稳定性及化学稳定性，使用寿命长；相比于普通的刚玉磨料、碳化硅磨料，其在硬度和韧性，磨削能耐磨性、抛光性、热稳定性及化学稳定性方面都极具竞争力；同时，使用该磨料加工过程中扬尘少，避免了对环境空气的污染；本发明的制备方法，工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。

本发明将纳米氮化钒/铬复合粉末与超硬材料、低温高强陶瓷结合剂等相结合，制备高性能聚合磨料，这种磨料应用于超硬材料涂附磨具中，磨具的磨削效率和磨削精度得到大幅度提升。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）工艺简单，操作方便。原料经混料、干燥后，即可进行碳热还原氮化，而且一次完成，简化了生产工艺，操作方便，适合工业化生产。

（2）反应温度低，反应时间短，节约能源。以纳米氧化钒、纳米氧化铬和纳米碳质还原剂为原料，具有较高的比表面积，颗粒之间的接触面积较大，界面原子数较多，界面区域原子扩散系数较高，使得纳米材料具有较高的化学活性，可以加速碳热还原（氮化）反应的进行。相对传统氮化钒/铬复合粉末的制备方法，本制备方法可以大幅度降低反应温度（较传统制备方法降低300-500℃，较同类制备方法降低100-300℃），缩短反应时间（较传统制备方法缩短4-6h，较同类制备方法降低1-2h），有效节约能源。

（3）粒径细小，性能优异。反应生成的纳米氮化钒/铬复合粉末，杂质含量少，粉末粒度细小（＜100nm），粒度均匀，粒径分布范围较窄。

（4）产品性能显著提升，应用前景非常广阔。将制备的纳米氮化钒/铬复合粉末，应用于超硬材料涂附磨具砂轮后，样品具有两大明显优势：①磨削效率高。与目前市场上使用的传统砂带制品相比，磨削效率提高50%以上；②抛光效果好。使用本产品研磨加工后，不锈钢表面粗糙度可达到50nm以下，技术指标达到国际领先水平。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种具有磨削与抛光功能磨料的制备方法，具体包括以下步骤：

（2）将压制后的坯体在600-1000℃下烧结，烧结2h，保温25min，烧结后的原料进行破碎；

在本实施例中，原料按质量百分比计具体为：纳米氮化钒与氮化铬复合微粉：5%，陶瓷结合剂：35%，超硬材料：15%，碳化硅：45%，以上各组分之和为100%，其中：

超硬材料为立方氮化硼。

在本实施例中立方氮化硼得颗粒度为80-220目。

在本实施例中，阻燃剂由磷氮硅三元阻燃剂和硼酸锌混合而成，具体制备如下：

在本实施例中，陶瓷结合剂按质量百分比计包括以下组分：

二氧化二硼：13%，氧化铝：15%，氧化钛：6%，氧化镁：5%，氧化锂：3%，氧化钾：5%，氧化钙：2%，氧化锆：1%，铋酸钠：1%，余量为二氧化硅，以上各组分之和为100%；

所述陶瓷结合剂的制备工艺，具体为：将所有原料混合均匀，装入坩埚于高温熔块炉中加热至1000℃，保温4h，待原料完全熔融后水淬，然后在100℃烘箱中干燥22h，高能球磨处理48h，然后过200目筛，制得陶瓷结合剂。在本实施例中，步骤（1）所用压制设备为液压机或等静压机中的任意一种，步骤（2）中烧结设备为马弗炉、真空烧结炉、微波烧结炉、热等静压烧结炉、隧道窑、推板窑中的任意一种。

在本实施例中，步骤（1）中所述纳米氮化钒与氮化铬复合微粉的制备方法，具体为：

（1）将原料纳米碳黑、纳米V2O5及纳米Cr2O3采用超声波分散，并加入油酸、硬脂酸、烷基胺或十一烯碳酸表面改性剂进行改性；

原料按质量百分比计为：纳米碳黑：22%，纳米V2O5：40%，纳米Cr2O3：38%，以上各组分之和为100%；

（2）将改性后的原料纳米碳黑、纳米V2O5及纳米Cr2O3放入球磨罐内，加入硬质合金球及球磨介质，球磨介质为去离子水、无水乙醇或丙酮，球磨机转速采用为300 r/min，高能球磨混合8-h，将适量球磨后粉末放入干燥箱内，在90 ℃温度下干燥24 h；

