CN114806503A

CN114806503A - 一种催化磨粒团及其制备方法

Info

Publication number: CN114806503A
Application number: CN202210592929.2A
Authority: CN
Inventors: 王占奎; 丁洋洋; 逄明华; 苏建修; 马利杰; 李勇峰; 赵红远
Original assignee: Henan Institute of Science and Technology
Current assignee: Henan Institute of Science and Technology
Priority date: 2022-05-27
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2042-05-27
Also published as: CN114806503B

Abstract

本发明属于磨料材料领域，具体涉及一种催化磨粒团及其制备方法。本发明提供了一种催化磨粒团的制备方法，包括以下步骤：将磨料、磁性粉体、催化剂、粘接剂和胶黏剂混合后压制，得到坯料，所述催化剂包括金属氧化物；将所述坯料依次进行干燥和烧结，得到所述催化磨粒团。本发明的催化磨粒团自身具有催化性能，具有良好的加工性能，对硬脆材料摩擦化学抛光后有良好的效果，可获得较好的表面粗糙度；而且本发明的催化磨粒团使用后有较高的回收率，既节约了材料又保护了环境。

Description

一种催化磨粒团及其制备方法

技术领域

本发明属于磨料材料领域，具体涉及一种催化磨粒团及其制备方法。

背景技术

磨料在工业上的应用非常广泛，有工业牙齿之称，特别是在制造高精度、低粗糙度的零件或者硬度很高的零件时，磨料必不可少，随着机械制造业的快速发展和结构性调整，磨料行业对磨料的质量要求越来越高，迫使其不断的改进和升级。

硬脆材料自身硬度高、脆性大，硬脆材料在日常生活中运用十分广泛，然而，其广泛的应用是建立在优异的表面平整度与光洁度基础之上的，而硬脆材料具有超硬和杰出的抗摩擦性能，使得其表面处理成为一个难题，处理其表面常用化学机械抛光、研磨的方法，使用磨料对工件的表面进行研磨抛光，磨料本身不具有催化性，要添加氧化剂增加磨料对工件的材料去除率，因其表面硬度高，加工后表面粗糙度较难达到理想值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有问题，提供一种催化磨粒团及其制备方法。本发明制备的催化磨粒团自身具有催化性能，对硬脆材料进行摩擦化学抛光后，能获得较好的表面粗糙度。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种催化磨粒团的制备方法，包括以下步骤：

将磁性粉体、催化剂、磨料、粘接剂和胶黏剂混合后压制，得到坯料，所述催化剂包括金属氧化物；

将所述坯料依次进行干燥和烧结，得到所述催化磨粒团。

优选的，以所述磁性粉体、催化剂和磨料的总量为混合料，所述混合料包括以下质量分数的组分：磁性粉体32～40％，催化剂32～40％，磨料20～36％；所述粘接剂为混合料质量的3～5％，所述胶黏剂为混合料质量的3～5％。

优选的，所述磨料的粒径为100nm～13μm。

优选的，所述磁性粉体包括铁粉、钴粉、镍粉及其氧化物中的一种或多种。

优选的，所述金属氧化物包括氧化铁、氧化铬、二氧化钛和氧化铈中的一种或多种。

优选的，所述粘接剂包括二氧化硅、氧化铝、氧化钠、氧化钾、氧化钙、氧化硼、氧化锰、氧化镍和氧化钴中的一种或多种。

优选的，所述胶黏剂包括聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、酚醛树脂、聚氨酯和聚乙烯醇缩醛中的一种或多种。

