超硬材料制品用添加劑原料組合物，添加劑及其制備方法，復(fù)合結(jié)合劑及超硬材料制品的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超硬材料制品用添加劑原料組合物，添加劑及其制備方法，復(fù)合結(jié)合劑及超硬材料制品。該原料組合物由以下質(zhì)量百分比的組分組成：Bi2O3 25％～40％、B2O325％～40％、ZnO 5％～25％、SiO2 2％～10％、Al2O3 2％～10％、Na2CO3 1％～5％、Li2CO31％～5％、MgCO3 0～5％、CaF2 1％～5％。采用該原料組合物制成的添加劑具有微晶結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度大于200MPa，耐火度低于500℃，遠(yuǎn)低于金屬結(jié)合劑超硬材料制品的燒結(jié)溫度，燒結(jié)后在骨架顆粒間分散均勻、組織細(xì)膩，對制品整體強(qiáng)度影響較小，能顯著提高金屬結(jié)合劑超硬材料制品的磨削效率和使用壽命。
【專利說明】
超硬材料制品用添加劑原料組合物，添加劑及其制備方法，復(fù) 合結(jié)合劑及超硬材料制品
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于超硬材料制品技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超硬材料制品用添加劑原料組 合物，同時還涉及一種采用該添加劑原料組合物制成的超硬材料制品用添加劑及其制備方 法，還涉及含有該添加劑的復(fù)合結(jié)合劑及采用該復(fù)合結(jié)合劑的砂輪。
【背景技術(shù)】
[0002] 超硬材料主要是指金剛石和立方氮化硼，其硬度都遠(yuǎn)高于其它材料的硬度。超硬 材料及制品是國家重點(diǎn)支持的新興產(chǎn)業(yè)，"十二五"國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中指出： 要大力發(fā)展新型功能材料，積極發(fā)展尚純石墨、人工晶體、超硬材料及制品。超硬材料制品 按照結(jié)合劑類型的不同主要有:金屬結(jié)合劑超硬材料制品、陶瓷結(jié)合劑超硬材料制品、樹脂 結(jié)合劑超硬材料制品和電鍍金屬結(jié)合劑超硬材料制品等。
[0003] 金屬結(jié)合劑超硬材料制品作為超硬材料制品最主要類型之一，具有對磨料把持力 強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐磨性好、工作面形狀保持性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石材、玻璃、陶 瓷、人工晶體等無機(jī)非金屬硬脆材料的切、磨及成型磨加工。但是金屬結(jié)合劑金剛石制品存 在自銳性差，易堵塞，磨削效率低等問題，限制了其應(yīng)用與發(fā)展。
[0004] 針對金屬結(jié)合劑超硬材料制品存在的問題，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究與嘗試，主 要是添加石墨、陶瓷、氧化鐵等瘠性材料作為添加劑。但是，這些添加劑如果添加量過多，會 嚴(yán)重降低磨料層的強(qiáng)度和結(jié)合劑對磨料的把持力，導(dǎo)致壽命大幅度降低，并極易產(chǎn)生劃傷； 如果加入量過少，對磨削性能和磨削效率的提升作用不明顯。
[0005] 如現(xiàn)有技術(shù)中，CN1326663C公開了一種可在線電解的金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪， 磨料為金剛石與CBN的一種或者兩種，結(jié)合劑主要成分的質(zhì)量百分比:60-80%的鐵粉、銅粉 5%-15%，5-20%的金屬添加劑和3-5%的石墨、四氧化三鐵粉末一種或者兩種配制成的非 金屬添加劑，采用冷壓燒結(jié)的方法制作可在線電解的金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪。該超硬磨 料砂輪采用石墨、四氧化三鐵中的一種或兩種作為非金屬添加劑，粘合作用小，本身強(qiáng)度較 小，與金屬結(jié)合劑的強(qiáng)度差距大，不利于保持磨料層的強(qiáng)度及對磨料的把持力。
