CN114851096A - 一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮及其制备方法，通过在金刚石或CBN磨料表面粘接包裹一层合金钎料后烘干得到超硬磨料体，玻璃纤维和合金钎料均匀混合得到玻璃纤维金属复合体，然后超硬磨料体、玻璃纤维金属复合体和增强体混合制备成砂轮毛坯，最后将砂轮毛坯置在真空环境、温度800℃‑950℃下保温10‑20min进行真空烧结，玻璃纤维金属复合结合剂由于合金钎料能与超硬磨料形成化学结合从而对超硬磨料具有较高的把持强度，磨削过程中超硬磨料不容易脱落，砂轮的加工性能和工件的表面精度得到提升。同时，由于玻璃纤维耐磨性差，在磨削过程中能被快速去除从而使砂轮能够持续出刃，提升砂轮的加工性能。

Description

一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮及其制备方法
技术领域
本发明涉及磨料砂轮材料，具体涉及一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮及其制备方法。
背景技术
钎焊金刚石工具由于活性钎料与金刚石能产生化学反应而具备强的结合力，金刚石出露高度能达到自身高度的50％～70％，因而具有对磨料把持强度高、磨料出露程度高等特点。但是，目前市场上的钎焊金刚石工具大多只有一层磨料，大大限制了工具使用寿命的提高。因此，相关单位开发了多层钎焊金刚石工具，但是，多层钎焊金刚石工具在加工过程中自锐性较差，难以满足加工要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮及其制备方法，以克服现有技术的不足，本发明能有效提高砂轮的自锐性同时保证结合剂对磨料足够的把持强度，以提升金属结合剂超硬磨料砂轮的加工效率与使用寿命。
一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，包括以下步骤：
S1，在金刚石或CBN磨料表面粘接包裹一层合金钎料后烘干得到超硬磨料体；
S2，将玻璃纤维在分散剂溶液中分散均匀，然后加入合金钎料，在真空、高温环境下进行热处理后冷却得到玻璃纤维金属复合体；
S3，将超硬磨料体、玻璃纤维金属复合体和增强体混合均匀，制成砂轮毛坯，将砂轮毛坯置在真空环境、温度800℃-950℃下保温10-20min进行真空烧结，即可得到玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮。
优选的，按重量份数包括超硬磨料体10–30份、玻璃纤维金属复合体40-60份、增强体20-40份。
优选的，使用润湿剂和粘结剂在金刚石或CBN磨料表面包裹一层合金钎料，加热至200℃烘干，制作成超硬磨料体。
优选的，分散剂溶液浓度为10–100mg/L。
优选的，加入合金钎料制备玻璃纤维金属复合体的温度为400℃-550℃。
优选的，润湿剂为液体石蜡或甘油，分散剂溶液中的分散剂为脂肪酸、聚乙烯或聚氧化乙烯。
优选的，增强体为Al2O3粉、SiO2粉、Cu粉、Fe粉、Ni粉、Co粉中的一种或者几种。
优选的，玻璃纤维的直径为10–50μm，长径比为5:1–30:1，合金钎料和增强体的纯度均高于99.9％，钎料和增强体粉末的粒度均为-100目，磨料粒度尺寸小于850μm。
优选的，玻璃纤维金属复合体采用塑料孔模制备，玻璃纤维金属复合体直径大小与塑料孔模的孔径大小一致，塑料孔模的孔径优化方法为物理数学建模方法，以砂轮的使用寿命最高作为孔径优化的目标函数：
L＝L(n,Vf,D,s,C,G,P)
并以σb≥[σb]，q≤[q]作为主要约束条件，其中，n为砂轮转速，Vf为进给速度，D为砂轮直径，s为需要优化的孔径大小，C为金刚石或CBN磨料浓度，G为与砂轮结构形状相关的参数，P为与被加工工件材料物理性能相关的参数，σb表示了由复合结合剂对磨粒把持强度所确定的约束条件，q表示了由接触弧区平均热流密度所确定的约束条件，求解上述数学模型，获得塑料孔模的孔径s的最佳数值。