优选的，所述干燥的温度为80～110℃，时间为5～8h。

优选的，所述烧结的温度为1100～1200℃，保温时间为5～8h。

本发明还提供了上述的制备方法得到的催化磨粒团。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明将磁性粉体、催化剂、磨料、粘接剂和胶黏剂混合后，压制、干燥、烧结制备得到催化磨粒团，本发明制备得到的催化磨粒团中的催化剂能够与磨粒-工件的切削摩擦区域直接接触，精准地作用于磨粒与工件的摩擦区域，提升催化效果，加速工件的氧化，且随着加工的进行，催化磨粒团中催化剂的消耗会在磨粒团表面形成凹坑，导致磨粒出露加大，从而使磨粒团具有一定的自锐性能，能够避免普通研抛后期磨粒的磨钝问题。本发明的催化磨粒团利用率高，对工件进行加工后，能获得较好的表面粗糙度，平均表面粗糙度Ra达到14nm以下。

进一步地，本发明的催化磨粒团使用时，直接用摩擦化学抛光，不需要配制成溶液，节约了水资源，绿色环保，而常规的化学机械抛光，需要在研抛液中加入催化剂，极易污染环境。同时，本发明的催化磨粒团在摩擦化学抛光后，产生的废屑可以通过磁场对磨粒团进行回收和二次利用，本发明的催化磨粒团有较高的回收率，回收率大于90％。

本发明的催化磨粒团自身具有催化性能，在一定程度上改善了磨料本身不具备催化性能的问题，对硬脆材料摩擦化学抛光后有良好的效果，可获得较好的表面粗糙度且使用后有较高的回收率。本发明的催化磨粒团可广泛应用于各类材料的研磨、抛光、磨削等加工技术领域。

进一步地，本发明的制备方法简单、成本低、适用于工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1得到的催化磨粒团和白刚玉磨料，在压力分别为2psi和4psi时的材料去除率示意图；

图2为实施例2得到的催化磨粒团和白刚玉磨料，在压力分别为2psi和4psi时的材料去除率示意图；

图3为在压力为2psi时，实施例1得到的催化磨粒团摩擦化学抛光碳化硅表面粗糙度示意图，其中a为平面图，b为三维图；

图4为在压力为4psi时，实施例1得到的催化磨粒团摩擦化学抛光碳化硅表面粗糙度示意图，其中a为平面图，b为三维图；

图5为在压力为2psi时，实施例2得到的催化磨粒团摩擦化学抛光碳化硅表面粗糙度示意图，其中a为平面图，b为三维图；

图6为在压力为4psi时，实施例2得到的催化磨粒团摩擦化学抛光碳化硅表面粗糙度示意图，其中a为平面图，b为三维图；

图7为在压力为2psi时，白刚玉磨料摩擦化学抛光碳化硅表面粗糙度示意图，其中a为平面图，b为三维图；

图8为在压力为4psi时，白刚玉磨料摩擦化学抛光碳化硅表面粗糙度示意图，其中a为平面图，b为三维图；

图9为单颗粒催化磨粒团摩擦化学抛光时工件结构图。

具体实施方式

本发明提供了一种催化磨粒团的制备方法，包括以下步骤：

将所述坯料依次进行干燥和烧结，得到所述催化磨粒团。

在本发明中，若无特殊说明，使用的原料均为本领域市售商品。

本发明将磁性粉体、催化剂、磨料、粘接剂、胶黏剂混合后压制，得到坯料。

本发明优选先将所述磨料、磁性粉体和催化剂混合，得到混合料，再与所述粘接剂和胶黏剂混合。本发明对所述混合的方式没有特殊的限定，在本发明的具体实施例中，采用搅拌的方式混合。

在本发明中，所述混合料优选包括以下质量分数的组分：磁性粉体32～40％，催化剂32～40％，磨料20～36％；更优选包括以下质量分数的组分：铁粉33～36％，催化剂33～36％，磨料28～34％。

