一種自銳性燒結磨料制備方法和用圖
【專利摘要】一種自銳性燒結磨料的制備方法和用途，其特征是將所需原料按百分比計量、混料、膠結、破碎、分級、燒結以及后處理等工序制得優質燒結磨料。所述燒結磨料具有適當的自銳性，磨削過程中燒結大顆粒不是整顆脫落，而是燒結磨料內部原料小顆粒之間的結合劑疲勞破壞、失效繼而導致破碎，組成燒結磨料的原始小顆粒磨粒逐一脫落。本發明提供的燒結磨料具有良好的自銳性，有利于穩定加工效率、提高磨料使用率；可用于磨削、研磨拋光、珩磨、鋸切等加工工藝中，也可制成砂輪、研磨墊、珩磨頭、鋸片等成品工具。本發明提供的方法具有工藝簡單、成品率高、成本低等優點。
【專利說明】
一種自銳性燒結磨料制備方法和用途
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種磨料的加工方法，尤其是一種磨料制備、磨料加工(磨削、研磨、拋
光、珩磨、鋸切加工)，具體地說是一種自銳性燒結磨料的制備方法和用途。
【背景技術】
[0002]由于具有高硬度、高強度，高耐磨性以及線膨脹系數小等一系列優異的物理化學特性，金剛石、碳化硅、氧化鈰等磨料在磨料加工領域得到日愈廣泛的應用。加工過程中，磨具中磨料與結合劑之間一般是機械鑲嵌，循環應力作用下導致磨料顆粒破碎、磨鈍、以及易脫落等失效形式。磨料的過早脫落，不僅縮短了磨具的使用壽命而且不利于加工的穩定性；磨鈍后的磨料無法及時脫落，造成加工效率的下降和工件的燒傷，因此提高磨料的使用率以及穩定加工效率成為了研究的熱點問題。
[0003]從上個世紀70年代開始國內外的學者做了大量的研究，主要采用磨料表面改性技術、制備多晶磨粒來改善磨料的使用性能，進而達到提高其加工效率和使用壽命的目的。在對磨料進行表面改性的過程中，人們所采用的改性劑和工藝也各不相同，從最初單一的金屬元素到合金元素，以及后來的非金屬材料，在鍍覆工藝上也經歷了從化學鍍到真空微蒸發鍍等多種方式。由于待加工材料性能的多樣性，使得磨料改性工藝研究尤為繁雜。采用鍍覆金剛石制備的磨具，雖然磨具作用壽命得到提高，但極易導致鈍化的磨料無法及時脫落，造成加工性能的急劇無法，需進行修整后，才能繼續使用。多晶磨料使用過程中，棱角鈍化的磨料容易脫落，具有較強的自銳性。現有的多晶金剛石微粉是利用獨特的定向爆破法由石墨制得，制備工藝復雜、成本高，產量受限。因此，一種制備方法簡單、成本低、磨削力適當、自銳性好、可廣泛應用于磨削、研磨和拋光、?行磨等加工技術領域的磨料制備方法亟待開發。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對現有的固結磨料工具在使用過程中會出現磨料脫落或易磨鈍，無法實現自我修復的問題，提出一種制備簡單且自銳性好的固結磨料的燒結方法，它通過原輔料設計、膠黏劑優選、破碎分級技術改進、燒結及后處理工序溫度控制一系列工序，采用高溫燒結方法得到優質的燒結磨料，可廣泛應用于各類材料的磨削、研磨和拋光、珩磨和鋸切等加工技術領域中。
[0005]本發明的技術方案是:
一種自銳性燒結磨料的制備方法，其特征在于它包括如下步驟:
(I)將磨料顆粒、高溫粘結劑及輔助添加劑按質量百分比計量，混合均勻制成混合物；磨料顆粒的重量百分比為50-70%，高溫粘結劑的重量比為22-38%，輔助添加劑的重量比為
0.5?30%;把燒結磨料的原料磨料顆粒、高溫粘結劑及輔助添加劑，按照質量百分比計量并混合均勻;所述原料中磨料顆粒可以是單晶或多晶形態的金剛石、氧化鋁、碳化硅、氧化鈰等磨料，粒徑分布在100納米?50微米之間，尤其是200納米?20微米之間的原料顆粒;所述高溫粘接劑可以是二氧化娃、氧化鈉、氧化鋁、氧化鉛、氧化鋅、氧化媽、氧化鉀、氧化鑭、氧化硼等中的一種或多種混合物，含量約為磨料微粒的5?50%，通過改變高溫粘結劑的用量和配比可控制膠結結合強度;所述輔助添加劑為銅粉、鐵粉、鎳等具有較好的形變能力和粘結能力的粉末輔料，填充在磨料微粒空隙中有利于粘結成型和緩沖破碎過程，含量最好約為磨料顆粒的5-15%。