一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮，按重量份数包括超硬磨料体10–30份、玻璃纤维金属复合体40-60份、增强体20-40份。玻璃纤维金属复合体按重量份数包括玻璃纤维2-30份和合金钎料70-98份；所述合金钎料采用Ni–Cr合金钎料、Cu–Sn–Ti合金钎料或Ag–Cu–Ti合金钎料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，通过在金刚石或CBN磨料表面粘接包裹一层合金钎料后烘干得到超硬磨料体，玻璃纤维和合金钎料均匀混合得到玻璃纤维金属复合体，然后超硬磨料体、玻璃纤维金属复合体和增强体混合制备成砂轮毛坯，最后将砂轮毛坯置在真空环境、温度800℃-950℃下保温10-20min进行真空烧结，玻璃纤维金属复合结合剂由于合金钎料能与超硬磨料形成化学结合从而对超硬磨料具有较高的把持强度，磨削过程中超硬磨料不容易脱落，砂轮的加工性能和工件的表面精度得到提升。同时，由于玻璃纤维耐磨性差，在磨削过程中能被快速去除从而使砂轮能够持续出刃，提升砂轮的加工性能。
进一步的，玻璃纤维具有耐热性强和机械强度高的特点，玻璃纤维能与合金钎料形成化学结合，适量组分的玻璃纤维能使砂轮能够持续出刃的同时保证了砂轮自身足够的机械强度。
本发明玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮，自锐性好，同时保证结合剂对磨料足够的把持强度，能够提升金属结合剂超硬磨料砂轮的加工效率与使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中超硬磨料体示意图。
图2为本发明实施例中玻璃纤维金属复合体成形装置结构示意图。
图3为本发明实施例中塑料孔模。
图4为本发明实施例中玻璃纤维金属复合体。
图5为本发明实施例中玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮节块示意图。
图中，钎料-1、金刚石-2、开口筒体-3、挡板-4、塑料孔模-5、容器底座-6、玻璃纤维-7。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮，制备其原料按重量份数包括：超硬磨料体10–30份、玻璃纤维金属复合体40-60份、增强体20-40份；
上述超硬磨料体为表面包裹了一层合金钎料的金刚石或CBN磨料，上述增强体为Al2O3粉、SiO2粉、Cu粉、Fe粉、Ni粉、Co粉中的一种或者几种，上述玻璃纤维金属复合体按重量份数取包括：玻璃纤维2-30份和合金钎料70-98份；述合金钎料为Ni–Cr合金钎料、Cu–Sn–Ti合金钎料或Ag–Cu–Ti合金钎料。
玻璃纤维的直径为10–50μm，长径比为5:1–30:1，合金钎料和增强体的纯度均高于99.9％，钎料和增强体粉末的粒度均为-100目，磨料粒度尺寸小于850μm。
玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，包括以下步骤：
S1，使用润湿剂和粘结剂使金刚石或CBN磨料表面包裹一层合金钎料，加热至200℃烘干，制作成超硬磨料体；
S2，在玻璃纤维金属复合体成形装置中加入分散剂和去离子水或无水乙醇并搅拌均匀，制成浓度为10–100mg/L的分散剂溶液，接着将玻璃纤维加入到分散剂溶液中并通过超声分散使玻璃纤维分散均匀；
S3，移去玻璃纤维金属复合体成形装置中的挡板，上述含有玻璃纤维的分散剂溶液落入到塑料孔模中，通过移去成形装置中的容器底座取出塑料孔模，再将合金钎料加入到塑料孔模中的每一个孔中并搅拌均匀；
S4，将塑料孔模置于真空炉中进行热处理，加热温度为400℃-550℃，冷却后获得玻璃纤维金属复合体；
S5，将超硬磨料体、玻璃纤维金属复合体和增强体混合均匀，制成砂轮毛坯，将砂轮毛坯置于真空炉中在加热温度800℃-950℃、保温时间10-20min的工艺条件下进行真空烧结，最终制作成玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮。
