專利名稱：一種陶瓷結(jié)合劑超硬磨具的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磨具的制備方法，屬于多孔磨削、拋光工具制備領(lǐng)域，特別涉及一 種以高分子樹脂球顆粒為造孔劑的陶瓷超硬磨具制備方法。
背景技術(shù)：
氣孔是組成陶瓷結(jié)合劑超硬磨具的三要素之一，在砂輪磨削過(guò)程中具有容屑、排 屑和增強(qiáng)散熱的作用，直接影響工件的磨削效果。其中氣孔孔徑和孔徑分布是磨具氣孔的重要參數(shù)?？刂瓶讖娇梢愿纳贫嗫滋沾尚?能，從而優(yōu)化強(qiáng)度與氣孔率，既可延長(zhǎng)磨具使用壽命，又可提高使用效果?，F(xiàn)以成功開發(fā)出 多種制備工藝，如添加造孔劑法、發(fā)泡法、有機(jī)泡沫體浸漬工藝、溶膠凝膠工藝等。造孔劑法是制備磨具最常用的方法?？梢愿鶕?jù)磨削用途通過(guò)調(diào)整配方來(lái)控制氣孔 孔徑和孔徑分布。該方法通過(guò)選用造孔劑，在坯體中占據(jù)一定空間，燒結(jié)后造孔劑離開基體 而成氣孔，或選用在基體燒結(jié)中不能排除的造孔劑，燒成后用水、酸或堿溶液浸出造孔劑而 成。以往為調(diào)整粗磨陶瓷結(jié)合劑超硬磨具中所形成的氣孔孔徑和孔徑分布主要采用 在砂輪中添加木粉、萘粒、核桃殼、塑料球、碳粒及碳酸鹽等材料來(lái)造孔的辦法；高效精密磨 削用陶瓷結(jié)合劑砂輪造孔主要采用碳粉和碳酸鹽。木粉由于彈性大，密度相對(duì)小，形狀不好把握，在毛坯中添加木粉時(shí)，成型比較困 難，且脫模后其尺寸變化較大，因此對(duì)產(chǎn)品的硬度及尺寸精度影響較大，而且不同批次的砂 輪其性能一致性不易控制。萘粒作為粗磨用陶瓷結(jié)合劑超硬磨具造孔劑已經(jīng)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)。但萘粒 有劇毒，嚴(yán)重威脅著工人的身體健康，國(guó)家已經(jīng)明令禁止生產(chǎn)、銷售及使用。因此，萘粒無(wú)法 應(yīng)用于陶瓷結(jié)合劑超硬磨具的造孔中。碳粒和碳酸鈣等形狀稍好的材料主要用于850°C以上燒制工藝的陶瓷超硬磨具 中；當(dāng)燒制溫度低于800°C時(shí)，要用低溫分解的碳酸鹽，但低溫分解的碳酸鹽基本上都溶于 水，吸濕性強(qiáng)，粉末容易結(jié)塊，不好混勻，且其形成的過(guò)程要快，不便于生產(chǎn)，所以不適合精 密磨削用陶瓷超硬磨具造孔。Tatsuki 等人(Jian-Feng Yang, Guo. Jun Zhang, Nanoki Kondo Tatsuki Ohji, Acta Materialia 50，2002，4831-4840)用碳粉來(lái)制備Si3N4多孔陶瓷磨具，在Si3N4表面 生成GC納米粉體以及Si02。燒結(jié)后Si3N4多孔陶瓷氣孔率在50 60%，線性收縮率只有 2 3%，孔徑尺寸0. 1 1 μ m，雖然可以制備孔徑尺寸范圍較廣的多孔磨具，但制備的多孔 陶瓷尺寸是比較小的。又，Mitusui Engineering and Shipbuilding Co. Ltd(Jpn, Kokai Tokkyo Koho，JP59,156,952)用 60% 的 Y2O3 穩(wěn)定的 ZrO2 與 40% 的 Y2O3 混合，在 1150°C燒 結(jié)后，在30襯％的熱鹽酸中浸漬5小時(shí)，制成了多孔的&02陶瓷，但成本太高，不適用于工 業(yè)生產(chǎn)。Cm011155、JP2000-135683公開了在陶瓷粘結(jié)劑磨具的氣孔內(nèi)，含浸由具有在常溫 下為液狀的熱固化性。例如，不飽和聚酯、乙烯基酯以及烯丙基酯中的任意一種樹脂形成的