[0006] CN103831740A公開了一種用于制備金剛石砂輪的金屬陶瓷復(fù)合結(jié)合劑，由以下重 量比的原料組成:663青銅粉60-80%、陶瓷粉20-40%，所述陶瓷粉由以下重量比的原料混 合熔煉制得:二氧化硅45-60 %、氧化硼20-30 %、氧化鉀10-15 %、氧化鎂5-10 %、氧化鈣2-5%。將制備陶瓷粉的原料混合球磨后過篩制得混合粉末，再將混合粉末于1700°C熔煉3h， 急冷得到微晶玻璃塊體，球磨破碎過325目標(biāo)準(zhǔn)篩，制得陶瓷粉。將663青銅粉與陶瓷粉球磨 后靜置得金屬陶瓷復(fù)合結(jié)合劑;將該復(fù)合結(jié)合劑與金剛石磨料球磨混合后加入造孔劑，得 砂輪混合料;將砂輪混合料置于模具中冷壓制得坯體后再進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，得到復(fù)合結(jié) 合劑砂輪。該復(fù)合結(jié)合劑砂輪采用陶瓷粉與青銅粉制成復(fù)合結(jié)合劑，但是該陶瓷粉的耐火 度較高，需要在1700 °C進(jìn)行熔煉，且高于砂輪的燒結(jié)溫度，在燒結(jié)過程中不容易分散均勻， 對砂輪磨削效率和使用壽命的提高有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種超硬材料制品用添加劑原料組合物，制得的添加劑與金 屬結(jié)合劑強(qiáng)度差距小，耐火度低，能顯著提高金屬結(jié)合劑超硬材料制品的磨削效率和使用 壽命。
[0008] 本發(fā)明的目的還在于提供一種采用上述添加劑原料組合物制成的超硬材料制品 用添加劑及其制備方法，及含有該添加劑的復(fù)合結(jié)合劑和采用該復(fù)合結(jié)合劑的超硬材料制 品。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0010] 超硬材料制品用添加劑原料組合物，由以下質(zhì)量百分比的組分組成： Bi2O;; 25% ~40%、 B2O3 25% ~40%、 ZnO 5%-25%.. SiO2 2% ~10%、
[0011] AI2O3 2% ~10%、 Na2CO;, 1% ~5%、 Li2CCb 丨％~5%、 MgCO:, 0-5%, CaF： 丨％~5%〇
[0012] 上述原料組合物中，各原料的純度均為分析純。
[0013] 超硬材料制品用添加劑，由以下質(zhì)量百分比的原料制成： Bi2O;, 25% ~40%、 B2Oi 25% ~40%、
[0014] ZnO 5% ~25%、 SiO2 2%-10%, Al2O, 2%-10%, Na2CO3 1%~5%、 Li2CCb 1%~5%、
[0015] MgCO：, (卜 5%、 CaF2 丨％~5%,
[0016] 所述添加劑的粒度D90〈200nm。
[0017]上述的添加劑的制備方法，包括下列步驟：
[0018] 1)取配方量的祀203』203、2110、310 2、厶1203、恥2〇)3、1^ 2〇)3、]\%〇)3混合，升溫至1200 ~1400 °C并保溫1~3h，得混合物；
[0019] 2)將步驟1)所得混合物降溫至850~950°C，加入配方量的〇8陽混合，保溫1~2h， 得燒結(jié)物；
[0020] 3)將步驟2)所得燒結(jié)物急冷，后粉碎至粒度D90〈200nm，即得。
[0021] 步驟1)中，所述升溫的速率為8~12°C/min。將混合后的原料放入石英坩堝中，置 于高溫電阻爐中進(jìn)行加熱。
[0022] 步驟2)中，所述降溫的速率為4~6°C/min。
[0023]步驟3)中，所述急冷是指將所得燒結(jié)物置于水中急冷，得塊狀物料。所述的水優(yōu)選 室溫的水。
[0024]所述粉碎是指將所得塊狀物料與乙醇混合進(jìn)行球磨。將塊狀物料連同乙醇裝入球 磨罐中在高能球磨機(jī)上球磨；球磨至所得粉料的粒度D90〈200nm;優(yōu)選的，球磨的時間為40 ~60h。優(yōu)選的，物料與乙醇的體積比為1:3。