上述步骤1和2中润湿剂为液体石蜡或甘油，分散剂为脂肪酸、聚乙烯或聚氧化乙烯。
上述步骤2中玻璃纤维金属复合体成形装置结构包括开口筒体、塑料孔模、挡板和容器底座，所述塑料孔模材质为环氧树脂、聚氨酯、聚乙烯醇树脂中的一种。
如图5所示，上述步骤3和4中玻璃纤维金属复合体直径大小与塑料孔模的孔径大小一致，塑料孔模的孔径优化方法为物理数学建模方法，以砂轮的使用寿命最高作为孔径优化的目标函数：
L＝L(n,Vf,D,s,C,G,P)
并以σb≥[σb]，q≤[q]作为主要约束条件，其中，n为砂轮转速，Vf为进给速度，D为砂轮直径，s为需要优化的孔径大小，C为金刚石或CBN磨料浓度，G为与砂轮结构形状相关的参数，P为与被加工工件材料物理性能相关的参数，σb表示了由复合结合剂对磨粒把持强度所确定的约束条件(σb≥[σb]说明了复合结合剂对磨粒的把持强度不能小于最小把持强度，否则磨粒会脱落)，q表示了由接触弧区平均热流密度所确定的约束条件(q≤[q]条件与前面类似)，求解上述数学模型，获得塑料孔模的孔径s的最佳数值。
作为本发明的改进，玻璃纤维金属复合体中加入造孔剂，比如尿素、高密度聚乙烯粉末、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
实施例1
同时参照图1-图4，玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮的原料组分及其重量份数为：超硬磨料体20份、玻璃纤维金属复合体55份、增强体25份，其中超硬磨料体为表面包裹了一层Cu–Sn–Ti合金钎料的金刚石磨料，增强体为Cu粉，玻璃纤维金属复合体的组分及其重量份数为：玻璃纤维25份、合金钎料75份；玻璃纤维的直径为20μm，长径比为20:1，合金钎料和增强体的纯度均高于99.9％，钎料和增强体粉末的粒度均为-200目，磨料粒度为150μm。
玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制作方法包括以下步骤：
步骤1、使用润湿剂和粘结剂使金刚石2的表面包裹一层钎料1，加热至200℃烘干，制作成超硬磨料体；
步骤2、在玻璃纤维金属复合体成形装置中加入分散剂和去离子水并搅拌均匀，制成浓度为50mg/L的分散剂溶液，接着将玻璃纤维加入到分散剂溶液中并通过超声分散使玻璃纤维分散均匀；
步骤3、移去玻璃纤维金属复合体成形装置中的挡板4，将上述含有玻璃纤维的分散剂溶液落入到塑料孔模5中，采用所述塑料孔模5的孔径优化方法对塑料孔模孔径进行优化确定最佳孔径大小为0.6mm，通过移去成形装置中的容器底座取出塑料孔模，再将合金钎料加入到塑料孔模中的每一个孔中并搅拌均匀；
步骤4、将塑料孔模置于真空炉中进行热处理，加热温度为450℃，冷却后获得玻璃纤维金属复合体；
步骤5、将超硬磨料体、玻璃纤维金属复合体和增强体混合均匀，制成砂轮毛坯，将砂轮毛坯置于真空炉中在加热温度850℃、保温时间10-20min的工艺条件下进行真空烧结，最终制作成玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮；
上述步骤1和2中润湿剂为甘油，分散剂为脂肪酸。
上述步骤2中玻璃纤维金属复合体成形装置结构包括开口筒体、塑料孔模、挡板和容器底座，塑料孔模材质为环氧树脂。
如按照上述实施例1的方法，采用不同组分制备得到的砂轮特性如表1所示：
Figure BDA0003673280740000071
实施例1中制备分散剂溶液采用溶剂为去离子水；浓度为50mg/L，热处理温度为450℃，真空炉中在加热温度850℃；
实施例2中制备分散剂溶液采用溶剂为去离子水；浓度为10mg/L；热处理温度为450℃，真空炉中在加热温度850℃；
实施例3中制备分散剂溶液采用溶剂为去离子水；浓度为30mg/L；热处理温度为400℃，真空炉中在加热温度850℃；
实施例4中制备分散剂溶液采用溶剂为去离子水；浓度为80mg/L；热处理温度为400℃，真空炉中在加热温度850℃；