3進(jìn)行自由基聚合的樹脂由此提高磨具強(qiáng)度的方法，但是使用的是液態(tài)樹脂，且并沒有把其 作為造孔劑使用。CN1880022B公開了一種帶有氣孔的陶瓷結(jié)合劑磨具的制造方法，其先將 混合陶瓷結(jié)合劑材料、有機(jī)物結(jié)合劑材料、磨粒以及液體而形成流動(dòng)性磨粒，并使帶有氣孔 的由樹脂形成的海綿構(gòu)件含浸所述流動(dòng)性磨粒，從而構(gòu)成含浸海綿體，進(jìn)而使構(gòu)成含浸海 綿體的液體蒸發(fā)，同時(shí)使所述有機(jī)物結(jié)合劑材料固化；最后燒結(jié)，從而形成帶有氣孔的燒結(jié) 體。用到的同樣是液體樹脂，同時(shí)方法復(fù)雜。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)200810156439. 8公開了一 種“金剛石砂輪及其刀頭制造方法”，其原料混合料為把下述組分按體積百分比配成粉料， 體積百分比為20 40%酚醛樹脂、12. 5 25%金剛石、10 15% Fe2OUO 15% CeO2, 5 10% Al203、5 10% Cu粉，然后在粉料中加入粉料質(zhì)量20 50%的造孔劑，造孔劑的 質(zhì)量百分比組成為65 75%的NaHCO3,其余為(NH4)2C03。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種改進(jìn)的陶瓷結(jié)合劑 超硬磨具制備方法，即使用高分子樹脂球顆粒為造孔劑。本發(fā)明給出的技術(shù)解決方案是一種陶瓷結(jié)合劑超硬磨具的制備方法，將陶瓷結(jié)合劑、超硬磨料、填料、造孔劑混 合在一起制成干料，再加入臨時(shí)結(jié)合劑均勻地裝入成型模具中，在60 200MPa的壓力下成 型，然后經(jīng)過(guò)干燥、焙燒、表面處理、粘接、修型整形處理、檢測(cè)工序，制備出含有氣孔的陶瓷 結(jié)合劑超硬磨具，其中各組分的重量份數(shù)為超硬磨料40 75份，填料30 10份，陶瓷 結(jié)合劑30 15份，臨時(shí)結(jié)合劑為3 10份，所述造孔劑為高分子樹脂球顆粒，加入的重量 份數(shù)為5 15份；所述焙燒為階梯控溫?zé)?。所述高分子樹脂球顆粒為丙烯酸樹脂、聚酰亞胺樹脂或固體酚醛樹脂中的一種。所述的陶瓷結(jié)合劑為Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O系陶瓷結(jié)合劑中的一種，其燒制溫度范 圍為660 780°C。所述的超硬磨料為金剛石或立方氮化硼。所述填料為棕剛玉、白剛玉、綠色碳化硅或黑色碳化硅中的至少一種。所述的高分子樹脂球顆粒粒度為150 400目，圓度范圍為0. 85 1，分解溫度 300 450"C。所述的臨時(shí)結(jié)合劑為糊精液、水玻璃或液體石蠟中的至少一種。所述高分子樹脂顆粒造孔主要應(yīng)用于高效、高精密磨削用陶瓷超硬磨具，所述超 硬磨料的粒度為200 3000目。所述的階梯控溫?zé)品绞綖槌材ゾ咴诳諝庵须A梯控溫?zé)?，由兩段升溫和兩?保溫以及一段降溫過(guò)程組成升降溫速率為2 5°C /min,第一保溫階段在造孔劑分解溫度 范圍內(nèi)設(shè)定10 30分鐘的保溫時(shí)間，第二保溫階段在超硬磨具最高燒制溫度處保溫1 3h，然后以5 10°C /min的速率降到室溫。所述第二保溫階段的陶瓷超硬磨具燒成溫度為660 780V。所述的陶瓷超硬磨具內(nèi)孔為圓孔，孔徑為5 100 μ m。本發(fā)明所提及的超硬磨料、陶瓷結(jié)合劑、臨時(shí)結(jié)合劑都是本行業(yè)常用的原料，均可 以從市場(chǎng)上購(gòu)買到；而且高分子樹脂球顆粒也不難買到。