CN106041760A - 一种自锐性金刚石砂轮及其制备方法 - Google Patents

一种自锐性金刚石砂轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自锐性金刚石砂轮及其制备方法，该金刚石砂轮包括磨料块，磨料块原料包含金属结合剂、MoS2、SG磨料、金刚石和添加剂；添加剂在磨料块原料中所占的质量百分比为1％～10％；添加剂由以下质量百分比的原料制成：Bi2O3 25％～35％、B2O325％～35％、ZnO 5％～10％、SiO2 5％～10％、Al2O3 5％～10％、CaF2 1％～5％、Na2CO3 1％～5％、Li2CO3 1％～5％、MgCO3 1％～5％。该金刚石砂轮自锐性高、强度高，组织细腻，在磨削过程中消耗均匀，使用过程中免修整且始终保持良好的磨削力，从根本上解决了金刚石砂轮修整时间长、成本高的问题。

Description

一种自锐性金刚石砂轮及其制备方法
技术领域
本发明属于超硬材料制品技术领域，具体涉及一种自锐性金刚石砂轮，同时还涉及一种自锐性金刚石砂轮的制备方法。
背景技术
砂轮的自锐性是指砂轮的磨粒磨钝后，磨削力也随之增大，致使磨粒破碎或脱落，重新露出锋利的刃口。超硬材料制品砂轮在磨削过程中，砂轮的磨粒在摩擦、挤压作用下，它的棱角逐渐磨圆变钝，磨屑常常嵌塞在砂轮表面，使砂轮表面堵塞，最后使砂轮丧失磨削能力。这时，砂轮与工件之间会产生打滑现象，并可能引起振动和出现噪声，使磨削效率下降，表面粗糙度变差。同时由于磨削力及磨削热的增加，会引起工作变形和影响磨削精度，严重时还会使磨削表面出现烧伤和细小裂纹。此时，必须用修整器对砂轮进行修整。砂轮的修整一般需要几十分钟甚至数小时，严重影响了生产节拍，降低生产效率；修整器价格昂贵，耗费巨大的成本；在高精度磨削中，机床还需要加装在线修整装置，也大大提高了机床的设计难度和制造成本。
现有技术中，CN103831740A公开了一种用于制备金刚石砂轮的金属陶瓷复合结合剂，由以下重量比的原料组成：663青铜粉60-80％、陶瓷粉20-40％，所述陶瓷粉由以下重量比的原料混合熔炼制得：二氧化硅45-60％、氧化硼20-30％、氧化钾10-15％、氧化镁5-10％、氧化钙2-5％。将制备陶瓷粉的原料混合球磨后过筛制得混合粉末，再将混合粉末于1700℃熔炼3h，急冷得到微晶玻璃块体，球磨破碎过325目标准筛，制得陶瓷粉。将663青铜粉与陶瓷粉球磨后静置得金属陶瓷复合结合剂；将该复合结合剂与金刚石磨料球磨混合后加入造孔剂，得砂轮混合料；将砂轮混合料置于模具中冷压制得坯体后再进行真空热压烧结，得到复合结合剂砂轮。
上述金刚石砂轮既保持了陶瓷结合剂金刚石砂轮的锋利性好、自锐性好的特性，又具有金属结合剂金刚石砂轮的刚性高、形状保持性好的优点；但是，其对于自锐性的提高仅限于使修整间隙提高25％-50％，还是无法解决砂轮修整时间长，修整成本高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种自锐性金刚石砂轮，使用过程中免修整，从根本上解决金刚石砂轮修整时间长、修整成本高的问题。
本发明的第二个目的是提供一种自锐性金刚石砂轮的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种自锐性金刚石砂轮，包括磨料块，所述磨料块的原料包含金属结合剂、MoS2、SG磨料、金刚石和添加剂；所述添加剂在磨料块的原料中所占的质量百分含量为1％～10％；
