CN117901011A - 一种低温陶瓷结合剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温陶瓷结合剂及其制备方法，包括以下重量份的原料：硼硅玻璃25‑42%、粘土10‑20%，滑石2‑8%，碳酸钙5‑10%，余量为长石。通过对原料及其配比的探索与调控，有效解决了由于“硼反”效应，导致的高硼结合剂砂轮强度降低的问题。得到的低温陶瓷结合剂与磨料能形成反应，通过该低温陶瓷结合剂与棕刚玉、白刚玉、铬钢玉、单晶刚玉和陶瓷刚玉等刚玉系磨料制备砂轮，回转强度能达到80m/s的1.73倍砂轮不破碎的要求，且该结合剂耐火度884℃‑922℃之间，在陶瓷结合剂领域属于低温范畴。由于结合剂与刚玉磨料结合性高，适用范围较广，采用该结合剂制备的陶瓷砂轮，结合剂在砂轮中占比少，砂轮具备优异的切削力、耐用性、防烧伤和强度高等特点。

Description

一种低温陶瓷结合剂

技术领域

本发明属于磨具制造技术领域，特别涉及一种低温陶瓷结合剂及其制备方法。

背景技术

砂轮是磨削加工中的重要工具，是工业的牙齿，它通过结合剂将松散的磨料结合在一起。由于砂轮磨削时经历划擦、耕犁和切削，过程中砂轮受到较大的挤压力，并需要保持高速旋转，因而其回转强度是安全使用的前提。传统砂轮的结合剂有陶瓷、树脂、橡胶和金属几类，其中以陶瓷结合剂最为常见。

然而，目前工业大规模使用的陶瓷结合剂，由于其存在烧结温度高（烧成温度1200-1300℃）、能耗高、抗冲击韧性较低、磨削效率低等缺陷，严重限制其生产效率和质量水平。这就需要改善目前高温陶瓷结合剂最常使用的“硅-铝”、“硼-硅”、“硼-硅-铝”，“硼-硅-铝-金属氧化物”等体系，探索出一种强度高，且烧结温度低的低温陶瓷结合剂（通常低于1000℃），从而可以很好地满足陶瓷磨具在精密加工方面的需求，符合企业降本增效的需求，符合社会环境友好的要求。

由于结合剂原料耐火度通常大于1300℃（耐火度测试，通过将结合剂做成三角锥，5℃/min进行加热，三角锥倒至其顶端与底盘接触时的温度即为耐火度），在1000℃之前陶瓷玻璃原材料很难与磨料表面产生化学反应，导致结合剂对于磨料的把持力不足，磨削过程中受到工件的积压，磨料容易脱落达不到磨削的效果，影响加工工件的精度和质量。因此低温陶瓷结合剂必须加入耐火度较低的原材料，通过原材料之间合适的配比，使得结合剂磨料在低温烧制后也能保持优异的结合强度，并且低耐火度的材料一般具有催熔性质，高温易转化为脆性较高的玻璃态，导致结合剂烧成后玻璃相成分较多，反而砂轮强度降低。因此需要添加合适组分的其他类辅料抑制玻璃相成分的过多，并且能提升砂轮强度。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种低温陶瓷结合剂，其与磨料有一定的反应能力，对磨料把持性高，并且结合剂强度高，在满足砂轮高强度需要的同时，结合剂所占比例减少，提高了砂轮的气孔率以及磨料所占的比例，磨削时磨粒易发挥作用，且脱粒及时不容易烧伤工件。

本发明还提供了上述低温陶瓷结合剂的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低温陶瓷结合剂，其包括以下重量百分比的原料：硼硅玻璃25-35％、粘土10-20％，滑石2-8%，碳酸钙5-10%，余量为长石。

具体的，所述硼硅玻璃可以选自高硼玻璃、低硼硅玻璃、中性硼硅玻璃、高硼硅玻璃等中的至少一种。

具体的，所述长石可以选自钠长石、钙长石、钾长石、钡长石、正长石等中的至少一种。

进一步的，所述粘土可以选自苏州高岭土、焦作白粘土、焦作黑粘土、白泥等中的至少一种。

具体的，所述滑石可以选自块状滑石、软滑石、黑滑石、泥滑石等中的至少一种。

本发明提供了一种上述低温陶瓷结合剂的制备方法，其将原料硼硅玻璃、长石、粘土、滑石和碳酸钙按照配比称量，再经混匀、筛分，即得。

上述制备方法过程中，可以通过球磨机混合2-3小时进行混匀；筛分后获得粒度≤300目的低温陶瓷结合剂。

本发明还提供了一种含上述低温陶瓷结合剂的刚玉砂轮，其主要由下述重量百分比的原料组成：磨料85-90%，低温陶瓷结合剂10-15%；所述磨料包含棕刚玉、白刚玉、铬钢玉、单晶刚玉和陶瓷刚玉中的至少一种。