（3）将干燥后的物料置于微波实验炉中进行微波加热，先抽真空，再通惰性气体氩气作为保护气体，加热功率为1100w，保温时间为60min，最终制得纳米氮化钒/氮化铬复合粉末。

氮化钒热稳定性和化学稳定性高，机械性能强，是一种良好的电催化剂，具有高选择性抗中毒性和高的导电性。氮化铬具有优异的耐磨性能，良好的高温稳定性能，能够在各类切削材料和工具材料中用作保护涂层。氮化铬体积电阻率为640 Ω·cm，并且其电子结构适合用作电磁器件，在超导材料领域也有一定的应用前景。利用氮化铬作为氮化合金能够大幅提高钢锭氮含量，并且能够获得表面质量更加优异的钢锭产品，有利于提高钢产品的成材率，目前市售的氮化钒（氮化铬）粉末通常为微米级，颗粒尺寸较大，比表面积较小。由于晶粒抑制剂一般添加量很少（约0.5wt.%），因而难以和细粒度硬质相及粘结相充分接触，造成WC晶粒的局部异常长大，从而影响其抑制效果，难以保证硬质合金的综合性能；并且单一的氮化钒（氮化铬）粉末无法满足其在现代工业中的迫切需求，现代工业迫切需求分散性良好的高品质纳米氮化钒/氮化铬复合粉末。

将氮化钒、氮化铬复合纳米化后，该氮化复合物具有更加优异的机械性能、热稳定性和耐腐蚀性等性能。然而，传统氮化钒和氮化铬的制备往往需要高温（＞1300 ℃）和较长的氮化时间（＞10 h），整个制备过程周期长且能耗高。并且，长时间的高温反应过程往往导致粉末颗粒的快速长大。因此，传统制备方法往往难以制备纳米级的氮化物粉末。

本发明为制备细粒度、高纯度和良好分散的纳米氮化物复合材料，从改善反应热力学和动力学入手，以纳米材料为原材料纳米氧化钒为钒源、纳米氧化铬为铬源，以纳米碳黑为碳源，以高纯氮气为反应气体，采用一步还原（氮化）法结合微波加热方式合成纳米氮化钒/铬复合粉末。由于本研究原料为纳米级粉末，其具有较高的比表面积，颗粒之间的接触面积较大，界面原子数较多，界面区域原子扩散系数较高，使得纳米材料具有较高的化学活性，可以加速碳热反应的进行，有利于充分反应；另外，五氧化二钒和各种形式的碳被证明是良好的吸波材料，适合使用微波加热技术促发反应，微波加热是依靠材料本身去吸收微波能从而转化为内部分子的动能、势能，因此受热均匀，材料内部的分子、离子动能因为微波电磁能的作用而增加，这样在烧结过程中，扩散系数就会增加，烧结活化能随之降低，故可在低温下进行快速烧结，使粉末在细小状态下来不及长大就已被烧结，这种方法不但可以降低烧结温度，并且能够大幅度地缩短烧结时间，实现高效节能，且可以使产物晶粒更加均匀、细小，本发明高能球磨后进行微波加热，综合微波加热的高能效、低温度和无污染等特点，因此，可以在一定程度上降低反应温度，缩短反应时间，节约能源，有利于生产纯度高、杂质含量少、粒度细（粉末粒度<100nm，）、粒度均匀、分散性好的高品质纳米氮化钒/铬复合粉末。

本发明在制备纳米氮化钒/铬复合粉末时为使纳米氧化钒、纳米氧化铬和纳米碳黑充分接触，采用超声波分散，并加入一定量的油酸、硬脂酸、烷基胺或十一烯碳酸表面改性剂进行改性，使纳米氧化钒、纳米氧化铬和纳米碳黑高效均匀混合并充分反应，有利于降低反应温度，缩短反应时间，提高氮化钒/铬复合粉末的转化率，有助于提高产物的纯度、分散性并降低其颗粒尺寸。

在本实施例中，纳米氮化钒与氮化铬复合微粉在使用前进行处理，包括残碳和残氧处理，具体为：空气中加热制得的纳米氮化钒/氮化铬复合粉末，然后再在氢气气氛中加热制得的纳米氮化钒/氮化铬复合粉末。