[0006](2)向上述混合物中添加膠黏劑潤濕攪勻，在50°0150°(:范圍內烘干;膠黏劑的加入量為前述混合物的0.1-50%;向混合均勻后的原料中加入膠黏劑，潤濕攪勻，低溫烘干。所述膠黏劑可以是聚乙酸乙烯酯、過氯乙烯、聚異丁烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、a-氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇縮醛、環氧樹脂等中的一種或多種混合物，含量約為混合物的0.1-35%，最佳為10-20%;膠黏劑含量約為磨料微粒的15-35%;
(3)將烘干后的結塊破碎;可用研缽碾壓、研碎。破碎后的粉末按要求分級，可用規定目數的篩網篩分，得到合適粒徑分布的大顆粒磨料坯料，也可用重力分級法、離心分級法等得到合適粒徑分布的小顆粒磨料還料。
[0007](4)將破碎粉末按要求分級，得到不同粒徑的粘結顆粒；
(5)將所選粒徑的粘結顆粒進行高溫燒結得到燒結磨料，在高溫燒結的過程中實現膠黏劑的自動去除;分級后的坯料分批次進行高溫除膠、燒結，通過高溫粘結劑的作用使原料磨料顆粒之間獲得適當的結合強度;燒結溫度根據高溫粘結劑的組份進行調節，溫度可在500°01000°C范圍內變化，燒結后隨爐冷卻;通過控制燒結溫度可以得到不同結合強度的燒結磨料。高溫除膠、燒結工序后的磨料顆粒滿足實際使用的要求，具有一定的切削能力與結合強度。
[0008](6)再次分級，得到本發明的燒結磨料。燒結后的磨料再次精確分級，得到適當粒度分布的優質燒結磨料，以利于加工材料的表面質量和加工效率。燒結磨料的粒徑范圍在I微米-150微米，尤其是燒結磨料的粒徑在2微米?100微米。
[0009]本發明的自銳性燒結磨料，其特征在于所述的燒結磨料用于磨削、研磨和拋光、珩磨或鋸切加工場合，燒結磨料游離于被加工面與工具之間，它在加工過程中不是整顆失效破壞，而是燒結磨料之間的結合劑疲勞破壞、失效繼而導致破碎，組成燒結磨料的原始小顆粒磨粒逐一脫落;這一過程有利于磨粒的自銳性，又能穩定加工效率，提高被加工表面的質量。所述的燒結磨料以固結、焊接或鍍覆方式制成磨削砂輪、丸片、研磨墊、拋光墊、珩磨頭、鋸片作為加工工具，用于工件的固結磨料加工。
[0010]燒結磨料在特定溫度下由原料磨料顆粒制成的燒結磨料，具有一定的結合強度滿足實際切削要求，且結合力適當能保證磨粒的自銳性。在加工過程中不是整顆失效破壞，而是燒結磨料內部原料小顆粒之間的結合劑疲勞破壞、失效繼而導致破碎，組成燒結磨料的原始小顆粒磨粒逐一脫落。這一過程有利于磨粒的自銳性，又能穩定加工效率，提高被加工表面的質量。本發明提供的燒結磨料可以用于磨削、研磨和拋光、珩磨、鋸切等加工場合，游離于被加工面與工具之間；可以以固結、焊接、鍍覆等方式制成磨削砂輪、丸片、研磨墊、拋光墊、珩磨頭、鋸片等加工工具，用于工件的固結磨料加工。本發明提供的燒結磨料制備方法簡單、成本低、適用于工業化生產，并且具有加工效率高、加工性能穩定以及磨料利用率高等特點。
[0011]本發明的有益效果是: 本發明提供的方法具有工藝簡單、成品率高、成本低等優點。
[0012]利用本發明的磨料加工的工具具有磨削力適當、自銳性好的優點，可廣泛應用于磨削、研磨和拋光、珩磨等加工技術領域。
[0013]
【附圖說明】
[0014]圖1為燒結成型的大顆粒磨料SEM圖。
[0015]圖2為固結磨料研磨墊表面的磨料狀態。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0017]實例1:一種自銳性燒結磨料制備方法，燒結磨料由5-7μπι的氧化鋁、陶瓷結合劑和鎳粉制成，其制備方法為:將5 O O的氧化鋁、3 8 O的陶瓷結合劑和12 O的鎳粉充分混合得到1000克混合物，用100克聚乙酸乙烯酯、過氯乙烯、聚異丁烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、a-氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇縮醛、環氧樹脂等中的一種或多種混合(下同)作為膠黏劑潤濕攪勻后在120°C下烘干。將烘干后的固體研磨過篩分級，得到粒徑為325?400目的微粉，用900t>1100°C對分級后的磨料坯料進行高溫燒結3小時除膠，得到圖1所示的燒結磨料。燒結過程中膠黏劑會自然蒸發或分解。然后再次分級，得到所需粒徑及結合力的燒結氧化鋁。