在本发明中，所述磁性粉体和催化剂的质量比优选为0.8～1.2:0.8～1.2，更优选为1:1。

在本发明中，所述磁性粉体的粒径优选为1～25μm，更优选为7～13μm。

在本发明中，所述磁性粉体优选包括铁粉、钴粉、镍粉及其氧化物中的一种或多种。

在本发明中，所述金属氧化物优选包括氧化铁、氧化铬、二氧化钛和氧化铈中的一种或多种。

在本发明中，所述金属氧化物的粒径优选为1～25μm，更优选为7～13μm。

在本发明中，所述磨料优选包括金刚石、白刚玉、碳化硅和棕刚玉中的一种或多种，更优选为白刚玉。

在本发明中，所述磨料的粒径优选为100nm～13μm，更优选为3.5～7μm。

在本发明中，所述粘接剂优选包括二氧化硅、氧化铝、氧化钠、氧化钾、氧化钙、氧化硼、氧化锰、氧化镍和氧化钴中的一种或多种。

在本发明中，所述粘接剂的质量优选为所述混合料质量的3～5％，更优选为4％。

在本发明中，所述胶黏剂优选包括聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、酚醛树脂、聚氨酯和聚乙烯醇缩醛中的一种或多种，更优选为聚乙烯醇。

在本发明中，所述胶黏剂的质量优选为所述混合料质量的3～5％，更优选为4％。

在本发明中，所述压制的压力优选为25～175MPa，更优选为75～100MPa。本发明对所述压制的设备没有特殊的限定，如采用液压机。

得到坯料后，本发明将所述坯料依次进行干燥和烧结，得到所述催化磨粒团。

本发明对所述干燥的方式没有特殊的限定，在本发明的具体实施例中，采用烘干箱进行烘干。

在本发明中，所述干燥的温度优选为80～110℃，更优选为110℃；时间优选为5～8h，更优选为8h。

本发明优选将所述干燥得到的干坯进行烧结，得到所述催化磨粒团。在本发明中，所述烧结的温度优选为1100～1200℃，更优选为1200℃；保温时间优选为5～8h，更优选为8h。本发明对所述烧结的设备没有特殊的限定，在本发明的具体实施例中，采用马弗炉进行所述烧结。

在本发明所述烧结过程中，磁性粉体、磨料和催化剂在粘接剂和胶黏剂作用下结合，制备得到烧结磨料。

所述烧结完成后，本发明优选还包括将所得烧结磨料进行冷却，本发明对所述冷却的方式没有特殊的限定，如随炉冷却。

本发明优选还包括将所得冷却后的烧结磨料进行破碎和筛分，得到所述催化磨粒团。本发明对所述破碎和筛分的方式没有特殊的限定，使得到的催化磨粒团的粒径优选为1～25μm即可。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的催化磨粒团。

在本发明中，所述催化磨粒团的粒径优选为1～25μm。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的催化磨粒团或者上述技术方案所述催化磨粒团在摩擦化学抛光中的应用。

在本发明中，所述催化磨粒团适用于对硬脆材料进行摩擦化学抛光。本发明的催化磨粒团自身具有催化性能，利用率高，对工件进行加工后，能获得较好的表面粗糙度，平均表面粗糙度Ra达到14nm以下，从而为随后的器件应用打下良好的基础。同时，本发明的催化磨粒团在摩擦化学抛光后，产生的废屑可以通过磁场对磨粒团进行回收和二次利用，本发明的催化磨粒团有较高的回收率，回收率大于90％。

为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的催化磨粒团及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

本实施例中铁粉的粒径为7～13μm，白刚玉磨料的粒径为3.5～7μm；本实施例中的粘接剂为二氧化硅、氧化钾、氧化钙、氧化硼、氧化钴按质量比1:1:1:1:1得到的混合物；本实施例中的胶黏剂为聚乙烯醇。

将铁粉、氧化铁、白刚玉磨料以质量比为3:3:2的比例进行混合(即铁粉30g，氧化铁30g，白刚玉20g)，得到混合料；然后加入粘接剂，加入量为上述混合料质量的4％，再加入胶黏剂，加入量为上述混合料质量的4％，搅拌使其充分混合。

混合均匀后，以75MPa的压力压制成坯料，放入烘干箱进行烘干处理，烘干温度为110℃，烘干时间为8h；再将其放入马弗炉进行烧结，烧结温度1200℃，保温时间为8h；然后将其进行粉碎、筛分，得到粒径范围为1～25μm的催化磨粒团。