所述添加剂由以下质量百分比的原料制成：Bi2O3 25％～35％、B2O3 25％～35％、ZnO5％～10％、SiO2 5％～10％、Al2O3 5％～10％、CaF2 1％～5％、Na2CO3 1％～5％、Li2CO31％～5％、MgCO3 1％～5％。
所述添加剂是由上述原料经高温熔炼快速急冷方法制成的。所述添加剂为预制。添加剂的粒度D90<200nm。
优选的，所述添加剂是由包括以下步骤的方法制备的：
1)取配方量的Bi2O3、B2O3、ZnO、SiO2、Al2O3、Na2CO3、Li2CO3、MgCO3混合，升温至1200～1400℃并保温1～3h，得混合物；
2)将步骤1)所得混合物降温至850～950℃，加入配方量的CaF2混合，保温1～2h，得烧结物；
3)将步骤2)所得烧结物急冷，后粉碎至粒度D90<200nm，即得。
步骤1)中，所述升温的速率为10℃/min。将混合后的原料放入石英坩埚中，置于高温电阻炉中进行加热。
步骤2)中，所述降温的速率为5℃/min。
步骤3)中，所述急冷是指将所得烧结物置于水中急冷，得块状物料。所述的水优选室温的水。
所述粉碎是指将所得块状物料与乙醇混合进行球磨。将块状物料连同乙醇装入球磨罐中在高能球磨机上球磨；球磨至所得粉料的粒度D90<200nm；优选的，球磨的时间为40～60h。
所述金属结合剂由以下重量份数的组分组成：Cu 25～45份、Sn 5～20份、Co 20～35份、Al 3～10份、Fe 1～5份、Cr 1～3份、Ti 1～3份。上述金属组分均为金属粉。所述金属结合剂在磨料块的原料中所占的质量百分含量为66％～91％。
所述磨料块的原料中，SG磨料与金刚石的质量比为(2～6):(5～15)。所述SG磨料与金刚石在磨料块的原料中所占的质量百分含量为7％～21％。其中，所述SG磨料是一种由圣戈班公司开发的经特殊引晶凝胶***烧结而成的氧化铝磨料。
MoS2在磨料块原料中所占质量百分含量为1％～3％。
优选的，所述的自锐性金刚石砂轮中，所述磨料块由以下质量百分比的原料制成：Cu25％～45％、Sn 5％～20％、Co 20％～35％、Al 3％～10％、Fe 1％～5％、Cr 1％～3％、Ti 1％～3％、MoS2 1％～3％、SG磨料2％～6％、金刚石5％～15％、添加剂1％～10％。
所述的自锐性金刚石砂轮，还包括砂轮基体，所述磨料块粘接在砂轮基体上。
本发明的自锐性金刚石砂轮，可以是磨料块本身形成的砂轮块，也可以是将磨料块与砂轮基体复合形成的复合砂轮。
一种上述的自锐性金刚石砂轮的制备方法，包括下列步骤：
a)取金属结合剂、MoS2粉、SG磨料、金刚石和添加剂混合，得混合料；
b)将步骤a)所得混合料置于模具中压制，得坯料；
c)将步骤b)所得坯料置于模具中，升温至580～620℃并保温4～10min进行烧结，后急冷，即得所述磨料块。
步骤a)中，所述混合是将原料置于三维混料机中进行混料；混料的时间为2～4h。
步骤b)中，所述压制的压力为150～200MPa。压制所用的模具优选钢制模具；压制所用的设备优选油压机。
步骤c)中，所述升温是指先以100℃/min的升温速率升温至350～450℃并保温1～3min后，再以50℃/min的升温速率升温至580～620℃。先升温至350～450℃并保温的作用是促使低熔点的Sn完全熔化以进行合金化反应。
步骤c)中，烧结所用的模具优选石墨模具；烧结所用的设备优选热压烧结机。烧结过程可在空气气氛下进行。在580～620℃保温完毕后，将模具置于水中急冷。所述水优选室温的水。
所述的自锐性金刚石砂轮的制备方法，还包括将所得磨料块粘接在砂轮基体上，即得自锐性金刚石砂轮。