[0018]實施例2:—種自銳性燒結磨料制備方法，燒結磨料由3-5μπι粒徑的金剛石微粉、結合劑、銅粉混合制成，其中結合劑為二氧化硅和氧化硼的混合物。其制備方法為:將650的金剛石微粉、220的結合劑、130的銅粉混合均勻，加入適量膠黏劑10克潤濕后攪勻，在50°C下烘干。將烘干后的結塊研磨破碎，并用200/230目的篩網篩分出粒徑分布在60-80的坯料。750°C下對坯料進行高溫除膠、燒結4小時，隨爐冷卻。再次精確篩分，得到粒徑分布在70μπι左右的優質燒結磨料。
[0019]經高溫燒結后得到的優質燒結磨料，與Sn-Cu-Fe系結合劑以適用于光學玻璃研磨的比例充分混合，經真空燒結熱壓成型工藝后制成金剛石丸片。以燒結磨料為有效磨粒的丸片粘貼在基座上，可用于陶瓷、Κ9、熔石英等材料的研磨拋光加工。本例中，用于Κ9玻璃的研磨加工時，材料去除速率達到了 50ym/min，加工后工件的表面粗糙度Ra達到了8.64nm。
[0020]實施例3:—種自銳性燒結磨料制備方法，燒結磨料由10-14μπι粒徑的金剛石微粉、低溫陶瓷結合劑和銅粉制成，其制備方法為:將600的金剛石、250的低溫陶瓷結合劑及150的銅粉混合均勻，混合物用350克膠黏劑潤濕攪勻后在150°C下烘干。將烘干后的結塊研磨過篩，得到滿足切削要求粒徑的微粉，選擇進行950°C高溫除膠、燒結5小時。然后再次篩分，得到所需粒徑(200/230)及結合強度的燒結金剛石。
[0021]將上述燒結金剛石作為磨料制成用于研磨的固結磨料研磨墊，該研磨墊由燒結金剛石、碳化硅、銅粉、樹脂以及多種添加劑按質量配比均勻混合、固化后形成，如圖2所示。研磨工藝參數設置為:壓力20kPa，轉速85rpm，研磨液為去離子水添加適量三乙醇胺和0Ρ-10乳化劑。研磨50min后，得到藍寶石晶圓的材料去除率為220?250nm/min，表面粗糙度Ra為80?llOnm，且沒有明顯劃痕，可以作為藍寶石拋光的前道研磨工序。
[0022 ] 實例4: 一種適用于固結磨料拋光加工的燒結金剛石磨料，它由3?5μηι粒徑的金剛石、低溫陶瓷結合劑和銅粉制成，其制備方法為:將700的金剛石、250的低溫陶瓷結合劑和50的銅粉充分混合，混合物用150克膠黏劑潤濕攪勻后在100°C下烘干。將烘干后的固體研磨過篩，再用合適的溫度對粉末進行100tC高溫除膠、燒結2小時。然后再次篩分，得到所需粒徑(170/230)及結合力的燒結金剛石。
[0023]將上述制備好的燒結金剛石制成用于拋光的固結磨料研磨墊，它由金剛石、碳化硅、銅粉、樹脂以及多種添加劑均勻混合固化后形成。拋光工藝參數設置為:壓力15kPa，轉速30rpm，拋光液為去離子水添加適量三乙醇胺和0P-10乳化劑。研磨30min后，得到石英玻璃的材料去除率為2.5μπι/π?η，表面平均粗糙度Ra達到1nm以下，且沒有明顯劃痕。
[0024]將上述的拋光壓力增加到30kPa，其他條件與參數不變的情況下研磨30分鐘后，得到石英玻璃的材料去除率為2?3ym/min，表面平均粗糙度值Ra為12.5nm，且沒有明顯劃痕。
[0025]實例5: 一種自銳性燒結磨料制備方法，燒結磨料由14_20μπι的金剛石、陶瓷結合劑和鐵粉制成，其制備方法為:將680的金剛石、250的低溫陶瓷結合劑和70的鐵粉充分混合，混合物用200克膠黏劑潤濕攪勻后在85°C下烘干。將烘干后的固體研磨過篩分級，得到粒徑為120/170目的微粉，用550°0620°C對分級后的磨料坯料進行高溫除膠、燒結5小時。然后再次分級，得到所需粒徑120/170及結合力的燒結金剛石磨料。
[0026]將燒結金剛石磨料作為珩磨條的工作層顆粒與過渡層顆粒一起壓制成預成型珩磨條，并熱壓成型得到珩磨條，用于鋁質缸體的珩磨加工，加工效率穩定，表面粗糙度Ra達至丨J300nm以下。
[0027]本發明制得的燒結磨料具有適當的自銳性，磨削過程中燒結大顆粒不是整顆脫落，而是燒結磨料內部原料小顆粒之間的結合劑疲勞破壞、失效繼而導致破碎，組成燒結磨料的原始小顆粒磨粒逐一脫落。
[0028]實施加工表明，本發明提供的燒結磨料具有良好的自銳性，有利于穩定加工效率、提高磨料使用率;可用于磨削、研磨拋光、珩磨、鋸切等加工工藝中，也可制成砂輪、研磨墊、珩磨頭、鋸片等成品工具。
