專利名稱：超級研磨磨石的制作方法
相關(guān)申請的相互參考本申請申請保護(hù)優(yōu)先權(quán)為2002年6月5日的日本專利申請No.2002-164982(待審批)的所有權(quán)利。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于軸承座圈內(nèi)表面、滾動元件、以及其他類型的滑動表面的鋼材料的磨光的磨石。
一般地，從摩擦系數(shù)、生熱、潤滑油保持以及耐膠住(seizure-resistant)壽命的觀點來看，在滾柱軸承座圈內(nèi)表面，滾動元件，及其他類型的滑動表面中需要平坦的表面。待審公開的日本專利No.3-239475已經(jīng)開發(fā)了形成平坦表面的超級研磨(superfinishing)磨石。上述專利公開的超級研磨磨石主要使用碳化硅、熔融氧化鋁磨料顆粒或它們的混合物，當(dāng)這些磨石顆粒的總體積設(shè)為100時，它們的最大體積為80-95％，以及其余的占5-20％的立方氮化硼磨料顆粒，所述立方氮化硼磨料顆粒的平均顆粒尺寸是平均磨料顆粒尺寸的5-30倍。
此外，待審公開的日本專利No.2000-343438公開了包含用作固體潤滑劑而不是用作研磨劑的碳化的珠形顆粒的玻璃化磨石。它們降低了抗切割性并且增加了金剛石和CBN(立方氮化硼)研磨劑的切割能力。
可是，由常規(guī)超級研磨磨石加工的軸承座圈內(nèi)表面、滾動元件、及其他類型滑動表面的鋼材料的表面的詳細(xì)的電子顯微研究顯示磨料顆粒仍然粘著在滑動面表面上，特別是氧化鋁磨料顆粒，它粘著在加工表面上或者它在表面中脫落并且留下擦傷。
磨料顆粒無論怎樣小，它們在磨光的滑動表面中留下的粘著物都難以通過洗滌除去。此外，當(dāng)軸承在使用中時，堅硬的磨料顆?？赡苊撀洳⒎e聚在滑動表面之間，嚴(yán)重地防礙軸承的性能。這種結(jié)果增加了有缺陷的零件的產(chǎn)生。
發(fā)明概要本發(fā)明設(shè)想解決如上所述的現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的目的是提供適于精密研磨的超級研磨磨石，所述磨石包含用作磨料顆粒的RB(米糠)或者CRB(碳化的米糠)陶瓷細(xì)?；蛘邇烧叩慕Y(jié)合。
如

圖1所示，RB和CRB陶瓷細(xì)粒的顆粒是在其表面具有多個小孔的碳顆粒。如圖2所示，這些磨料顆粒的分子微結(jié)構(gòu)使得它們可容易地從磨光的構(gòu)件處被移走。
決定RB和CRB陶瓷細(xì)粒的抗彎曲性、抗刮傷性、抗磨性或抗切割性的維克斯硬度并不一致，介于400到1500之間。如圖2所示，在分子水平上，具有“S”標(biāo)記的端點的這些微粒具有高的維克斯硬度。
上述僅僅為代表性的實施方案的優(yōu)點和特征。顯然，它們不應(yīng)被認(rèn)為是對本申請所定義的發(fā)明的限制。本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點將在下面的描述和權(quán)利要求中提出。
附圖的簡要描述通過結(jié)合附圖閱讀下列優(yōu)選方案可以全部了解本發(fā)明，其中圖1用于本發(fā)明的CRB細(xì)粒的電子顯微照片。
圖2為CRB細(xì)粒的碳化的酚醛樹脂的示意圖。
詳細(xì)說明本發(fā)明通過提供適用于精密研磨的以及包含用作磨料顆粒的RB或CRB陶瓷細(xì)粒或者兩者的結(jié)合的超級研磨磨石解決現(xiàn)有技術(shù)的問題。
用于本發(fā)明超級研磨磨石的RB陶瓷磨料顆粒為使用米糠的多孔碳物質(zhì)，并且從本發(fā)明的第一發(fā)明人Kazuo Hokirigawa的研究中已知(參見作為參考引入本申請的Kino Zairyo[“Functional Materials”]，May 1997，Vol.17，No.5，pp.24-28)。
RB陶瓷可由脫脂米糠制造，所述脫脂米糠通過將米糠與熱固性樹脂混合并將所得的壓塊(compact)干燥獲得。然后將成形材料在惰性氣體氣氛中燒結(jié)。