实施例5中制备分散剂溶液采用溶剂为去离子水；浓度为50mg/L；热处理温度为550℃，真空炉中在加热温度850℃。
按本发明中的方法制备得到的砂轮强度较现有砂轮抗弯强度高，本发明制备实施例2和实施例3获得的砂轮性能最好。
根据本发明的制备方法和要求制成的玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮，结合剂对磨料的把持强度高，磨削过程中磨料不易脱落，并且砂轮自锐性好，在磨削过程中不需要修整。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在金刚石或CBN磨料表面粘接包裹一层合金钎料后烘干得到超硬磨料体；
S2，将玻璃纤维在分散剂溶液中分散均匀，然后加入合金钎料，在真空、高温环境下进行热处理后冷却得到玻璃纤维金属复合体；
S3，将超硬磨料体、玻璃纤维金属复合体和增强体混合均匀，制成砂轮毛坯，将砂轮毛坯置在真空环境、温度800℃-950℃下保温10-20min进行真空烧结，即可得到玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，其特征在于，按重量份数包括超硬磨料体10–30份、玻璃纤维金属复合体40-60份、增强体20-40份。
3.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，其特征在于，使用润湿剂和粘结剂在金刚石或CBN磨料表面包裹一层合金钎料，加热至200℃烘干，制作成超硬磨料体。
4.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，其特征在于，玻璃纤维金属复合体按重量份数包括玻璃纤维2-30份和合金钎料70-98份；所述合金钎料采用Ni–Cr合金钎料、Cu–Sn–Ti合金钎料或Ag–Cu–Ti合金钎料。
5.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，其特征在于，分散剂溶液浓度为10–100mg/L，加入合金钎料制备玻璃纤维金属复合体的温度为400℃-550℃。
6.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，其特征在于，润湿剂为液体石蜡或甘油，分散剂溶液中的分散剂为脂肪酸、聚乙烯或聚氧化乙烯。
7.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，其特征在于，增强体为Al2O3粉、SiO2粉、Cu粉、Fe粉、Ni粉、Co粉中的一种或者几种。
8.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，其特征在于，玻璃纤维的直径为10–50μm，长径比为5:1–30:1，合金钎料和增强体的纯度均高于99.9％，钎料和增强体粉末的粒度均为-100目，磨料粒度尺寸小于850μm。
9.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮制备方法，其特征在于，玻璃纤维金属复合体采用塑料孔模制备，玻璃纤维金属复合体直径大小与塑料孔模的孔径大小一致，塑料孔模的孔径优化方法为物理数学建模方法，以砂轮的使用寿命最高作为孔径优化的目标函数：
L＝L(n,Vf,D,s,C,G,P)
并以σb≥[σb]，q≤[q]作为主要约束条件，其中，n为砂轮转速，Vf为进给速度，D为砂轮直径，s为需要优化的孔径大小，C为金刚石或CBN磨料浓度，G为与砂轮结构形状相关的参数，P为与被加工工件材料物理性能相关的参数，σb表示了由复合结合剂对磨粒把持强度所确定的约束条件，q表示了由接触弧区平均热流密度所确定的约束条件，求解上述数学模型，获得塑料孔模的孔径s的最佳数值。
10.一种采用权利要求1所述方法制备的玻璃纤维金属复合结合剂超硬磨料砂轮，其特征在于，按重量份数包括超硬磨料体10–30份、玻璃纤维金属复合体40-60份、增强体20-40份。
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