CN115351719B - 多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂及其制备方法，金刚石陶瓷砂轮及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂及其制备方法，金刚石陶瓷砂轮及其制备方法。所述结合剂是由下述重量百分比的氧化物组成：SiO240‑45％，Al2O38‑14％，Li2O2.5‑4.7％，Na2O0.8‑1.4％，B2O316‑30％，MgO1.2‑1.5％，ZnO3‑8％，CaO1.2‑1.5％，ZrO22.3‑3.6％，CaF20.8‑1.5％。本发明结合剂配方相较常规结合剂配方引入了ZrO2、CaF2双形核剂，及在常规烧结方案中加入了后晶化热处理过程方案，通过成分配比调整与晶化热处理方案的合理搭配可有效实现双晶种可控析晶，并在磨具烧结体内实现复合弥散强化，以提升磨具强度与耐磨性，适于用作金刚石陶瓷砂轮的结合剂，使砂轮的强度与耐磨性得到提升，延长砂轮的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于磨料磨具领域，涉及微晶玻璃结合剂及金刚石陶瓷磨具，具体涉及一种多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂及其制备方法，金刚石陶瓷砂轮及其制备方法。
背景技术
金刚石磨具具有加工精度高、磨削发热量低、使用寿命长、可加工对象广泛等突出优点，从结合剂种类划分，可分为金属结合剂、树脂结合剂和陶瓷结合剂三大类，其中陶瓷结合剂金刚石磨削工具因加工精度高、加工效率高、形貌保持性好、自锐性强、高温稳定性好等特点得到了广泛应用。
陶瓷结合剂磨具由结合剂、气孔、磨粒三要素构成，结合剂的性能左右了磨具的使用性能，结合剂不仅要实现对金刚石磨料较好的润湿性和固结能力，还要有极强的自锐性能，从而保证磨具的整体加工寿命与效率。目前国内超硬行业中应用较为成熟的陶瓷结合剂有长石、粘土、硼玻璃、石英等的矿物原料混合配方体系，以化学原料直接配比的R2O-B2O3-Al2O3-SiO2、SiO2-ZnO-B2O3、SiO2-Al2O3-TiO2-BaO-B2O3等熔炼法玻璃结合剂体系(R为碱金属或碱土金属元素)，以上方案尽管成本较低，但存在着烧结收缩量大、膨胀不可控、稳定性差等问题，常规结合剂的金刚石磨具制品存在强度、耐磨性上的不足，无法满足高速(线速度120m/s-150m/s)设备上的长时间稳定精密磨削加工。
因此，如何提供一种具有高强度、耐磨性可靠的多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂是本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明针对常规陶瓷结合剂金刚石磨具制品存在强度、耐磨性的不足，无法满足高速(线速度120m/s-150m/s)设备上的长时间稳定精密磨削加工等问题，而提供一种具有高强度、耐磨性可靠的多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂，所述结合剂是由下述重量百分比的氧化物组成：SiO240-45％，Al2O38-14％，Li2O 2.5-4.7％，Na2O 0.8-1.4％，B2O316-30％，MgO 1.2-1.5％，ZnO 3-8％，CaO 1.2-1.5％，ZrO22.3-3.6％，CaF20.8-1.5％。
本发明第二技术目的是提供上述多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法，具体包括如下步骤：
1)按比例称取各氧化物成分对应原料，混合均匀并研磨过100#筛网；
2)将过筛后的混合料置于烘箱中以120-150℃烘烤1-2h，转炉熔炼，以5-7℃/min的升温速度升温至1320-1400℃高温熔炼，熔炼保温1-2h；
需要说明的是，将过筛后的混合料置于烘箱中以120-150℃烘烤1-2h，用以消除硼、碱、钙等原材料低温反应的影响。
3)待高温熔炼结束，将熔融后的混合料快速倒入常温水中进行水淬，随后经湿磨-烘干-干磨-过筛，即得到所述多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂。
可选地，步骤4)中的水淬后处理工艺为：以1:1球料重量比混合刚玉球湿磨3-5h，收集烘干后以2:1球料重量比混合氧化锆球干磨2-4h，待完成干磨后过400#筛网，即可获得所述多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂。