本发明的自锐性金刚石砂轮，磨料块的原料包括金属结合剂、MoS2粉、SG磨料、金刚石和添加剂，所述添加剂由一定量的Bi2O3、B2O3、ZnO、SiO2、Al2O3、Na2CO3、Li2CO3、MgCO3与CaF2制成；该添加剂具有微晶结构，其强度大于200MPa，与金属结合剂的强度差距较小；该添加剂的耐火度低于500℃，远低于金属结合剂超硬材料制品的烧结温度，在烧结时处于熔融状态，烧结后在骨架颗粒间呈放射状分布，分散均匀、组织细腻。
本发明的自锐性金刚石砂轮中，所用添加剂的线膨胀系数与金刚石匹配较好，在砂轮中呈均匀的亚微米级弥散放射分布，对砂轮整体强度影响较小，能显著提高金属结合剂金刚石砂轮的自锐性和使用寿命；MoS2粉化学性能稳定，和金属间附着力很强，具有润滑作用，在粉料中还起到防氧化作用；SG磨料在砂轮中起占位和辅助磨削作用，避免砂轮堵塞，同时可提高金刚石砂轮的形状保持性，避免砂轮形状精度丧失。本发明的自锐性金刚石砂轮，磨料块采用金属结合剂、SG磨料、金刚石和上述添加剂为原料，自锐性高、强度高，加工效率高，组织细腻，在磨削过程中砂轮消耗均匀，在整个寿命周期的使用过程中免修整，且在磨削过程中始终保持良好的磨削力，从根本上解决金刚石砂轮修整时间长、修整成本高的问题，具有良好的经济效益。
进一步的，本发明的自锐性金刚石砂轮，采用一定量的Cu粉、Sn粉、Co粉、Al粉、Fe粉、Cr粉、Ti粉复配成的金属结合剂；该金属结合剂中，Al粉的活性较高，极易氧化，在烧结过程中可优先与空气中的氧气反应，从而避免其它金属粉和金刚石的氧化，使烧结过程在空气气氛中即可进行，大大降低了成本；Cr粉、Ti粉可与磨料形成碳化物，提高结合剂镀金刚石的粘结强度。
本发明的自锐性金刚石砂轮的制备方法，是将各原料混料后，先压制成坯料再烧结制成的；热压烧结结束后，将模具迅速置于水中急冷，可防止晶粒过度长大，使所得砂轮组织细腻，从而获得强度高、自锐性高的金刚石砂轮，且使所得砂轮在磨削过程中消耗均匀。该制备方法工艺简单，操作方便，烧结温度低，成本低且易于自动化控制，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式中，所用模具的尺寸和形状根据需要进行选择。添加剂所用的各原料组分均为分析纯。
实施例1
本实施例的自锐性金刚石砂轮，包括砂轮基体和磨料块，所述磨料块由以下质量百分比的原料制成：Cu 28％、Sn 12％、Co 30％、Al 5％、Fe 3％、Cr 2％、Ti 2％、MoS23％、SG磨料2％、金刚石10％、添加剂3％。
所述添加剂由以下质量百分比的原料制成：Bi2O3 35％、B2O3 35％、ZnO 10％、SiO25％、Al2O3 3％、Na2CO3 2％、Li2CO3 4％、MgCO3 2％、CaF2 4％。
所述添加剂的制备方法，包括下列步骤：
1)取配方量的Bi2O3、B2O3、ZnO、SiO2、Al2O3、Na2CO3、Li2CO3、MgCO3混合均匀后，放入石英坩埚中，置于高温电阻炉中，以10℃/min的加热至1250℃并保温2h，得混合物；
2)将步骤1)所得混合物以5℃/min的速率降温至850℃，加入配方量的CaF2并搅拌混合，保温2h，得烧结物；
3)将步骤2)所得烧结物倒入冷水(室温)中急冷，得块状物料；将得到的块状物料连同乙醇装入球磨罐中在高能球磨机上球磨60h，得到粒度D90<200nm的粉料，即为所述添加剂。
本实施例的自锐性金刚石砂轮的制备方法，包括下列步骤：
a)取配方量的Cu粉、Sn粉、Co粉、Al粉、Fe粉、Cr粉、Ti粉、MoS2粉、SG磨料、金刚石和添加剂，装入三维混料机中混料2h，得混合料；