本发明低温陶瓷结合剂，通过大量硼硅玻璃的加入，作为催熔材料，引入后可以有效降低结合剂的耐火度，但是在高硼含量下，结合剂易出现的“硼反”现象，即由于高硼含量，导致结合剂烧成后玻璃相成分较多，表现为脆性较高，砂轮磨削时受到挤压和冲击后，结合剂对于磨料的把持力减弱。进一步的，为了抑制“硼反”现象的发生，可以添加一定质量比的滑石，由于其体积膨胀小，在升温至高温阶段，滑石作为富镁硅酸盐矿物，具备较高的耐火度，在复合物体系里面作为连接材料，可以有效控制“硼-硅-铝”体系内熔融玻璃相的流动；并且滑石具备层状、纤维状或放射状结构，在降温至低温阶段，可以通过条状两端的毛细现象，有效抑制玻璃相液态由于冷却导致的急剧收缩，使得结合剂与磨料表面形成结晶共融体，客观上降低了热膨胀系数，结合剂对磨料把持力提高，砂轮强度提升。但是过多质量份的滑石加入，会导致结合剂耐火度提高，1000℃以下低温烧成时玻璃相产生较少，结合剂对于磨料的把持力下降，砂轮强度反而降低。因此滑石含量的加入需要控制在2-8%，并且滑石具有高温稳定性，高温不易变色，制备成砂轮煅烧后颜色均匀，白度增加，光泽性好。

本发明低温陶瓷结合剂，通过添加一定质量比的碳酸钙粉末，使得砂轮毛坯在低温干燥时加速水分的吸收，降低毛坯黏性起到减水剂的作用，加快生坯干燥过程。高温固化时钙离子的引入，可以起到助熔的作用，便于低温快烧，并且煅烧后生成钙长石，进而生成莫来石，起到矿化剂的作用，增加砂轮强度，作为低温陶瓷结合剂的组分，适宜添加量为5-10%。通过以上分析和探索，本申请找到一种可以有效提高陶瓷结合剂低温强度的方式，并且制备出的砂轮在1000℃低温烧制后，依旧具有较高的强度。

和现有技术相比，本发明低温陶瓷结合剂的有益效果如下：

本发明低温陶瓷结合剂，其与磨料有一定的反应能力，对磨料把持性高，并且结合剂强度高，在满足砂轮高强度需要的同时，结合剂所占比例减少，提高了砂轮的气孔率，磨削时不易烧伤。

本发明通过对原料及其配比的探索与调控，有效解决了由于“硼反”效应，导致的高硼结合剂砂轮强度降低的问题。得到的低温陶瓷结合剂与磨料能形成反应，通过该低温陶瓷结合剂与棕刚玉、白刚玉、铬钢玉、单晶刚玉和陶瓷刚玉等刚玉系磨料制备砂轮，硬度中软级别，结合剂与磨料反应，砂轮强度有明显提升，回转强度能达到80m/s的1.73倍砂轮不破碎的要求，且该结合剂耐火度在884℃-922℃之间，在陶瓷结合剂领域属于低温范畴。由于结合剂与刚玉磨料结合性高，适用范围较广，采用该低温陶瓷结合剂制备的陶瓷砂轮，结合剂在砂轮中占比少，砂轮具备优异的切削力、耐用性、防烧伤和强度高等特点。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

下述实施例中，所用原料均为可以购买到的普通市售产品、或者可以采用本领域常规方法制备获得。

所用的硼硅玻璃为郑州龙祥陶瓷有限公司生产，包含高硼硅玻璃和低硼硅玻璃，执行标准为Q/ZSJ001-1996，高硼硅玻璃含硼量为20-30%，低硼硅玻璃含硼量为10-20%；

实施例所用长石（钠长石、钾长石）均为河南锦润新材料有限公司生产；

实施例所用粘土（苏州高岭土、焦作白粘土）均为中国高岭土有限公司生产；

实施例所用滑石粉（软滑石粉和块滑石粉）均为河南东顺化工产品有限公司生产；

实施例所用碳酸钙为巩义市盛达微粉厂生产。

实施例1至8

下表1给出了实施例1至8所述低温陶瓷结合剂的各原料硼硅玻璃、长石、粘土，滑石、碳酸钙的重量百分比。

表1 实施例1至8所述低温陶瓷结合剂的配比及耐火度结果

上述各实施例所述低温陶瓷结合剂的制备方法，其将原料硼硅玻璃、长石、粘土、滑石和碳酸钙按照配比称量，再通过球磨机混合3小时进行混匀；然后过筛网去除未混匀的大颗粒，即得到粒度≤300目的低温陶瓷结合剂。

