CN102152248A - 一种陶瓷-金属结合剂金刚石磨具及其制备方法 - Google Patents

一种陶瓷-金属结合剂金刚石磨具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷-金属结合剂金刚石磨具及其制备方法，所述的制备方法为：先按照以下组分及重量比例准备物料并球磨制得金属-陶瓷结合剂：SiO2 40-50％、Al2O3 8-15％、B2O3 12-20％、Li2O 3-6％、Na2O 6-12％、K2O 3-6％、ZnO 2-8％、Ti 1-10％、Al 1-5％；再将金属-陶瓷结合剂与金刚石磨料混合，得到混合料，然后，往混合料中再加入质量百分比为3-5％润湿剂，得到磨具原料；最后将磨具原料依次进行热压成型和冷却脱模，即制得陶瓷-金属结合剂金刚石磨具。本发明的制得的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具兼具金属结合剂金刚石磨具和陶瓷结合剂磨具的优点。

Description

一种陶瓷-金属结合剂金刚石磨具及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷-金属结合剂金刚石磨具及其制备方法。
背景技术
金刚石磨具广泛应用于工程陶瓷材料，晶体材料，半导体材料，硬质合金材料以及复合材料的加工。目前在高精密磨削领域，国内主要采用金属结合剂金刚石磨具，该类磨具虽然具有结合力强，磨削寿命长，形状保持性好等特点，但由于粘性过大，易阻塞，自锐性差，不易修整等缺点，在加工时常常造成工件烧伤以及加工效率不高等问题。国外主要采用陶瓷结合剂磨具，陶瓷结合剂金刚石磨具在磨削精度、磨削效率上比金属结合剂金刚石磨具有很大的优势，但是由于陶瓷结合剂材料的脆性大，对金刚石的润湿性差等原因，陶瓷结合剂金刚石磨具的使用寿命一直不理想。另外，由于陶瓷结合剂本身不导电的特点，无法使用金属结合剂金刚石磨具常用的热压烧结工艺，而能使只用冷压烧结，此生产工艺复杂，生产周期长，产品很难满足市场要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种陶瓷-金属结合剂金刚石磨具及其制备方法，本发明的制得的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具兼具金属结合剂金刚石磨具和陶瓷结合剂磨具的优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种陶瓷-金属结合剂金刚石磨具的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按照以下组分及重量比例准备物料并球磨制得金属-陶瓷结合剂：SiO2 40-50％、Al2O3 8-15％、B2O3 12-20％、Li2O 3-6％、Na2O 6-12％、K2O 3-6％、ZnO 2-8％、Ti 1-10％、Al 1-5％；
步骤2：将步骤1所得的金属-陶瓷结合剂与金刚石磨料混合，得到混合料，混合料中金刚石磨料占混合料总重量的70-77％，陶瓷-金属结合剂23-30％；
步骤3：往混合料中再加入质量百分比为3-5％的质量浓度为8-12％的甲基纤维素水溶液或加质量百分比为3-5％的质量浓度为2-4％聚乙烯醇水溶液，并混合，得到磨具原料；
步骤4：将步骤3所得到的磨具原料依次进行热压成型和冷却脱模，即制得陶瓷-金属结合剂金刚石磨具。
步骤3的具体步骤为：
将混合后的磨具原料加入模具中，在热压机上在780-850℃条件下烧结，烧结同时在2-3KN/cm2压力条件下成型，保温保压5-10min，然后停止加热，自然冷却后脱模，即得到陶瓷-金属结合剂金刚石磨具。
升温速度为80-120℃/min，加压速度为0.2-0.4KN/min，加压和加温同时进行。
Ti粉和Al粉的粒度均为≤20μm；金刚石磨料的粒度为120-150μm。
步骤1中，球磨之后将球磨后的物料通过200目筛网。
一种所述的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具，采用前述的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具的制备方法制得。