[0029]本發明未涉及部分與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
【主權項】
1.一種自銳性燒結磨料的制備方法，其特征在于它包括如下步驟: (1)將磨料顆粒、高溫粘結劑及輔助添加劑按質量百分比計量，混合均勻制成混合物；磨料顆粒的重量百分比為50-70%，高溫粘結劑的重量比為22-38%，輔助添加劑的重量比為0.5?30%，最佳為 5-15%; (2)向上述混合物中添加膠黏劑潤濕攪勻，在50°0150°(:范圍內烘干； (3)將烘干后的結塊破碎； (4)將破碎粉末按要求分級，得到不同粒徑的粘結顆粒； (5)將所選粒徑的粘結顆粒進行高溫燒結1-5小時得到燒結磨料，在高溫燒結的過程中實現膠黏劑的自動去除； (6 )再次分級，得到本發明的燒結磨料。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步驟(I)中，磨料原料為金剛石、氧化鋁、碳化硅或氧化鈰磨料顆粒，顆粒為單晶或者多晶形態，磨料顆粒的粒徑分布在100納米?50微米之間，尤其是200納米?20微米之間的原料顆粒。3.根據權利要求1所述的燒結磨料制備過程，其特征在于:所述的步驟(I)中，所述的輔助添加劑，填充在磨料微粒空隙中使燒結大顆粒具有較好的形變能力和粘結能力，輔助添加劑可以為銅粉、鐵粉、鎳等，含量約為磨料顆粒的0.5?30%。4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步驟(I)中，高溫粘接劑為二氧化硅、氧化鈉、氧化鋁、氧化鉛、氧化鋅、氧化鈣、氧化鉀、氧化鑭和氧化硼中的一種或多種混合物，或者是它們的預燒結體。5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步驟(2)中膠黏劑是聚乙酸乙烯酯、過氯乙烯、聚異丁烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、a-氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇縮醛和環氧樹脂中的一種或多種混合物;膠黏劑的加入量為混合物重量的0.1-35%，最佳為10-20%。6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步驟(4)中，破碎后的粉末按要求分級，用規定目數的篩網篩分，得到合適粒徑分布的大顆粒磨料坯料，或者用重力分級法、離心分級法得到合適粒徑分布的小顆粒磨料坯料。7.根據權利要求書I所述的方法，其特征在于:所述的步驟(5)中高溫燒結工序后的磨料顆粒滿足實際使用的要求，具有一定的切削能力與結合強度，高溫燒結溫度根據高溫粘結劑的組份進行調節，溫度在500°01000°C范圍內變化。8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步驟(6)中，將燒結后的磨料顆粒再次分級，得到適當粒徑分布的優質燒結磨料，以利于加工材料的表面質量和加工效率;燒結磨料的粒徑范圍在I微米?150微米，尤其是燒結磨料的粒徑在2微米?100微米。9.一種自銳性燒結磨料，其特征在于所述的燒結磨料用于磨削、研磨和拋光、?行磨或鋸切加工場合，燒結磨料游離于被加工面與工具之間，它在加工過程中不是整顆失效破壞，而是燒結磨料之間的結合劑疲勞破壞、失效繼而導致破碎，組成燒結磨料的原始小顆粒磨粒逐一脫落;這一過程有利于磨粒的自銳性，又能穩定加工效率，提高被加工表面的質量。10.根據權利要求9所述的燒結磨料，其特征在于所述的燒結磨料以固結、焊接或鍍覆方式制成磨削砂輪、丸片、研磨墊、拋光墊、珩磨頭、鋸片作為加工工具，用于工件的固結磨料加工。
【文檔編號】B24D3/04GK105856078SQ201610243158
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月19日
【發明人】朱永偉, 朱楠楠, 沈琦, 王占奎, 王子琨, 鄭方志, 李軍, 左敦穩
【申請人】南京航空航天大學