b)将步骤a)所得混合料装入钢制模具中，趟料、刮平，置于油压机上以150MPa的压力进行压制，得坯料；
c)将步骤b)所得坯料装入石墨模具中，在空气气氛下，置于热压烧结机中进行烧结，具体为：先以100℃/min的速率升温至400℃并保温2min，促使低熔点的Sn完全熔化以进行合金化反应，然后以50℃的速率升温至600℃并保温8min；保温完毕后，将模具置于冷水(室温)中急冷，即得所述磨料块；
d)将步骤c所得磨料块粘接在砂轮基体上，即得所述自锐性金刚石砂轮。
实施例2
本实施例的自锐性金刚石砂轮，包括砂轮基体和磨料块，所述磨料块由以下质量百分比的原料制成：Cu 44％、Sn 10％、Co 25％、Al 3％、Fe 2％、Cr 1％、Ti 3％、MoS21％、SG磨料5％、金刚石5％、添加剂1％。
所述添加剂由以下质量百分比的原料制成：Bi2O3 25％、B2O3 40％、ZnO 5％、SiO22％、Al2O3 8％、Na2CO3 1％、Li2CO3 3％、MgCO3 5％、CaF2 1％。
所述添加剂的制备方法，包括下列步骤：
1)取配方量的Bi2O3、B2O3、ZnO、SiO2、Al2O3、Na2CO3、Li2CO3、MgCO3混合均匀后，放入石英坩埚中，置于高温电阻炉中，以10℃/min的加热至1300℃并保温1h，得混合物；
2)将步骤1)所得混合物以5℃/min的速率降温至850℃，加入配方量的CaF2并搅拌混合，保温2h，得烧结物；
3)将步骤2)所得烧结物倒入冷水(室温)中急冷，得块状物料；将得到的块状物料连同乙醇装入球磨罐中在高能球磨机上球磨50h，得到粒度D90<200nm的粉料，即为所述添加剂。
本实施例的自锐性金刚石砂轮的制备方法，包括下列步骤：
a)取配方量的Cu粉、Sn粉、Co粉、Al粉、Fe粉、Cr粉、Ti粉、MoS2粉、SG磨料、金刚石和添加剂，装入三维混料机中混料3h，得混合料；
b)将步骤a)所得混合料装入钢制模具中，趟料、刮平，置于油压机上以200MPa的压力进行压制，得坯料；
c)将步骤b)所得坯料装入石墨模具中，在空气气氛下，置于热压烧结机中进行烧结，具体为：先以100℃/min的速率升温至450℃并保温1min，促使低熔点的Sn完全熔化以进行合金化反应，然后以50℃的速率升温至580℃并保温10min；保温完毕后，将模具置于冷水(室温)中急冷，即得所述磨料块；
d)将步骤c所得磨料块粘接在砂轮基体上，即得所述自锐性金刚石砂轮。
实施例3
本实施例的自锐性金刚石砂轮，包括砂轮基体和磨料块，所述磨料块由以下质量百分比的原料制成：Cu 25％、Sn 5％、Co 30％、Al 7％、Fe 1％、Cr 2％、Ti 1％、MoS2 2％、SG磨料6％、金刚石15％、添加剂6％。
所述添加剂由以下质量百分比的原料制成：Bi2O3 30％、B2O3 25％、ZnO 19％、SiO210％、Al2O3 2％、Na2CO3 5％、Li2CO3 1％、MgCO3 3％、CaF2 5％。所述添加剂的制备方法同实施例1。
本实施例的自锐性金刚石砂轮的制备方法，包括下列步骤：
a)取配方量的Cu粉、Sn粉、Co粉、Al粉、Fe粉、Cr粉、Ti粉、MoS2粉、SG磨料、金刚石和添加剂，装入三维混料机中混料4h，得混合料；
b)将步骤a)所得混合料装入钢制模具中，趟料、刮平，置于油压机上以170MPa的压力进行压制，得坯料；
c)将步骤b)所得坯料装入石墨模具中，在空气气氛下，置于热压烧结机中进行烧结，具体为：先以100℃/min的速率升温至400℃并保温1min，促使低熔点的Sn完全熔化以进行合金化反应，然后以50℃的速率升温至620℃并保温4min；保温完毕后，将模具置于冷水(室温)中急冷，即得所述磨料块；