硬磨具為高效、高精密磨削用陶瓷超硬磨具，這類 陶瓷超硬磨具加工效率和加工精度較普通磨料有巨大的提高，用于難加工材料的半精磨、 精磨和拋光加工，主要配套高端CNC數(shù)控機(jī)床使用，是近年來(lái)國(guó)家重點(diǎn)支持的國(guó)家重大專 項(xiàng)“高效高精數(shù)控機(jī)床”的配套產(chǎn)品。所述高效高精陶瓷超硬磨具的制作方法包括以下步驟1、原料準(zhǔn)備、稱料工序根據(jù)用戶的使用要求設(shè)計(jì)陶瓷超硬磨具的配方，分別用精密天平稱取陶瓷結(jié)合 劑、超硬磨料、填料和造孔劑，然后按照混料工藝將原料置于三維混料機(jī)中混合成型料，其 中結(jié)合劑是根據(jù)不用使用條件設(shè)計(jì)的低溫陶瓷結(jié)合劑，超硬磨料為金剛石或立方氮化硼 (CBN)，填料為棕剛玉㈧、白剛玉(WA)、綠色碳化硅(GC)、黑色碳化硅(C)等，造孔劑為高分 子樹脂球顆粒。2、混料工序?qū)⑴渲坪玫母闪?陶瓷結(jié)合劑+超硬磨料+填料+造孔劑)先初步混勻，然后加 入臨時(shí)結(jié)合劑進(jìn)行混勻。所用的臨時(shí)結(jié)合劑可以使用糊精、水玻璃、液體石蠟等原材料。上沭各個(gè)組分的含量和作用為超硬磨料40 75份，為金剛石或立方氮化硼，粒度為200-3000目，其中200目對(duì) 應(yīng)的約為80μπι，3000目對(duì)應(yīng)的約為5 μ m，這段粒度范圍為超硬磨具的半精磨和精磨(不 包括粗磨)所用磨料的范圍。這類超硬磨料耐磨性強(qiáng)，磨削性能好。耐熱性良好，在無(wú)氧化 條件下加熱1000°C無(wú)變化，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與酸堿物質(zhì)不起反應(yīng)。混合干料中超硬磨料為 40 75份，過(guò)高則使料混不開，出現(xiàn)結(jié)團(tuán)，使加工表面出現(xiàn)劃傷現(xiàn)象，同時(shí)切削效率降低； 過(guò)低則出現(xiàn)損耗過(guò)快，無(wú)法保證磨具的壽命。填料30 10份，為棕剛玉(A)、白剛玉(WA)、綠色碳化硅(GC)、黑色碳化硅(C) 等，填料硬度高，韌性較大，切削力強(qiáng)，但自銳性相對(duì)較低。適于磨削韌性較大的材料，粉料 中的剛玉含量一般為10 30%，過(guò)高則會(huì)降低切削能力，同時(shí)會(huì)造成劃傷，過(guò)低則起不到 骨架和輔助拋光的效果。陶瓷結(jié)合劑30 15份，為Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O系陶瓷結(jié)合劑中的一種，是適用于 超硬磨具制備的低溫陶瓷結(jié)合劑，DSC分析其燒制溫度為660-780°C。造孔劑5 15份；為高分子樹脂球顆粒，即丙烯酸樹脂、聚酰亞胺樹脂或固體酚醛 樹脂中的一種。該高分子樹脂球顆粒的粒度為150 400目，圓度為0. 85 1，分解溫度 300 450°C?？刹捎么既苄怨腆w丙烯酸樹脂，其有一定的強(qiáng)度，球形度較好便于混勻，分解 溫度和速度適中，分解后殘余成分少，粒度可以方便用粒度篩篩分開。本發(fā)明使用的醇溶性 固體丙烯酸樹脂，廠家給提供的資料外觀白色粉末，粒度< 80目。使用時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品造 孔的需要進(jìn)行篩分的，得到不同的粒度級(jí)別的顆粒以滿足生產(chǎn)需要。通過(guò)在混合干料中加入造孔劑，并通過(guò)后續(xù)的加熱使得造孔劑氣化，形成蜂窩狀 結(jié)構(gòu)，使得磨具中有氣孔，以提高磨具的自銳能力，并擴(kuò)大磨具的容屑空間，從而提高了這 類磨具的使用性能。造孔劑的加入量一般為5 15份，過(guò)高則會(huì)使結(jié)合劑的組織過(guò)于疏松， 沒有強(qiáng)度，使磨具的壽命降低，過(guò)低則會(huì)使結(jié)合劑組織過(guò)于密實(shí)，沒有足夠的孔洞，起不到 提高磨具的自銳能力，并擴(kuò)大磨具的容屑空間的作用。本造孔劑的分解溫度300 450°C， 在加溫的過(guò)程中逐漸分解，到450°C時(shí)揮發(fā)完，顆粒級(jí)配和加入填料相結(jié)合的造孔方式，磨