任何種類的熱固性樹脂都是可以接受的。典型的熱固性樹脂包括酚醛樹脂、鄰苯二甲酸二芳基酯樹脂、不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、三嗪樹脂，但是酚醛樹脂是特別合適的。
這些樹脂可與聚酰胺及其他熱塑性樹脂結(jié)合使用，只要這樣的使用沒有超出本發(fā)明的范圍。
脫脂米糠和熱固性樹脂的混合比應(yīng)該為50-90∶50-10，優(yōu)選為70-80∶30-20。
已知與加壓成形體相比，由RB陶瓷材料形成的磨光體的尺寸在惰性氣體氣氛中燒結(jié)之后可以收縮多達(dá)25％。因此，按照上述制造方法產(chǎn)生RB陶瓷顆粒的精確成型加工形狀是困難的。因此，已經(jīng)開發(fā)了改進(jìn)的陶瓷-CRB陶瓷。
以下為CRB陶瓷制造方法的簡要描述。
在從米糠獲得的脫脂糠與熱固性樹脂一起捏和以及在700℃-1000℃下在惰性氣體氣氛中首次燒結(jié)之后，將其粉碎成碳化粉末。碳化粉末與熱固性樹脂一起捏和之后，將其再在600℃-900℃下進(jìn)行熱處理。任何種類的熱固性樹脂都是可以接受的。典型的熱固性樹脂是酚醛樹脂、鄰苯二甲酸二芳基酯樹脂、不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、三嗪樹脂，但是酚醛樹脂是特別適合的。初級燒結(jié)中的熱固性樹脂優(yōu)選為相對低分子量的液體。
普通的旋轉(zhuǎn)窯用于初級燒結(jié)，而燒結(jié)時間通常為40-120分鐘。用于初級燒結(jié)的碳化粉末與熱固性樹脂的混合質(zhì)量比應(yīng)該為50-90∶50-10，但優(yōu)選為70-80∶30-20。
將結(jié)合碳化粉末和熱固性樹脂的混合且捏和的材料在20-30MPa，優(yōu)選21-25MPa的壓力下加壓成形。模制溫度大約為150℃。
可充分控制的電爐用于熱處理，且熱處理時間應(yīng)該在60-360分鐘之間。
優(yōu)選的熱處理溫度為500℃-1100℃，且溫度應(yīng)該慢慢地升高到500℃。特別地，升溫速率應(yīng)該為0.5-2℃/分鐘，優(yōu)選大約1℃/分鐘。
另外，在熱處理完成之后，溫度應(yīng)該慢慢地降低到500℃的水平。然后使?fàn)t自然地冷卻到500℃以下。
具體的冷卻速率應(yīng)該為0.5-4℃/分鐘，優(yōu)選大約1℃/分鐘。
可是，在用于本發(fā)明的RB或CRB陶瓷的制備中，重要的事情主要不是控制達(dá)到某一溫度的時間，而是控制溫度并且將其保持需要的時間。
可被用于初級燒結(jié)和熱處理的惰性氣體為氦、氬、氖或氮氣，不過氮氣是優(yōu)選的。
此外，上述熱固性樹脂可與聚酰胺及其他熱固性樹脂結(jié)合使用，只要這樣的使用沒有超過本發(fā)明的范圍。
RB和CRB陶瓷之間最顯著的差異在于RB陶瓷具有多達(dá)25％的成形收縮率，而CRB陶瓷是較好的，具有3％或更低的極小收縮率。
在本發(fā)明中，RB或CRB陶瓷都能被用作用于精密研磨的磨料顆粒。
作為磨料顆粒的RB陶瓷和CRB陶瓷的性質(zhì)為維克斯硬度為400-1500；每一種的表面上有高硬點并且顆粒是分散的；顆粒可以彈性形變；因為高硬點與顆粒的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，發(fā)現(xiàn)硬點為一固定比例且與粒子大小無關(guān)；它們是導(dǎo)電的；它們是可還原的；按照粉碎方法可以得到需要的顆粒尺寸；它們的硬度可以通過改變熱處理溫度控制。
RB和CRB陶瓷磨料顆粒具有不規(guī)則的表面，因此它們作為研磨劑是非常耐久的。
用于本發(fā)明的RB和CRB陶瓷的一個重要的特征是這些物質(zhì)的硬度。它們的硬度基本上可以通過改變燒結(jié)工藝參數(shù)加以控制，當(dāng)在更高的溫度燒結(jié)時，通常硬度增高。初級和次級燒結(jié)的溫度顯著影響CRB陶瓷，當(dāng)在600℃到900℃的溫度燒結(jié)時，得到硬質(zhì)材料?？梢愿鶕?jù)待研磨材料的類型及其用途等確定硬度。