[0025] 復(fù)合結(jié)合劑，由金屬結(jié)合劑與上述的添加劑組成。所述添加劑在復(fù)合結(jié)合劑中的 質(zhì)量百分含量不超過30%。優(yōu)選的，所述添加劑在復(fù)合結(jié)合劑中的質(zhì)量百分含量為1.1%~ 30% 〇
[0026] 所述金屬結(jié)合劑為青銅結(jié)合劑或Co基結(jié)合劑。
[0027] 采用上述復(fù)合結(jié)合劑的超硬材料制品;所述超硬材料制品為砂輪。該砂輪中，添加 劑的質(zhì)量為砂輪原料總質(zhì)量的1%~10%。所述砂輪原料包括復(fù)合結(jié)合劑和磨料。優(yōu)選的， 所述磨料為金剛石磨料。
[0028] 本發(fā)明的超硬材料制品用添加劑原料組合物，采用Bi2〇3、B2〇 3、ZnO、Si〇2、Al2〇3、 Na2C〇3、Li2C〇3、MgC〇3與CaF2復(fù)配，各組分相互協(xié)調(diào)，配合作用；采用該原料組合物制成的添 加劑，具有微晶結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度大于200MPa，與金屬結(jié)合劑的強(qiáng)度差距較小，不會大幅度降低 金屬結(jié)合劑超硬材料制品的強(qiáng)度;該添加劑的耐火度低于500°C，遠(yuǎn)低于金屬結(jié)合劑超硬材 料制品的燒結(jié)溫度，金屬結(jié)合劑超硬材料制品在燒結(jié)時添加劑處于熔融狀態(tài)，燒結(jié)后在骨 架顆粒間呈放射狀分布;添加劑粒度達(dá)到亞微米級，在制品中分散均勻、組織細(xì)膩，對制品 整體強(qiáng)度影響較小，能顯著提高金屬結(jié)合劑超硬材料制品的磨削效率和使用壽命。
[0029] 本發(fā)明的超硬材料制品用添加劑的制備方法，是將Bi2〇3、B2〇 3、ZnO、Si02、Al2〇3、 Na2C03、Li2C03、MgC03混合熔煉后，降溫再加入CaF 2保溫后急冷、粉碎制成的；所得添加劑具 有微晶結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，耐火度低，粒徑小;該制備方法工藝簡單，操作方便，適合大規(guī)模工業(yè) 化生產(chǎn)。
[0030] 所述添加劑在復(fù)合結(jié)合劑中呈均勻的亞微米級彌散放射分布，添加劑與金屬結(jié)合 劑復(fù)配成復(fù)合結(jié)合劑，采用該復(fù)合結(jié)合劑的超硬材料制品，對金屬結(jié)合劑的強(qiáng)度影響較小， 提尚了制品的鋒利度和使用壽命，提尚了制品的磨削性能。
【附圖說明】
[0031] 圖1為實(shí)施例1所得超硬材料制品用添加劑的粒度分布圖；
[0032] 圖2為實(shí)施例1所得添加劑在復(fù)合結(jié)合劑中的分布示意圖；其中，1-骨架材料，2-添 加劑。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
【具體實(shí)施方式】 [0034] 中，原料組合物中所用原料均為分析純。
[0035] 實(shí)施例1
[0036] 本實(shí)施例的超硬材料制品用添加劑原料組合物，由以下質(zhì)量百分比的組分組成： Bi2O;, 35%、 B2O3 35%、 ZnO 10%、 SiO2 3%、
[0037] AI2O3 3%、： Na2COa 2%、 Li2COi 4%, MgCO-, 2%、 ChF2 4% 〇
[0038] 本實(shí)施例的超硬材料制品用添加劑，是由上述原料組合物制成的，制備方法包括 下列步驟：
[0039] 1)取配方量的祀2〇3』2〇 3、211〇、3102^12〇3、恥20) 3、1^20)3、]\%0)3混合均勻后，放入 石英坩堝中，置于高溫電阻爐中，以l〇°C/min的加熱至1250Γ并保溫2h，得混合物；
[0040] 2)將步驟1)所得混合物以5°C/min的速率降溫至850°C，加入配方量的CaF2并攪拌 混合，保溫2h，得燒結(jié)物；