本发明的第三技术目的是提供一种使用上述多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂的金刚石陶瓷砂轮，所述金刚石陶瓷砂轮是由下述重量百分比的原料制成：多晶型微晶玻璃结合剂8-15％，金刚石磨料60-85％，白刚玉填料0-30％，糊精成型剂2-6％。
以及，本发明的第四技术目的是提供上述金刚石陶瓷砂轮的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按比例称取各原料，并用聚乙二醇水溶液润湿金刚石后，混合其余原料过80#筛网，备用；
(2)将过筛后的混合料装模并压制成型，随后置于60-90℃烘箱中干燥8-12h，得坯料；
(3)将经步骤(2)的坯料转入烧结炉中在空气气氛下烧结，即得所述金刚石陶瓷砂轮。
可选地，步骤(3)中的烧结工艺为：
升温阶段：从室温以5-10℃/min的升温速率升至400℃，保温4h；随后以2-3℃/min的升温速率升至烧成温度，保温1-2h；
降温阶段：以3℃/min降至晶化温度，保温1-2h；随后随炉冷却至室温出炉；
其中，烧成温度为720-830℃，晶化温度为620-680℃。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的一种多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂及其制备方法，金刚石陶瓷砂轮及其制备方法。具有如下优异效果：
本发明公开的结合剂配方相较常规结合剂配方引入了ZrO2、CaF2双形核剂，以不同晶格参数、原子配位及溶解层次的两种形核剂配合适宜的晶化热处理过程实现双晶种可控析晶，析出微晶在磨具烧结体内实现复合弥散强化以提升磨具强度与耐磨性。
本发明适于用作金刚石陶瓷砂轮的结合剂，使砂轮的强度与耐磨性得到提升，延长砂轮的使用寿命。
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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为所述多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂的制备工艺流程图。
图2为实施例1所得微晶玻璃陶瓷结合剂经过烧结后的SEM图。
图3为实施例2所得微晶玻璃陶瓷结合剂经过烧结后的SEM图。
图4为常规结合剂、单一微晶结合剂与多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂经过烧结后的SEM图。
图5为常规结合剂、单一微晶结合剂与多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂经过烧结后的XRD。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例及说明书附图，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，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂及其制备方法与使用该微晶玻璃陶瓷结合剂的金刚石陶瓷砂轮的制备方法。
具体地，如图1所示，一种多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法，如下：
1.配料：按氧化物重量比例计算原料，原料可以为工业纯、化学纯、分析纯单一氧化物或可分解为相应氧化物的化合物，也可以为相应对应成分的矿物原料等；
2.混合：按1:1球料重量比添加刚玉球混合球磨破碎，混合破碎的原料过100#筛网，装入熔炼容器经烘箱120-150℃烘烤1-2h后转炉熔炼；
3.熔炼：以不高于7℃/min的升温速度至熔炼温度，熔炼温度视原料设置为1320-1400℃，保温1-2h；
4.水淬：待高温熔炼结束，将熔融后的混合料快速倒入常温水中进行水淬；
5.球磨：水淬后的熔块按1:1球料重量比加入刚玉球球磨，视料量设定湿磨球磨时间为3-5h；
6.干燥：烘箱干燥8-15h后，按球料重量比2:1加入氧化锆球干磨2-4h，视料量设定球磨时间；
7.过筛：完成球磨后去球过800#筛，即得。
为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