有益效果：
本发明的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具及其制备方法，创造性地将陶瓷与金属原料相结合，即在原陶瓷结合剂中加入金属粉末，经球磨混合后制成陶瓷-金属结合剂，所得陶瓷-金属结合剂和金刚石按照一定比例混合后，装入石墨磨具中进行热压烧结而成。Al与ti同时加入陶瓷结合剂中间，能提高了结合剂的韧性和强度，从而改善磨具的使用性能。其中Al与Ti在热压条件下部分生成了TiAl3和TiAl两类质点较硬的金属间化合物，其分布于陶瓷结合剂中，起到弥散强化作用，能提高陶瓷-金属结合剂的强度和硬度(参见图1)。其次，Al与Ti在金刚石表面生成AlTi3C，实现陶瓷-金属结合剂与金刚石的化学结合，改善陶瓷-金属结合剂与金刚石之间的润湿性，使结合剂对金刚石包裹的更加完整，如图2所示(图2中看不到明显的裸露的金刚石颗粒，说明金刚石完全被结合剂包裹，且流动性较好)从而提高了陶瓷-金属结合剂对金刚石的把持力。
主要优点如下：
1.陶瓷-金属结合剂金刚石磨具中结合剂的主要成分为高强度、低熔点陶瓷，保留陶瓷磨具中磨削力小、生产效率高、使用寿命长、易于整形与修锐、磨削精度高的优点。
2.结合剂中加入的强碳化合物形成元素Ti对金刚石的亲和能力很强，在高温下容易与金刚石表面生成TiC物质，从而改善陶瓷-金属结合剂对金刚石的润湿性，提高了结合剂对金刚石磨料的把持力，进而达到延长磨具使用寿命的目的。
3.陶瓷-金属结合剂中低熔点金属Al的引入在热压条件下会部分和Ti发生反应生成金属间化合物，剩余未反应Al分散在结合剂当中从而提高了金刚石磨具的强韧性，进而大幅提高磨具的加工精度。
4.陶瓷结合剂中加入了可导电的金属材料，使陶瓷结合剂金刚石磨具可采用热压烧结完成，从而缩短了生产周期，提高了生产效率。
5.由于磨具强度和韧性的提高，使其在超高精密磨削中有很好的使用性能。
因此，本发明的制得的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具具有磨削效率高，形状保持性好，易于修整的特点，同时其使用寿命比陶瓷结合剂金刚石砂轮有大幅度提高，寿命接近或达到金属结合剂磨具水平，且加工精度有大幅度提高。
附图说明
图1添加金属Ti、Al后结合剂显微结构电子扫描图；
图2金刚石磨具烧结后断面显微结构电子扫描图；
图3磨具制备工艺流程图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1
本实例的具体流程如图3所示.
表一：陶瓷-金属结合剂组分及配料比例
  组分   SiO2   Al2O3   B2O3   Li2O   Na2O   K2O   ZnO   Ti   Al
  wt％   44   9   19   6   7   3   5   5   2
采用分析纯SiO2、Al2O3、HBO3、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3和ZnO为原料，按照上表配方计算、称量、混合均匀，装入坩埚中在高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h，待原料完全熔融后水淬，然后在球磨机上湿磨(1000r/min)24h，将湿磨后的浆料在100℃烘箱中干燥12h、再经干磨4h后过200目筛网制成基础陶瓷结合剂。
向基础陶瓷结合剂中添加配方设计的Ti粉(粒度≤20μm)和Al粉(粒度≤20μm)，并通过球磨(50r/min)2h混合均匀，得到陶瓷-金属结合剂。
将配置好的陶瓷-金属结合剂与金刚石磨料(粒度：120-150μm)按照重量百分比26％：74％经球磨(50r/min)1h混合均匀，另加3.2％的浓度为10％的甲基纤维素水溶液后再经球磨(50r/min)1h混合均匀。【另加的润湿剂比例为质量比例，是以金刚石+陶瓷-金属结合剂为基准，其他实施例也相同】