盡管沒有特殊的限制，本發(fā)明超級研磨磨石必須包含作為磨料顆粒的RB或CRB陶瓷或兩者的結(jié)合。存在兩種基本類型的磨石。第一種類型為由用于固化磨料以產(chǎn)生超級研磨磨石的粘合劑制造的磨石。第二種類型在于相同的制造方法必須既用于RB陶瓷又用于CRB陶瓷，因此當(dāng)它被壓碎時，其由于熱固性樹脂而碳化。
在本發(fā)明超級研磨磨石中用作磨料顆粒的RB和CRB陶瓷磨料顆粒的硬度和大小可以根據(jù)用途和目的改變，但是它們一般約為1-10μm，優(yōu)選1-3μm。
如果需要，其它磨料顆粒可以與RB和CRB陶瓷結(jié)合，其它磨料顆?？砂ń饎偸?、氮化硼磨料如CBN和WBN、氧化鋯、二氧化硅、碳化硅、鐵氧化物如Fe2O3或Fe3O4、氧化鉻或二氧化鈰。
RB陶瓷磨料顆粒和CRB陶瓷磨料顆粒與其他磨料研磨介質(zhì)的質(zhì)量比應(yīng)該為50-90∶50-10，優(yōu)選50-80∶50-20。
用于本發(fā)明超級研磨磨石的一種形式的粘合劑有三種類型使用合成樹脂的樹脂膠合(resinoid bond)磨石；使用金屬的金屬結(jié)合(metallic bond)磨石；和使用陶瓷結(jié)合劑(vitrified bond)的陶瓷結(jié)合磨石。
可在樹脂結(jié)合劑中使用以固定磨料顆粒的粘合劑可以是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚合物酰亞胺樹脂、不飽和聚酯樹脂或其他熱固性樹脂。
陶瓷結(jié)合劑的基本組成為，相對于粘合劑，40-70wt％的二氧化硅，10-20wt％的氧化鋁，10-20wt％的氧化硼，2-10wt％的氧化鈣和/或氧化鎂，2-10wt％的氧化鈉和/或氧化鉀，和小量的氧化鐵和氧化鋅。本發(fā)明的平均顆粒尺寸為1-15μm。
因為本發(fā)明在600℃到900℃的溫度下加壓燒結(jié)，所以上述的陶瓷粘合材料粉末必須可以在該燒結(jié)溫度熔化。陶瓷粘合材料的一個典型實例為硼二氧化硅玻璃。
本發(fā)明陶瓷化磨石中的燒結(jié)材料包含至少RB或CRB陶瓷磨料顆粒，或者兩者的結(jié)合，眾所周知的磨料顆粒，以及陶瓷結(jié)合材料，這樣該陶瓷結(jié)合材料作為陶瓷結(jié)合材料基質(zhì)。
可被使用的壓力燒結(jié)法包括傳統(tǒng)的熱壓法、熱壓印(coining)、電阻燒結(jié)電加熱燒結(jié)法、等離子體放電燒結(jié)、或使用泵提供真空壓力燒結(jié)的熱壓法。
根據(jù)第一實施方案，為了生產(chǎn)CRB陶瓷，將75千克從米糠中獲得的脫脂米糠與25千克液體酚醛樹脂(可熔酚醛樹脂)一起捏和并且加熱到50℃-60℃。由此得到均勻混合物。
在氮氣氛下，該混合物在旋轉(zhuǎn)窯中，在700℃下加熱120分鐘，由此進(jìn)行第一次焙燒。在破碎機中將得到的碳化材料壓碎成粉末，然后通過球磨機產(chǎn)生平均顆粒尺寸為1-5μm的細(xì)粉狀RB陶瓷磨料顆粒。
根據(jù)本發(fā)明第二實施方案，如在第一實施方案中一樣制備RB陶瓷，不過混合物在900℃下焙燒，得到平均顆粒尺寸為1-10μm的磨料顆粒。
根據(jù)第三實施方案，為了生產(chǎn)CRB陶瓷，將75千克從米糠中獲得的脫脂米糠與25千克液體酚醛樹脂(可熔酚醛樹脂)一起捏和并且加熱到50℃-60℃。由此得到均勻混合物。
在氮氣氛下，該混合物在旋轉(zhuǎn)窯中，在750℃下加熱100分鐘，由此進(jìn)行第一次焙燒。得到的碳化材料在破碎機中壓碎成粉末，產(chǎn)生平均顆粒尺寸為5-10μm的碳化粉末。
在加熱到100℃-150℃的同時，將得到的75千克碳化粉末與25千克固體酚醛樹脂(可熔酚醛樹脂)捏和在一起。由此得到CRB陶瓷的均勻前體材料。