5具中各種粒度的粉料中間本身存在一定的空隙，添加造孔劑又能占據(jù)一定的空隙，當(dāng)造孔 劑揮發(fā)的時(shí)候空隙保留下來(lái)成為磨具中的氣孔?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)造孔劑的粒度和添加量來(lái)調(diào) 整氣孔的孔徑和孔徑分布，達(dá)到客戶要求的磨削使用條件，實(shí)現(xiàn)氣孔可調(diào)性。臨時(shí)結(jié)合劑為3 10份，為糊精、水玻璃、液體石蠟等原材料。磨具中磨料填料和 結(jié)合劑混在一塊是無(wú)法成型的，也就是說(shuō)常溫的時(shí)候陶瓷分之間沒有粘接力，通過(guò)加入臨 時(shí)結(jié)合劑來(lái)使磨具原料具有一定的成型性，其中糊精和石蠟最終都會(huì)燒掉，而水玻璃則同 磨具中結(jié)合劑反應(yīng)最終以_[NaO]-，-[Si02]-的形式留在磨具中。3、成型工序?qū)⒒旌玫脑暇鶆虻难b入模具中，在一定的壓力下成型、脫模得到陶瓷超硬磨具 節(jié)塊生坯。4、干燥工序磨具生坯壓制好以后，然后將生坯放空氣中晾干或置于80°C烘箱中烘干。5、燒制工序采用階梯控溫?zé)乒に嚐?，溫度控制? 5°C /min的升降溫速率，在造孔劑分 解的溫度段(即300 450°C )保溫10 30min，讓造孔劑充分的分解排出，以防止節(jié)塊開 裂；陶瓷超硬磨具燒成溫度660 780V ( 一般陶瓷磨具都能在一定的燒制范圍內(nèi)燒成，但 是具體選哪個(gè)溫度來(lái)保溫使其組織形成并均勻化要根據(jù)客戶的需要來(lái)定。)，在燒成溫度保 溫1 3h，以便于磨具內(nèi)部組織的形成與均勻化，然后以5 10°C /min的速率降到室溫。 升溫速率太快磨具會(huì)發(fā)生大的膨脹和收縮導(dǎo)致表面或內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，而造孔劑的分解溫度 以每批次的出廠說(shuō)明為準(zhǔn)，磨具的燒制溫度范圍以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。因此整個(gè)階梯控溫焙燒過(guò)程由兩段升溫和兩段保溫以及一段降溫過(guò)程組成，在造 孔劑分解溫度范圍有一段保溫，在磨具的燒制溫度范圍內(nèi)有一段保溫。6、粘接工序?qū)⒒w和陶瓷超硬磨具節(jié)塊表面清洗干凈，然后用高性能環(huán)氧樹脂膠黏劑粘結(jié)成 陶瓷超硬磨具。7、修整工序?qū)μ沾沙材ゾ哌M(jìn)行適當(dāng)?shù)男扌魏托掬J處理，達(dá)到客戶的使用公差條件。8、檢測(cè)工序通過(guò)檢測(cè)，將合格的磨具進(jìn)行打標(biāo)、包裝。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有造孔效果好、氣孔可調(diào)性好、新型環(huán)保、無(wú)毒無(wú)害、便 于使用及推廣的特點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 將陶瓷結(jié)合劑(過(guò)200目篩)20份，金剛石(20CV230目)60份，綠色碳化硅 (W63) 10份，高分子樹脂球(150 230目)12份，水玻璃5份，用精度(0. Olg)電子天平準(zhǔn)確 稱料，然后在三維混料機(jī)中混勻，SOMPa壓力下成型，將干燥后的磨具節(jié)塊生坯在井式爐中 燒制，節(jié)塊的燒成溫度為780V，然后將節(jié)塊表面處理干凈，用環(huán)氧樹脂膠黏劑粘結(jié)在鋁基 體上。