将混合均匀的粉末装入石墨磨具中，在SM80热压烧结机上进行烧结，以100℃/min升温速度加热到780℃条件下烧结，烧结同时以0.26KN/min的加压速度使模具两端压力达到2.2KN/cm2成型，保温保压7min，，停止加热模具自然冷却，获得陶瓷-金属金刚石磨具。磨具特点：使用本实施例制作的磨具磨削加工材质为YG8硬质合金工件，寿命是原陶瓷结合剂金刚石磨具的1.5倍，磨削比提高16.3％，且易修整。
实施例2
表二：陶瓷-金属结合剂组分及配料比例
  组分   SiO2   Al2O3   B2O3   Li2O   Na2O   K2O   ZnO   Ti   Al
  wt％   48   12   12   3   8   4   2   8   3
采用分析纯SiO2、Al2O3、HBO3、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3和ZnO为原料，按照上述配方计算、称量、混合均匀，装入坩埚中在高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h，待原料完全熔融后水淬，然后在球磨机上湿磨(1000r/min)24h，将湿磨后的浆料在100℃烘箱中干燥12h、再经干磨4h后过200目筛网制成基础陶瓷结合剂。
向基础陶瓷结合剂中添加配方设计的Ti粉(粒度≤20μm)和Al粉(粒度≤20μm)，并通过球磨(50r/min)2h混合均匀，得到陶瓷-金属结合剂。
将配置好的陶瓷-金属结合剂与金刚石磨料(粒度：120-150μm)按照重量百分比23％：77％经球磨(50r/min)1h混合均匀，另加3.6％的浓度为10％的甲基纤维素水溶液后再经球磨(50r/min)1h混合均匀。
将混合均匀的粉末装入石墨磨具中，在SM80烧结机上进行烧结，以100℃/min升温速度加热到830℃条件下烧结，烧结同时以0.3KN/min的加压速度使模具两端压力达到2.5KN/cm2成型，保温保压5min，，停止加热，模具自然冷却，获得陶瓷-金属金刚石磨具。
磨具特点：使用本实施例制作的磨具磨削加工材质为YG8硬质合金工件，寿命是原陶瓷结合剂金刚石磨具的1.42倍，磨削效率提高18.4％，加工工件粗糙度值Ra由0.36μm提高到0.31μm，硬质合金几乎无烧伤情况。加工精度高，对工件热损伤少，使用寿命长。
实施例3
表三：陶瓷-金属结合剂组分及配料比例
  组分   SiO2   Al2O3   B2O3   Li2O   Na2O   K2O   ZnO   Ti   Al
  wt％   41   8   18   6   9   6   3   6   3
采用分析纯SiO2、Al2O3、HBO3、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3和ZnO为原料，按照上述配方计算、称量、混合均匀，装入坩埚中在高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h，待原料完全熔融后水淬，然后在球磨机上湿磨(1000r/min)24h，将湿磨后的浆料在100℃烘箱中干燥12h、再经干磨4h后过200目筛网制成基础陶瓷结合剂。
向基础陶瓷结合剂中添加配方设计的Ti粉(粒度≤20μm)和Al粉(粒度≤20μm)，并通过球磨(50r/min)2h混合均匀，得到陶瓷-金属结合剂。
将配置好的陶瓷-金属结合剂与金刚石磨料(粒度：120-150μm)按照重量百分比28％：72％经球磨(50r/min)1h混合均匀，另加3％的浓度为10％的甲基纤维素水溶液后再经球磨(50r/min)1h混合均匀。
将混合均匀的粉末装入石墨磨具中，在SM80烧结机上进行烧结，以100℃/min升温速度加热到750℃条件下烧结，烧结同时以0.27KN/min的加压速度使模具两端压力达到2KN/cm2成型，保温保压8min，停止加热，模具自然冷却，获得陶瓷-金属金刚石磨具。
磨具特点：使用本实施例制作的磨具磨削加工材质为YG8硬质合金工件，寿命是原陶瓷结合剂金刚石磨具的1.56倍，加工工件粗糙度值Ra由0.38μm提高到0.3μm，磨具容易修整。
实施例4
表四：陶瓷-金属结合剂组分及配料比例
  组分   SiO2   Al2O3   B2O3   Li2O   Na2O   K2O   ZnO   Ti   Al