該CRB陶瓷前體在20MPa加壓成形產(chǎn)生球形，優(yōu)選尺寸為3厘米。在氮氣氛下，在電爐中，在700℃下接受3小時的第二次焙燒。在破碎機中將得到的碳化材料壓碎成粉末，然后通過球磨機產(chǎn)生平均顆粒尺寸為1-5μm的細(xì)粉狀CRB陶瓷磨料顆粒。
根據(jù)第四實施方案，如在第二選擇性的實施方案中一樣制備CRB陶瓷，不過在750℃下進(jìn)行第一次焙燒，在700℃下進(jìn)行第二次焙燒，得到平均顆粒尺寸為1-5μm的磨料顆粒。
根據(jù)第五實施方案，陶瓷化結(jié)合磨石的性能測試結(jié)果示于表1。
在如表1(相對體積)所示的組合物中，前四個實施方案的RB陶瓷磨料顆粒、CRB陶瓷磨料顆粒、市場上可獲得的平均顆粒尺寸為1-2μm的金剛石磨料顆粒、以及市場上可獲得的平均顆粒尺寸為1-2μm的CBN磨料顆粒，與作為結(jié)合劑被用于磨石的陶瓷粘合劑一起使用，在空氣大氣壓下，在650℃的電熱加壓火焰(fire)中保持2分鐘，得到陶瓷化磨石。
表1

如表2所示，根據(jù)超級研磨的量、磨石磨損尺寸以及表面粗糙度考查由此得到的超級研磨磨石的性質(zhì)。以現(xiàn)有技術(shù)的超級研磨磨石(一種包含二氧化硅和氧化鋁磨料顆粒的氮化硼石)作為標(biāo)準(zhǔn)，其值設(shè)定為100。結(jié)果如表2所示。
研磨和整理條件如下超級研磨液流速為1.31/分鐘，被研磨物質(zhì)為SUJ-2(HRC-61)，被研磨材料的徑向速度為3.0m/秒，循環(huán)時間為10秒，磨石表面壓力為3.0MPa，預(yù)研磨粗糙度為3S，磨石振動頻率為16.7/秒，以及磨石振幅為1.5mm。
表2

根據(jù)本發(fā)明選擇性的實施方案，生產(chǎn)成形的超級研磨磨石，其中磨料顆粒和熱固性樹脂一起碳化。
磨料顆粒選自前四個實施方案的RB陶瓷、CRB陶瓷材料、市場上可得到的金剛石磨料顆粒(平均顆粒尺寸為1-2μm)、以及市場上可得到的CBN磨料顆粒(平均顆粒尺寸為1-2μm)。然后在100℃-150℃的溫度下將這些物質(zhì)與固體酚醛樹脂(可熔酚醛樹脂)捏和在一起，得到塑性均勻的混合物。
該均勻混合物在30Mpa加壓成形，得到4mm×9mm×6mm的矩形體。然后，在氮氣氛中將該矩形體在電爐中燒結(jié)，其中溫度以大約1℃/分鐘的速度增加直到達(dá)到500℃。隨后溫度升高速度提高到2℃/分鐘，直到焙燒溫度達(dá)到700℃。在該溫度焙燒1小時。然后以1℃/分鐘的速度使溫度降至500℃，然后自然地冷卻該爐。得到具有顯示于表3的組成的碳化燒結(jié)磨石。
表3

如表4所示，根據(jù)超級研磨的量、磨石磨損尺寸以及表面粗糙度考查由此得到的超級研磨磨石的性質(zhì)。以現(xiàn)有技術(shù)的超級研磨磨石(一種包含二氧化硅和氧化鋁磨料顆粒的氮化硼石)作為標(biāo)準(zhǔn)，其值設(shè)定為100。結(jié)果示于表4
表4

盡管已經(jīng)參考特殊的實施方案描述出本發(fā)明，但是應(yīng)該理解這些實施方案僅僅說明本發(fā)明的原則和應(yīng)用。因此，應(yīng)該理解可以對示例性的實施方案作出很多改進(jìn)，而且在不脫離如附加的權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以設(shè)計其他的方案。
權(quán)利要求
1.一種超級研磨磨石，包括第一磨料顆粒和粘合劑，其中第一磨料顆粒包括選自RB(米糠)陶瓷細(xì)粒和CRB(碳化米糠)陶瓷細(xì)粒的材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的超級研磨磨石，其中所述第一磨料顆粒與選自金剛石磨料顆粒、氮化硼磨料顆粒、鋯磨料顆粒、二氧化硅磨料顆粒、碳化硅磨料顆粒、氧化鐵磨料顆粒、氧化鉻磨料顆粒和二氧化鈰磨料顆粒的第二磨料顆粒結(jié)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的超級研磨磨石，其中所述第一磨料顆粒僅僅與金剛石磨料顆粒結(jié)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的超級研磨磨石，其中所述第一磨料顆粒僅僅與氮化硼磨料顆粒結(jié)合。