下面，将结合具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
结合剂重量配比如下表：
| SiO2 | Al2O3 | B2O3 | Li2O | ZrO2 | Na2O | CaF2 | ZnO | CaO | MgO |
| 44.5 | 8 | 30 | 4.7 | 4.5 | 0.8 | 1.5 | 3 | 1.5 | 1.5 |
1)按表中比例计算称取各氧化物成分对应原料，混合均匀并研磨过100#筛网；
2)将过筛后的混合料装入熔炼容器内，置于烘箱中以120-150℃烘烤1-2h，完成烘烤与初检后转炉熔炼，以7℃/min的升温速度升温至1350℃熔炼，保温1h；
3)待高温熔炼保温结束后，将熔融后的玻璃熔块快速倒入室温水中进行水淬，水淬后经湿磨-烘干-干磨-过筛即可得到结合剂原料。水淬后处理过程为以1:1球料重量比混合刚玉球湿磨3h，收集烘干后以2:1球料重量比混合氧化锆球干磨4h，完成干磨后过400#筛网，即可获得0.9～10μm结合剂原料。
本实施例的金刚石陶瓷砂轮的制作如下：
微晶玻璃结合剂12wt％，金刚石磨料76wt％，白刚玉填料8wt％，糊精成型剂4％。
其制备方法具体包括如下步骤：
1)按比例取各原料，用聚乙二醇水溶液润湿金刚石后混合其余原料过80#筛网；
2)装模压制成型，完成压制后压坯在室温放置5h后，进烘箱中60℃干燥8h；
3)转入烧结炉中在空气气氛下进行烧成，其中，烧成工艺为：
室温下以10℃/min升温至400℃，400℃保温4h；3℃/min升温至760℃，保温1h；以不高于3℃/min降至630℃，保温1h；随炉冷却至室温出炉。
采用本发明方法所制备的陶瓷金刚石砂轮抗折强度为80-90MPa，在该比例的Li/Al/Zn配比及成核剂CaF2、ZrO2的辅助作用下，在630℃的核化保温过程可实现结合剂中形成细微颗粒型锌尖晶石析晶与纤维针状锂铝硅酸盐晶析晶，通过结合剂微晶析出实现磨具强度与耐磨性的提升。
实施例2
结合剂重量配比如下表：
| SiO2 | Al2O3 | B2O3 | Li2O | ZrO2 | Na2O | CaF2 | ZnO | CaO | MgO |
| 45 | 14 | 22.9 | 3.2 | 2.3 | 1.4 | 0.8 | 8 | 1.2 | 1.2 |
1)按表中比例计算称取各氧化物成分对应原料，混合均匀并研磨过100#筛网；
2)将过筛后的混合料装入熔炼容器内，置于烘箱中以120-150℃烘烤1-2h，完成烘烤与初检后转炉熔炼，以5℃/min的升温速度升温至1400℃熔炼，保温2h；
3)待高温熔炼保温结束后，将熔融后的玻璃熔块快速倒入室温水中进行水淬，水淬后经湿磨-烘干-干磨-过筛即可得到结合剂原料。
水淬后处理过程为以1:1球料重量比混合刚玉球湿磨5h，收集烘干后以2:1球料重量比混合氧化锆球干磨4h，完成干磨后过400#筛网，即可获得0.9～10μm结合剂原料。
本实施例的金刚石陶瓷砂轮的制作如下：
微晶玻璃结合剂18wt％，金刚石磨料65wt％，白刚玉填料15wt％，糊精成型剂5％。
其制备方法具体包括如下步骤：
1)按比例取各原料，用聚乙二醇水溶液润湿金刚石后混合其余原料过80#筛网；
2)装模压制成型，完成压制后压坯在室温放置5h后，进烘箱中60℃干燥8h；
3)转入烧结炉中在空气气氛下进行烧成，烧成工艺为：
室温下以10℃/min升温至400℃，400℃保温4h；5℃/min升温至830℃，保温1h；以不高于3℃/min降至650℃，保温2h；随炉冷却至室温出炉。
采用本发明方法所制备的陶瓷金刚石砂轮抗折强度为120-130MPa，相较实施例1在该比例的Li/Al/Zn配比及成核剂CaF2、ZrO2的辅助作用下，在650℃的核化保温过程可实现结合剂中尖晶石析晶量增多、长大，如下图2和图3，实现磨具硬度、强度与耐磨性的进一步提升。
由此可见，本方案磨具产品金属陶瓷类刀具材料的高效精密磨削长寿命加工，加工寿命较常规产品提升40％左右。
以Φ90/Φ78×5尺寸金刚石陶瓷砂轮片加工TiC金属陶瓷刃角过程为例，与传统陶瓷结合剂、单一微晶结合剂相比较效果如下表：
| 常规结合剂 | 微晶玻璃结合剂 | 多晶型微晶玻璃结合剂 | |
| 抗折强度 | 30-40MPa | 40-60MPa | 120-130MPa |
| 倒角刀具加工片数 | 8000～9000 | 10000～11000 | 15000+ |