d)将步骤c所得磨料块粘接在砂轮基体上，即得所述自锐性金刚石砂轮。
实施例4
本实施例的自锐性金刚石砂轮，包括砂轮基体和磨料块，所述磨料块由以下质量百分比的原料制成：Cu 25％、Sn 20％、Co 20％、Al 5％、Fe 5％、Cr 3％、Ti 1％、MoS22％、SG磨料3％、金刚石7％、添加剂9％。
所述添加剂由以下质量百分比的原料制成：Bi2O3 40％、B2O3 30％、ZnO 5％、SiO28％、Al2O3 5％、Na2CO3 3％、Li2CO3 5％、MgCO3 1％、CaF2 3％。所述添加剂的制备方法同实施例1。
本实施例的自锐性金刚石砂轮的制备方法，包括下列步骤：
a)取配方量的Cu粉、Sn粉、Co粉、Al粉、Fe粉、Cr粉、Ti粉、MoS2粉、SG磨料、金刚石和添加剂，装入三维混料机中混料4h，得混合料；
b)将步骤a)所得混合料装入钢制模具中，趟料、刮平，置于油压机上以160MPa的压力进行压制，得坯料；
c)将步骤b)所得坯料装入石墨模具中，在空气气氛下，置于热压烧结机中进行烧结，具体为：先以100℃/min的速率升温至350℃并保温3min，促使低熔点的Sn完全熔化以进行合金化反应，然后以50℃的速率升温至610℃并保温3min；保温完毕后，将模具置于冷水(室温)中急冷，即得所述磨料块；
d)将步骤c所得磨料块粘接在砂轮基体上，即得所述自锐性金刚石砂轮。
实施例5
本实施例的自锐性金刚石砂轮，包括砂轮基体和磨料块，所述磨料块由以下质量百分比的原料制成：Cu 30％、Sn 5％、Co 35％、Al 10％、Fe 3％、Cr 3％、Ti 2％、MoS21％、SG磨料2％、金刚石5％、添加剂4％。
所述添加剂由以下质量百分比的原料制成：Bi2O3 25％、B2O3 25％、ZnO 25％、SiO26％、Al2O3 10％、Na2CO3 2％、Li2CO3 2％、MgCO3 3％、CaF2 2％。所述添加剂的制备方法同实施例1。
本实施例的自锐性金刚石砂轮的制备方法，包括下列步骤：
a)取配方量的Cu粉、Sn粉、Co粉、Al粉、Fe粉、Cr粉、Ti粉、MoS2粉、SG磨料、金刚石和添加剂，装入三维混料机中混料2h，得混合料；
b)将步骤a)所得混合料装入钢制模具中，趟料、刮平，置于油压机上以180MPa的压力进行压制，得坯料；
c)将步骤b)所得坯料装入石墨模具中，在空气气氛下，置于热压烧结机中进行烧结，具体为：先以100℃/min的速率升温至450℃并保温2min，促使低熔点的Sn完全熔化以进行合金化反应，然后以50℃的速率升温至590℃并保温8min；保温完毕后，将模具置于冷水(室温)中急冷，即得所述磨料块；
d)将步骤c所得磨料块粘接在砂轮基体上，即得所述自锐性金刚石砂轮。
实施例6-10的自锐性金刚石砂轮，分别采用实施例1-5所得的磨料块作为砂轮块，不需要砂轮基体，也是可行的。
实验例
本实验例对实施例1-5所得自锐性金刚石砂轮的使用性能进行检测，结果如表1所示。
其中，所述常规砂轮的磨料块原料由以下质量百分比的组分组成：Cu 50％、Sn25％、Co 15％、金刚石10％；制备方法同实施例4。
表1实施例1-5所得自锐性金刚石砂轮的使用性能检测结果
注：主轴电机电流越大，负载越大。
从表1可以看出，实施例1-5的金刚石砂轮，由于自锐能力好，免去了修整环节，节省了修整成本，修整时间则转移加到工件的加工上；相同时间内，加工数量提高17％左右，加工效率提升；且磨削过程中磨削负载(阻力)降低，砂轮锋利度改善，良品率相当。检测结果表明，本发明的金刚石砂轮自锐性高、强度高，加工效率高，在磨削过程中砂轮消耗均匀，在整个寿命周期的使用过程中免修整，且在磨削过程中始终保持良好的磨削力，从根本上解决金刚石砂轮修整时间长、修整成本高的问题，具有良好的经济效益。