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的超級研磨磨石，其中所述第一磨料顆粒具有1-5μm的平均顆粒尺寸；和其中所述第二磨料顆粒具有1-2μm的平均顆粒尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的超級研磨磨石，其中所述粘合劑選自陶瓷結(jié)合劑、樹脂結(jié)合劑和金屬結(jié)合劑。
7.一種超級研磨磨石，包括第一磨料顆粒和粘合劑，其中所述第一磨料顆粒包括選自RB陶瓷細(xì)粒和CRB陶瓷細(xì)粒、金剛石磨料顆粒和氮化硼磨料顆粒的材料；和其中所述粘合劑包括陶瓷結(jié)合劑。
8.一種超級研磨磨石，包括通過如下步驟得到的材料在加熱下捏和選自RB陶瓷細(xì)粒和CRB陶瓷細(xì)粒的材料；從金剛石磨料顆粒、氮化硼磨料顆粒、鋯磨料顆粒、二氧化硅磨料顆粒、碳化硅磨料顆粒、氧化鐵磨料顆粒、氧化鉻磨料顆粒和二氧化鈰磨料顆粒中選擇一種或多種磨料顆粒；從酚醛樹脂、鄰苯二甲酸二芳基酯樹脂、不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂和三嗪樹脂中選擇一種或多種熱固性樹脂；混合所述材料、磨料顆粒以及熱固性樹脂，形成摻合物；將所述摻合物倒入模型；將所述摻合物加壓成型；從所述模型中除去所述摻合物；在600℃到900℃的溫度下將所述摻合物熱處理；和冷卻所述摻合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的超級研磨磨石，其中所述熱固性樹脂包括酚醛樹脂；和其中僅僅所述金剛石磨料顆粒與選自RB陶瓷細(xì)粒和CRB陶瓷細(xì)粒的所述材料結(jié)合。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的超級研磨磨石，其中所述熱固性樹脂包括酚醛樹脂；和其中僅僅所述氮化硼磨料顆粒與選自RB陶瓷細(xì)粒和CRB陶瓷細(xì)粒的所述材料結(jié)合。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的超級研磨磨石，其中所述RB陶瓷細(xì)粒和所述CRB陶瓷細(xì)粒與所述金剛石磨料顆粒各自具有50-80∶50-20的質(zhì)量比。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的超級研磨磨石，其中所述RB陶瓷細(xì)粒和所述CRB陶瓷細(xì)粒與所述氮化硼磨料顆粒各自具有50-80∶50-20的質(zhì)量比。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的超級研磨磨石，其中所述RB陶瓷細(xì)粒和所述CRB陶瓷細(xì)粒各自具有1-5μm的平均顆粒尺寸；和其中所述金剛石磨料顆粒具有1-2μm的平均顆粒尺寸。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的超級研磨磨石，其中所述氮化硼磨料顆粒具有1-2μm的平均顆粒尺寸。
全文摘要
一種適用于精密研磨的超級研磨磨石，包含用作磨料顆粒的RB(米糠)陶瓷細(xì)粒或CRB(碳化米糠)陶瓷細(xì)?；蛘邇烧叩慕Y(jié)合。RB陶瓷細(xì)粒和CRB陶瓷細(xì)粒的顆粒具有多個小孔，它使得顆粒容易從磨光裝置處移走。這些微粒具有高維克斯硬度，這使得它們高度抗彎曲、抗刮傷、抗磨損或抗切割。
文檔編號B24D3/00GK1494985SQ0315846
公開日2004年5月12日 申請日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月5日
發(fā)明者堀切川一男, 治, 秋山元治, 之, 吉村典之 申請人:美蓓亞株式會社