常规结合剂、单一微晶结合剂与多晶型微晶玻璃结合剂烧结显微形貌如下图4所示。图4A为常规结合剂烧结显微形貌图，结合剂强度由烧结体固结强度决定；图4B为单一微晶结合剂烧结显微形貌图，析出的单一锂铝硅酸盐微晶均匀离散于烧结体中，通过微晶弥散钉扎实现了烧结体内部微观裂纹的阻滞，实现结合剂烧结强度的提升；图4C为本发明的多晶型微晶玻璃结合剂，除纤维状的锂铝硅酸盐微晶外还有颗粒型的尖晶石晶析出，除常规强化作用外还能实现气孔等薄弱结构的强化，较单一析晶强化作用更优异。
且，常规结合剂、单一微晶结合剂与多晶型微晶玻璃结合剂烧结后的XRD如下图5所示。图5A常规配方烧结后的XRD图谱中玻璃相特征的馒头峰明显，无明显析晶峰；图5B显示在ZrO2形核剂引入后成功实现了LiAlSi2O6(PDF#25-1183)的晶相析出，并结合SEM图可知析晶可有效阻滞微观裂纹的扩展，提升抗折性能，实现强度的提升；
图5C显示在双形核剂及成核工艺的配合下实现了双晶析出，成功形成了LAS晶(Pseudoeucryptite,syn(PDF#73-2328))与锌尖晶石晶(Gahnite,syn(PDF#73-1961))析晶，并结合SEM图可以看出析晶形成与气孔与结合剂的交界部位，除微晶弥散强化作用外还可以在烧结体强度薄弱部位形成有效强化，从而较B单一析晶设计更有效的实现强度的提升。
此外，如表所示：
由此可见，本发明采用2种形核剂能形成LAS与锌尖晶石析晶，采取液相后降温至600-700℃控制形核保温时间工艺调控析晶；单晶型以LiAlSi型为例仅含1种形核剂，LAS成分需设计调配，烧结段形核温度600-700℃适当设置保温工艺；常规硅玻璃结合剂不含形核剂多以Na碱为主。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种金刚石陶瓷砂轮，其特征在于，所述金刚石陶瓷砂轮是由下述重量百分比的原料制成：多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂8-15％，金刚石磨料60-85％，白刚玉填料0-30％，糊精成型剂2-6％；其中，
所述多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂是由下述重量百分比的氧化物组成：SiO2 40-45％，Al2O3 8-14％，Li2O 2.5-4.7％，Na2O 0.8-1.4％，B2O3 16-30％，MgO 1.2-1.5％，ZnO 3-8％，CaO 1.2-1.5％，ZrO2 2.3-3.6％，CaF2 0.8-1.5％；
且，所述多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法具体包括如下步骤：
1)按比例称取各氧化物成分对应原料，混合均匀并研磨过100#筛网；
2)将过筛后的混合料置于烘箱中以120-150℃烘烤1-2h，转炉熔炼，以5-7℃/min的升温速度升温至1320-1400℃高温熔炼，熔炼保温1-2h；
3)待高温熔炼结束，将熔融后的混合料快速倒入常温水中进行水淬，随后经湿磨-烘干-干磨-过筛，即得到所述多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂；
所述金刚石陶瓷砂轮的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按比例称取各原料，并用聚乙二醇水溶液润湿金刚石后，混合其余原料过80#筛网，备用；
(2)将过筛后的混合料装模并压制成型，随后置于60-90℃烘箱中干燥8-12h，得坯料；
(3)将经步骤(2)的坯料转入烧结炉中在空气气氛下烧结，即得所述金刚石陶瓷砂轮；
所述步骤(3)中的烧结工艺为：升温阶段：从室温以5-10℃/min的升温速率升至400℃，保温4h；随后以2-3℃/min的升温速率升至烧成温度，保温1-2h；
降温阶段：以3℃/min降至晶化温度，保温1-2h；随后随炉冷却至室温出炉；其中，烧成温度为720-830℃，晶化温度为620-680℃。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石陶瓷砂轮，其特征在于，所述多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法中，步骤3)的水淬后处理工艺为：以1:1球料重量比混合刚玉球湿磨3-5h，收集烘干后以2:1球料重量比混合氧化锆球干磨2-4h，待完成干磨后过400#筛网，即获得所述多晶型微晶玻璃陶瓷结合剂。
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