Claims (10)

1.一种自锐性金刚石砂轮，其特征在于：包括磨料块，所述磨料块的原料包含金属结合剂、MoS2、SG磨料、金刚石和添加剂；所述添加剂在磨料块的原料中所占的质量百分含量为1％～10％；
所述添加剂由以下质量百分比的原料制成：Bi2O3 25％～35％、B2O3 25％～35％、ZnO5％～10％、SiO2 5％～10％、Al2O3 5％～10％、CaF2 1％～5％、Na2CO3 1％～5％、Li2CO31％～5％、MgCO3 1％～5％。
2.根据权利要求1所述的自锐性金刚石砂轮，其特征在于：所述添加剂是由包括以下步骤的方法制备的：
1)取配方量的Bi2O3、B2O3、ZnO、SiO2、Al2O3、Na2CO3、Li2CO3、MgCO3混合，升温至1200～1400℃并保温1～3h，得混合物；
2)将步骤1)所得混合物降温至850～950℃，加入配方量的CaF2混合，保温1～2h，得烧结物；
3)将步骤2)所得烧结物急冷，后粉碎至粒度D90<200nm，即得。
3.根据权利要求1所述的自锐性金刚石砂轮，其特征在于：所述金属结合剂由以下重量份数的组分组成：Cu 25～45份、Sn 5～20份、Co 20～35份、Al 3～10份、Fe 1～5份、Cr 1～3份、Ti 1～3份。
4.根据权利要求1所述的自锐性金刚石砂轮，其特征在于：所述磨料块的原料中，SG磨料与金刚石的质量比为(2～6):(5～15)。
5.根据权利要求4所述的自锐性金刚石砂轮，其特征在于：所述磨料块由以下质量百分比的原料制成：Cu 25％～45％、Sn 5％～20％、Co 20％～35％、Al 3％～10％、Fe 1％～5％、Cr 1％～3％、Ti 1％～3％、MoS2 1％～3％、SG磨料2％～6％、金刚石5％～15％、添加剂1％～10％。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的自锐性金刚石砂轮，其特征在于：还包括砂轮基体，所述磨料块粘接在砂轮基体上。
7.一种如权利要求1所述的自锐性金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
a)取金属结合剂、MoS2粉、SG磨料、金刚石和添加剂混合，得混合料；
b)将步骤a)所得混合料置于模具中压制，得坯料；
c)将步骤b)所得坯料置于模具中，升温至580～620℃并保温4～10min进行烧结，后急冷，即得所述磨料块。
8.根据权利要求7所述的自锐性金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤b)中，所述压制的压力为150～200MPa。
9.根据权利要求7所述的自锐性金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：步骤c)中，所述升温是指先以100℃/min的升温速率升温至350～450℃并保温1～3min后，再以50℃/min的升温速率升温至580～620℃。
10.根据权利要求7所述的自锐性金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：还包括将所得磨料块粘接在砂轮基体上，即得自锐性金刚石砂轮。
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