  wt％   42   9   18   2   10   4   5   6   4
采用分析纯SiO2、Al2O3、HBO3、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3和ZnO为原料，按照上述配方计算、称量、混合均匀，装入坩埚中在高温熔块炉中加热至1300℃，保温2h，待原料完全熔融后水淬，然后在球磨机上湿磨(1000r/min)24h，将湿磨后的浆料在100℃烘箱中干燥12h、再经干磨4h后过200目筛网制成基础陶瓷结合剂。
向基础陶瓷结合剂中添加配方设计的Ti粉(粒度≤20μm)和Al粉(粒度≤20μm)，并通过球磨(50r/min)2h混合均匀，得到陶瓷-金属结合剂。
将配置好的陶瓷-金属结合剂与金刚石磨料(粒度：120-150μm)按照重量百分比24％：76％经球磨(50r/min)1h混合均匀，另加3.5％的浓度为10％的甲基纤维素水溶液后再经球磨(50r/min)1h混合均匀。
将混合均匀的粉末装入石墨磨具中，在SM80烧结机上进行烧结，以100℃/min升温速度加热到800℃条件下烧结，烧结同时以0.3KN/min的加压速度使模具两端压力达到2.4KN/cm2成型，保温保压6min，停止加热，模具自然冷却，获得陶瓷-金属金刚石磨具。
磨具特点：使用本实施例制作的磨具磨削加工材质为YG8硬质合金工件，寿命是原陶瓷结合剂金刚石磨具的1.46倍，磨削效率提高16.3％，加工工件粗糙度值Ra由0.37μm提高到0.32μm，硬质合金几乎无烧伤情况。

Claims (7)

1.一种陶瓷-金属结合剂金刚石磨具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按照以下组分及重量比例准备物料并球磨制得金属-陶瓷结合剂：SiO2 40-50％、Al2O3 8-15％、B2O3 12-20％、Li2O 3-6％、Na2O 6-12％、K2O 3-6％、ZnO 2-8％、Ti 1-10％、Al 1-5％；
步骤2：将步骤1所得的金属-陶瓷结合剂与金刚石磨料混合，得到混合料，混合料中金刚石磨料占混合料总重量的70-77％，陶瓷-金属结合剂23-30％；
步骤3：往混合料中再加入质量百分比为3-5％的质量浓度为8-12％的甲基纤维素水溶液或加质量百分比为3-5％的浓度为2-4％聚乙烯醇水溶液，并混合，得到磨具原料；
步骤4：将步骤3所得到的磨具原料依次进行热压成型和冷却脱模，即制得陶瓷-金属结合剂金刚石磨具。
2.根据权利要求1所述的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具的制备方法，其特征在于，步骤3的具体步骤为：
将混合后的磨具原料加入模具中，在热压机上在780-850℃条件下烧结，烧结同时在2-3KN/cm2压力条件下成型，保温保压5-10min，然后停止加热，自然冷却后脱模，即得到陶瓷-金属结合剂金刚石磨具。
3.根据权利要求2所述的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具的制备方法，其特征在于，升温速度为80-120℃/min，加压速度为0.2-0.4KN/min，加压和加温同时进行。
4.根据权利要求1所述的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具的制备方法，其特征在于，Ti粉和Al粉的粒度均为≤20μm；金刚石磨料的粒度为120-150μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具的制备方法，其特征在于，步骤1中，球磨之后将球磨后的物料通过200目筛网。
6.一种所述的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具的制备方法制得。
7.一种所述的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具，其特征在于，采用权利要求5所述的陶瓷-金属结合剂金刚石磨具的制备方法制得。
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