对比例1

目前常用的Al-Si-B系列结合剂，为长石-粘土-硼玻璃制备，其耐火度为1230℃左右，烧矢量约为5.5%。

对比例2

目前常用的高温Al-Si系列结合剂，为长石-粘土制备，其耐火度分别为1250℃左右，烧矢量约为5.0%。

将上述各实施例所述低温陶瓷结合剂制备成三角耐火锥，制备方式和三角锥规格参照国标GB/T 13794-2017。将三角耐火锥放置于圆柱锥台上，通过MCT.HT1001全自动耐火度试验炉进行耐火度测试，结果见表1。

上述表1的结果显示：本发明低温陶瓷结合剂的耐火度在884℃-922℃之间，烧失量不超过6.4%。

另外，根据以上结果，通过自混本发明的低温陶瓷结合剂，如实施例3，将其制备成V-P-400×20×305规格砂轮，测试砂轮强度。砂轮为刚玉系磨料，包含白刚玉、铬钢玉、单晶刚玉和陶瓷刚玉。根据磨具设计的要求，将低温陶瓷结合剂和磨料配料后，添加湿润剂水玻璃（外加3.0%），以及粘结剂糊精粉（外加1.5%）后混合均匀，室温下再通过400t压机设置5.2Mpa压力进行压制成型，于920℃-950℃进行烧结（具体的烧结温度需要高于低温陶瓷结合剂的耐火度，以保证结合剂能够完全熔融固化，并且在最高温保温6h），制备获得低温陶瓷刚玉磨具，具体试验例见下表2。

表2 含低温陶瓷结合剂的砂轮各原料组成配比及磨削比

通过测试发现，采用本发明低温陶瓷结合剂制备的刚玉系列砂轮，在转速达到138m/s的时候依旧没有破碎，完全能够满足80m/s的安全使用需求。

另外，进行磨削测试：磨削工件为HRC55-58硬度的GCr15轴承钢，砂轮转速1800rpm，工作台移动速度为10m/min，单次进刀深度0.01mm，横向进给宽度为5mm，共需进给100次，测试不同低温陶瓷结合剂制备的刚玉系列砂轮，通过对比砂轮的单位消耗量与工件磨损量比值的磨削比，来侧面反应该低温结合剂把持磨粒的能力较强。如对比例1和试验例1所示，相同材质，相同目数和结合剂含量制备的砂轮，在磨削过程中，本发明制备的低温结合剂相较于传统高温结合剂，砂轮磨粒不易脱粒，砂轮磨耗少，结合剂把持力高，砂轮强度较高，耐用度表现较好。

测试结果发现：46目陶瓷刚玉磨料制成的砂轮的磨削比为126.7，说明在满足砂轮高强度需要的同时，提高了砂轮的气孔率，磨削时不易烧伤。通过低温结合剂烧制，有效抑制了新型陶瓷刚玉磨料在高温的内部膨胀（1000℃以上），拓展了陶瓷刚玉的使用范围和路径。

最后应当了解，本说明书按照实施方式加以描述，目的是使得本领域技术人员熟悉了解本发明的内容并加以实施，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式，并不用于限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种低温陶瓷结合剂，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：硼硅玻璃25-35％、粘土10-20％，滑石2-8%，碳酸钙5-10%，余量为长石。

2.根据权利要求1所述的低温陶瓷结合剂，其特征在于，所述硼硅玻璃选自高硼玻璃、低硼硅玻璃、中性硼硅玻璃、高硼硅玻璃中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的低温陶瓷结合剂，其特征在于，所述长石选自钠长石、钙长石、钾长石、钡长石、正长石中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的低温陶瓷结合剂，其特征在于，所述粘土选自苏州高岭土、焦作白粘土、焦作黑粘土、白泥中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的低温陶瓷结合剂，其特征在于，所述滑石选自块状滑石、软滑石、黑滑石、泥滑石中的至少一种。

6.权利要求1至5任一所述的低温陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，将原料硼硅玻璃、长石、粘土、滑石和碳酸钙按照配比称量，再经混匀、筛分，即得。

7.根据权利要求6所述的低温陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，通过球磨机混合2-3小时进行混匀；筛分后获得粒度≤300目的低温陶瓷结合剂。

8.一种含权利要求1至5任一所述低温陶瓷结合剂的刚玉砂轮，其特征在于，主要由下述重量百分比的原料组成：磨料85-90%，低温陶瓷结合剂10-15%；所述磨料包含棕刚玉、白刚玉、铬钢玉、单晶刚玉和陶瓷刚玉中的至少一种。