[0041 ] 3)將步驟2)所得燒結(jié)物倒入冷水中急冷，得塊狀物料;按照物料與乙醇的體積比 為1:3比例，將得到的塊狀物料連同乙醇裝入球磨罐中在高能球磨機(jī)上球磨60h，得到粒度 D90〈200nm的粉料(采用激光粒度儀對粉料進(jìn)行粒度檢測，粒度分布如圖1所示），即為所述 添加劑。
[0042]本實(shí)施例的復(fù)合結(jié)合劑，由金屬結(jié)合劑與上述的添加劑組成。添加劑在復(fù)合結(jié)合 劑中的質(zhì)量百分含量為10%。其中所述金屬結(jié)合劑為青銅結(jié)合劑，由以下質(zhì)量百分比的組 分組成:Cu粉71 %、Sn粉21 %、Co粉7%、Ni粉1 %。
[0043]本實(shí)施例的砂輪，是將上述的復(fù)合結(jié)合劑與金剛石磨料混勻后，經(jīng)150MPa壓制成 坯料后裝入相應(yīng)的模具中經(jīng)580°C燒結(jié)制成。添加劑的質(zhì)量為砂輪原料(復(fù)合結(jié)合劑與金剛 石磨料)總質(zhì)量的8 %。
[0044] 圖2為添加劑在復(fù)合結(jié)合劑中的分布示意圖。從圖2可以看出，添加劑在復(fù)合結(jié)合 劑中呈均勻的亞微米級彌散放射分布，添加劑在超硬材料制品中的分布也是一致的。其中， 骨架材料是指金屬結(jié)合劑中的難熔組分，是復(fù)合結(jié)合劑的一部分。
[0045] 將實(shí)施例1所得砂輪用于硬質(zhì)合金的磨削，其磨削效果如表1所示。其中，對比例1 為青銅結(jié)合劑金剛石砂輪，不含添加劑，其余同實(shí)施例1。
[0046] 表1實(shí)施例1所得砂輪的磨削效果對比表

[0048] 實(shí)施例2
[0049] 本實(shí)施例的超硬材料制品用添加劑原料組合物，由以下質(zhì)量百分比的組分組成： Bi：0；i 30%、
[0050] B2O3 40%, ZnO K)%、 SiO2 5%、 AI2O3 3%、
[0051 ] Na?.C〇-; 4% ^ Li2CO3 4%、 CaF2 4%,
[0052]本實(shí)施例的超硬材料制品用添加劑，是由上述原料組合物制成的，制備方法包括 下列步驟：
[0053] 1)取配方量的祀2〇3』2〇3、211〇、3丨0 2^12〇3、恥20)3、1^ 20)3混合均勻后，放入石英坩 堝中，置于高溫電阻爐中，以l〇°C/min的加熱至1300°C并保溫lh，得混合物；
[0054] 2)將步驟1)所得混合物以5°C/min的速率降溫至850°C，加入配方量的CaF2并攪拌 混合，保溫2h，得燒結(jié)物；
[0055] 3)將步驟2)所得燒結(jié)物倒入冷水中急冷，得塊狀物料;按照物料與乙醇的體積比 為1:3比例，將得到的塊狀物料連同乙醇裝入球磨罐中在高能球磨機(jī)上球磨50h，得到粒度 D90〈200nm的粉料(采用激光粒度儀對粉料進(jìn)行粒度檢測），即為所述添加劑。
[0056] 本實(shí)施例的復(fù)合結(jié)合劑，由金屬結(jié)合劑與上述的添加劑組成。添加劑在復(fù)合結(jié)合 劑中的質(zhì)量百分含量為3.8%。其中所述金屬結(jié)合劑為Co基結(jié)合劑，由以下質(zhì)量百分比的組 分組成：Co 64%、Cu 21%、Sn 10%、WC 5%。
[0057] 本實(shí)施例的砂輪，是將上述的復(fù)合結(jié)合劑與金剛石磨料混勻后，經(jīng)200MPa壓制成 坯料后裝入相應(yīng)的模具中經(jīng)620°C燒結(jié)制成。添加劑的質(zhì)量為砂輪原料(復(fù)合結(jié)合劑與金剛 石磨料)總質(zhì)量的3 %。
[0058] 將實(shí)施例2所得砂輪用于鐵基粉末冶金工件的磨削，為流水線作業(yè)，其磨削效果如 表2所示。其中，對比例2為Co基結(jié)合劑金剛石砂輪，不含添加劑，其余同實(shí)施例2。
[0059] 表2實(shí)施例2所得砂輪的磨削效果對比表
L 〇〇61 J 買施例3-6的超使材科制品用添加刑原科組合物的組成如表3所不。
[0062]表3實(shí)施例3-6的超硬材料制品用添加劑原料組合物的組成(質(zhì)量百分比）