經(jīng)修整修銳，動(dòng)平衡、離心實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)合格即得到陶瓷結(jié)合劑超硬磨具成品，符合客戶使用要求。其內(nèi)部氣孔為球形閉孔，孔徑主要分布在60 IOOym之間，氣孔率為37. 12%, 產(chǎn)品主要用于磨削硬質(zhì)合金。實(shí)施例2 將陶瓷結(jié)合劑(過(guò)200目篩)25份，金剛石(W40) 55份，綠色碳化硅(W14) 17份， 高分子樹脂球(230 270目)9份，水玻璃5份，用精度(0. Olg)電子天平準(zhǔn)確稱料，然后 在三維混料機(jī)中混勻，IOOMPa壓力下成型，將干燥后的磨具節(jié)塊生坯在井式爐中燒制，節(jié)塊 的燒成溫度為760°C，然后將節(jié)塊表面處理干凈，用環(huán)氧樹脂膠黏劑粘結(jié)在鋁基體上。經(jīng)修 整修銳，動(dòng)平衡、離心實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)合格即得到陶瓷結(jié)合劑超硬磨具成品，符合客戶使用要求。 其內(nèi)部氣孔為球形閉孔，孔徑主要分布在40 80 μ m之間，氣孔率為35. 01 %，產(chǎn)品主要用 于P⑶/PCBN刀具的半精磨加工。實(shí)施例3 將陶瓷結(jié)合劑(過(guò)200目篩)28份，CBN (W20) 60份，棕剛玉(W5) 12份，高分子樹 脂球(270 400目)8份，水玻璃5份，用精度(O.Olg)電子天平準(zhǔn)確稱料，然后在三維混 料機(jī)中混勻，120MPa壓力下成型，將干燥后的磨具節(jié)塊生坯在井式爐中燒制，節(jié)塊的燒成溫 度為740°C，然后將節(jié)塊表面處理干凈，用環(huán)氧樹脂膠黏劑粘結(jié)在帶螺紋的鋼基體上。經(jīng)修 整修銳，檢測(cè)合格即得到陶瓷結(jié)合劑超硬磨具成品，符合客戶使用要求。其內(nèi)部氣孔為球形 閉孔，孔徑主要分布在30 70 μ m之間，氣孔率為34. 34%，產(chǎn)品主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴內(nèi) 孔精密磨削加工。
權(quán)利要求
一種陶瓷結(jié)合劑超硬磨具的制備方法，將陶瓷結(jié)合劑、超硬磨料、填料、造孔劑混合在一起制成干料，再加入臨時(shí)結(jié)合劑均勻地裝入成型模具中，在60～200MPa的壓力下成型，然后經(jīng)過(guò)干燥、焙燒、表面處理、粘接、修型整形處理、檢測(cè)工序，制備出含有氣孔的陶瓷結(jié)合劑超硬磨具，其特征在于各組分的重量份數(shù)為超硬磨料40～75份，填料30～10份，陶瓷結(jié)合劑30～15份，臨時(shí)結(jié)合劑為3～10份，所述造孔劑為高分子樹脂球顆粒，加入的重量份數(shù)為5～15份；所述焙燒為階梯控溫?zé)啤?br> 2.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述高分子樹脂球顆粒為丙烯酸樹 脂、聚酰亞胺樹脂或固體酚醛樹脂中的一種。