实施例2

本实施例与上述实施例1的区别仅在于铁粉、氧化铁、白刚玉磨料的比例不同，本实施例中铁粉、氧化铁、白刚玉磨料以质量比为1:1:1的比例进行混合(即铁粉30g，氧化铁30g、白刚玉30g)。

应用例1

将实施例1得到的催化磨粒团对碳化硅材料进行摩擦化学抛光试验，催化磨粒团的质量为8g，转速为50r/min，研磨时间为60min，分别设置压力为2psi和4psi。

单颗粒催化磨粒团摩擦化学抛光时工件结构如图9所示。本发明制得的催化磨粒团中的催化剂能够与磨粒-工件的切削摩擦区域直接接触，精准地作用于磨粒与工件的摩擦区域，提升催化效果，加速工件的氧化，且随着加工的进行，催化磨粒团中催化剂的消耗会在磨粒团表面形成凹坑，导致磨粒出露加大，从而使磨粒团具有一定的自锐性能，能够避免普通研抛后期磨粒的磨钝问题。因此，本发明的催化磨粒团利用率高，对工件进行加工后，能获得较好的表面粗糙度。

当压力为2psi时，碳化硅的材料去除率为445.634nm/h，平均表面粗糙度Ra为12.578nm，且没有明显划痕，如图1和图3所示。使用后的催化磨粒团，测得其回收率为92％。

当压力为4psi时，碳化硅的材料去除率为954.930nm/h，平均表面粗糙度Ra为11.049nm，且没有明显划痕，如图1和图4所示。使用后的催化磨粒团，测得其回收率为90％。

应用例2

将实施例2得到的催化磨粒团对碳化硅材料进行摩擦化学抛光试验，试验条件同应用例1。

当压力为2psi时，碳化硅的材料去除率为572.958nm/h，平均表面粗糙度Ra为11.658nm，且没有明显划痕，如图2和图5所示。使用后的催化磨粒团，测得其回收率为92.5％。

当压力为4psi时，碳化硅的材料去除率为1018.592nm/h，平均表面粗糙度Ra为13.56nm，且没有明显划痕，如图2和图6所示。使用后的催化磨粒团，测得其回收率为90.12％。

应用对比例1

将白刚玉磨料进行摩擦化学抛光对比试验，试验条件同应用例1，测试结果如图1和图2所示。

当压力为2psi时，使用白刚玉磨料进行研磨时，碳化硅的材料去除率为127.324nm/h，平均表面粗糙度Ra为12.25nm，如图7所示。

当压力为4psi时，使用白刚玉磨料进行研磨时，碳化硅的材料去除率为238.762nm/h，平均表面粗糙度Ra为12.6nm，如图8所示。

可以看出，本发明制备的催化磨粒团对硬脆材料进行摩擦化学抛光后，能获得较好的表面粗糙度，平均表面粗糙度Ra达到14nm以下；且使用后有较高的回收率，回收率均达到90％以上。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims

1.一种催化磨粒团的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述坯料依次进行干燥和烧结，得到所述催化磨粒团。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以所述磁性粉体、催化剂和磨料的总量为混合料，所述混合料包括以下质量分数的组分：磁性粉体32～40％，催化剂32～40％，磨料20～36％；所述粘接剂为混合料质量的3～5％，所述胶黏剂为混合料质量的3～5％。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述磨料的粒径为100nm～13μm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磁性粉体包括铁粉、钴粉、镍粉及其氧化物中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物包括氧化铁、氧化铬、二氧化钛和氧化铈中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘接剂包括二氧化硅、氧化铝、氧化钠、氧化钾、氧化钙、氧化硼、氧化锰、氧化镍和氧化钴中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶黏剂包括聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、酚醛树脂、聚氨酯和聚乙烯醇缩醛中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为80～110℃，时间为5～8h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为1100～1200℃，保温时间为5～8h。

10.权利要求1～9任一项所述的制备方法得到的催化磨粒团。