[0065] 實(shí)施例3-6的超硬材料制品用添加劑是分別采用上述的原料組合物制成的，制備 方法的技術(shù)參數(shù)如表4所示，其余同實(shí)施例1。
[0066] 表4實(shí)施例3-6的超硬材料制品用添加劑的制備方法參數(shù)表
[0068]實(shí)施例3-6的復(fù)合結(jié)合劑是分別采用的上述的添加劑與金屬結(jié)合劑組成的，其余 同實(shí)施例1。實(shí)施例3-6的砂輪是分別采用上述的復(fù)合結(jié)合劑與金剛石磨料制成的，其余同 實(shí)施例1。
[0069]對實(shí)施例3-6的砂輪的磨削效果進(jìn)行檢測，結(jié)果如表5所示。
[0070]表5實(shí)施例3-6所得砂輪的磨削效果檢測結(jié)果

[0073]從表5可以看出，采用本發(fā)明的添加劑的砂輪制品，在基本保持原有強(qiáng)度的基礎(chǔ) 上，提1? 了制品的鋒利度和使用壽命，提1? 了制品的磨削性能D
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 超硬材料制品用添加劑原料組合物，其特征在于：由以下質(zhì)量百分比的組分組成： Bi20；, 25%-40%, B?03 25% ~40%、 ZnO 5% ~25%、 SiO, 2% -10%, A120；, 2% ~i0%、 Na2C03 丨％~5%、 Li：CO, 丨 V~5%、 MgCO^ 0-5%, CaF： 1%~5%'.2. 超硬材料制品用添加劑，其特征在于：由以下質(zhì)量百分比的原料制成： Bi：0, 25% ~40〇/?、 B:>(>, 25% ~40%、 ZnO 5% ~25%、 SiO： 2%~10%、 Al20；5 2% ~10%、 NaaCOg 1% ~.5%.、 Li；CO-, 1% ~5%、 MgC03 0 -5%, CaF2 1%~50/〇〇3. 如權(quán)利要求2所述的添加劑的制備方法，其特征在于:包括下列步驟： 1) 取配方量的別203、8203、2110、310 2^1203、他：^03、1^2〇) 3、]\^〇)3混合，升溫至1200~ 1400 °C并保溫1~3h，得混合物； 2) 將步驟1)所得混合物降溫至850~950°C，加入配方量的CaF2混合，保溫1~2h，得燒結(jié) 物； 3) 將步驟2)所得燒結(jié)物急冷，后粉碎至粒度D90〈200nm，即得。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的添加劑的制備方法，其特征在于：步驟1)中，所述升溫的速率 為8~12 °C/min。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的添加劑的制備方法，其特征在于：步驟2)中，所述降溫的速率 為4 ~6°C/min。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的添加劑的制備方法，其特征在于：步驟3)中，所述急冷是指將 所得燒結(jié)物置于水中急冷，得塊狀物料。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的添加劑的制備方法，其特征在于:所述粉碎是指將所得塊狀物 料與乙醇混合進(jìn)行球磨。8. 復(fù)合結(jié)合劑，其特征在于：由金屬結(jié)合劑與權(quán)利要求3所述的添加劑組成。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的復(fù)合結(jié)合劑，其特征在于:所述金屬結(jié)合劑為青銅結(jié)合劑或Co 基結(jié)合劑。10. 采用如權(quán)利要求8或9的復(fù)合結(jié)合劑的超硬材料制品。
【文檔編號】B24D3/04GK106041759SQ201610395467
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】韓欣, 牛俊凱, 閆寧, 邢波
【申請人】鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司