3.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的陶瓷結(jié)合劑為 Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O系陶瓷結(jié)合劑中的一種，其燒制溫度范圍為660 780°C。
4.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的超硬磨料為金剛石或立方氮 化硼。
5.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述填料為棕剛玉、白剛玉、綠色碳 化硅或黑色碳化硅中的至少一種。
6.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的高分子樹脂球顆粒粒度為 150 400目，圓度范圍為0.85 1，分解溫度300 450°C。
7.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的臨時(shí)結(jié)合劑為糊精液、水玻璃 或液體石蠟中的至少一種。
8.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述高分子樹脂顆粒造孔主要應(yīng)用 于高效、高精密磨削用陶瓷超硬磨具，所述超硬磨料的粒度為200 3000目。
9.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的階梯控溫?zé)品绞綖槌材?具在空氣中階梯控溫?zé)?，由兩段升溫和兩段保溫以及一段降溫過(guò)程組成升降溫速率為 2 5°C /min，第一保溫階段在造孔劑分解溫度范圍內(nèi)設(shè)定10 30分鐘的保溫時(shí)間，第二 保溫階段在超硬磨具最高燒制溫度處保溫1 3h，然后以5 10°C /min的速率降到室溫。
10.按照權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于所述第二保溫階段的陶瓷超硬磨具 燒成溫度為660 780°C。
11.按照權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于所述的陶瓷超硬磨具內(nèi)孔為圓孔， 孔徑為5 100 μ m。
12.按照權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述丙烯酸樹脂為醇溶性固體丙烯 酸樹脂。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陶瓷結(jié)合劑超硬磨具的制備方法，將陶瓷結(jié)合劑、超硬磨料(金剛石和立方氮化硼)、填料(剛玉和碳化硅等普通磨料)、造孔劑混合，再加入臨時(shí)結(jié)合劑均勻裝入成型模具中，在60～200MPa的壓力下成型，經(jīng)過(guò)干燥、焙燒、表面處理、粘接、修型整形處理、檢測(cè)工序，制備出含氣孔的陶瓷超硬磨具，其各組分的重量份數(shù)為超硬磨料40～75份，填料30～10份，陶瓷結(jié)合劑30～15份，臨時(shí)結(jié)合劑為3～10份，造孔劑5～15份，所述造孔劑為高分子樹脂球顆粒(丙烯酸樹脂、聚酰亞胺樹脂或固體酚醛樹脂中的一種)；所述焙燒為階梯控溫?zé)啤１景l(fā)明造孔效果好、氣孔可調(diào)性好、新型環(huán)保、無(wú)毒無(wú)害、便于使用和推廣。
文檔編號(hào)B24D18/00GK101913122SQ20101023243
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者劉一波, 劉偉, 葉宗春, 徐曉偉, 楊德濤, 趙剛, 陳哲, 黃盛林 申請(qǐng)人:安泰科技股份有限公司;北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司