在本实施例中纳米氮化钒与氮化铬复合微粉工艺进行严格限制：

碳含量：不同碳含量的复合粉末在微波功率1100 w下焙烧1.5 h后生成产物，随着配碳量的增加，杂质相中的碳含量逐渐增加且氮含量逐渐减少。

在有氧化钒存在时，20%的碳含量不足以将Cr2O3全部还原。当碳含量增加到22%时， Cr2O3进一步转变成Cr2N0.39C0.61，22%的碳含量已经满足复合粉末中氧化物还原成碳化物的需要。当碳含量增加到24%时，Cr2N0.39C0.61的峰强度减弱。当碳含量进一步增加到26%时出现了晶体化的碳的衍射峰。碳含量过高，不但会造成最终合成产物中残余碳的增加，并且会阻碍氮化反应的进行。选取22%的配碳量较为合适。

20%碳含量粉末在不同加热时间下反应产物，不同的加热时间下，当原料中碳含量不足时，即使增加保温时间也不能使反应物中的氧化物全部被还原。因此，为了获得纯度较高的最终产物，需要选择合适的配碳量。

22%碳含量粉末在1100 W不同加热时间后反应产物，当加热时间为 0.5 h 时，颗粒直径范围较大，从10 nm-100 nm 之间，颗粒间存在一定程度的团聚，此时反应产物中残余一定量的Cr2O3，即粉末颗粒间还处于发生碳化还原的紧密接触阶段；当加热时间为增加到 1 h 后，颗粒形状大多呈椭圆状，颗粒平均尺寸约100 nm，颗粒间不再产生强吸附，粉末总体分散性较好。说明加热1 h后氧化物的还原碳化反应基本完成完成。随着加热时间的进一步延长1.5h，粉末颗粒开始烧结，出现烧结径，出现明显的颗粒团聚。当加热时间延长到2h时，粉末颗粒出现明显的长大现象，可颗粒平均粒径为300-500 nm。

22%碳含量粉末在1100 W不同加热时间2 h的反应产物，最佳工艺条件下粉末颗粒大多为多边形状形，个别小颗粒烧结在大颗粒表面，形成团聚体，单颗粒平均尺寸约为300nm。22%的碳含量能够保证氧化物还原碳化，并且在最终产物中没有剩余。

将微波法制备的纳米氮化钒/氮化铬复合粉末应用于制备磨料中，纳米氮化钒/氮化铬复合粉末通过引入超硬材料（CBN）等多材质磨料复合配伍，以及微米级、纳米级等多尺度复合磨料匹配，结合高性能陶瓷结合剂，研制了聚合磨料，制备出的磨料既具有磨削又具有很好的抛光效果，降低物耗能耗与时耗，提高功效降低成本，将磨料按现有工艺应用于高精密研磨产品砂轮，对砂轮样品性能经测试，具有两大明显优势：①磨削效率高。与目前市场上使用的传统砂带制品相比，磨削效率提高50%以上；②抛光效果好。使用本产品研磨加工后，不锈钢表面粗糙度可达到50nm以下，技术指标达到国际领先水平。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种具有磨削与抛光功能磨料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的具有磨削与抛光功能磨料的制备方法，其特征在于：所述原料按质量百分比计具体为：纳米氮化钒与氮化铬复合微粉：4-8%，陶瓷结合剂：30-40%，超硬材料：10-15%，阻燃剂：5-8%，碳化硅：40-50%，以上各组分之和为100%，其中：

所述的超硬材料为立方氮化硼或金刚石中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的具有磨削与抛光功能磨料的制备方法，其特征在于：所述金刚石或立方氮化硼得颗粒度为80-220目。

4.根据权利要求1所述的具有磨削与抛光功能磨料的制备方法，其特征在于：所述阻燃剂由磷氮硅三元阻燃剂和硼酸锌混合而成，具体制备如下：

5.根据权利要求1所述的具有磨削与抛光功能磨料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷结合剂按质量百分比计包括以下组分：

6.根据权利要求1所述的具有磨削与抛光功能磨料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所用压制设备为液压机或等静压机中的任意一种，步骤（2）中所述烧结设备为马弗炉、真空烧结炉、微波烧结炉、热等静压烧结炉、隧道窑、推板窑中的任意一种。

7.根据权利要去1所述的具有磨削与抛光功能磨料的制备方法，其特征在于：所述的纳米氮化钒与氮化铬复合微粉在使用前进行处理，包括残碳和残氧处理，具体为：空气中加热制得的纳米氮化钒/氮化铬复合粉末，然后再在氢气气氛中加热制得的纳米氮化钒/氮化铬复合粉末。