CN107598787B

CN107598787B - 一种金刚石砂轮及其制造方法

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Publication number: CN107598787B
Application number: CN201610541360.1A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Shanghai Chun And Investment Center (limited Partnership)
Current assignee: Shanghai Chun And Investment Center (limited Partnership)
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2019-11-26
Anticipated expiration: 2036-07-11
Also published as: CN107598787A

Abstract

本发明提供一种金刚石砂轮及其制造方法，所述金刚石砂轮包括砂轮基材和设置在所述砂轮基材上的磨料层，所述磨料层包括金刚石磨料和金属结合剂，所述金刚石砂轮的制造方法包括以下步骤：(1)对所述砂轮基材的表面进行粗糙化处理，并置入模具中；(2)将所述金属结合剂、所述金刚石磨料和粘度调节剂混合均匀得到混合料；(3)向容置有砂轮基材的所述模具中加入步骤(2)中的混合料，进行加压成型，脱模并干燥后得到砂轮胚体；(4)对所述砂轮胚体进行加热烧结；(5)对加热烧结后的所述砂轮胚体进行修型，得到所述金刚石砂轮。上述制造方法具有工艺简单、易操作的优点，制得的金刚石砂轮自锐性好，同时强度高、耐磨性好。

Description

一种金刚石砂轮及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石砂轮及其制造方法。

背景技术

蓝宝石、视窗玻璃、磁性材料等脆硬材料广泛应用于手机、精密电子元器件、精密光学器件和高档手表中，由于上述脆硬材料本身的质地具有高硬度和高脆性的特点，因此，研磨加工难度很大。早期采用传统的研磨法进行磨削加工，即用磨粉进行研磨，其缺点是磨粉的消耗量大，大部分磨粉未被充分利用，且研磨过程中产生大量粉尘和污水，对环境造成严重的污染。随着研磨技术的进步，通过结合剂将金刚石磨料固结在一起而制成的金刚石砂轮被开发，并被广泛应用于研磨加工生产中，在金刚石砂轮中，常见的用于固结金刚石磨料的结合剂有树脂结合剂、金属结合剂和陶瓷结合剂，同时金刚石砂轮中还有近年来发展起来的电镀金刚石砂轮。

其中，由树脂结合剂固结金刚石磨料制成的金刚石砂轮具有自锐性好、砂轮磨削效率高、磨削发热量小等优点，并且可以改善工件表面的粗糙度；由金属结合剂固结金刚石磨料制成的金刚石砂轮具有强度高、工作面几何形状保持性好、寿命长、耐冲击等优点；由陶瓷结合剂固结金刚石磨料制成的金刚石砂轮在磨削高温下仍能对金刚石磨料保持较高的把持力，砂轮具有使用寿命长、磨削能力强、磨削温度低、自锐性强，锋利状态持久、磨削效率高等优点；电镀金刚石砂轮不需要修整砂轮，磨粒裸露高度较高，容屑空间较大，磨削性能较高，且电镀工艺简单，砂轮制造容易。但是上述结合剂仍不能完全满足金刚石砂轮的要求，其中，树脂结合剂是有机材料，受树脂本身性能限制，砂轮耐热性、耐水性、耐磨性较差，不能进行精密成型磨削；金属结合剂金刚石砂轮自锐性差；在金刚石砂轮制造过程中，陶瓷结合剂对金刚石的润湿性差，大大降低了结合剂对金刚石的把持力，磨具在磨削过程中金刚石容易脱落，损耗大。电镀金刚石砂轮一般采用镀镍层包裹金刚石磨料的方法将金刚石砂轮固定在基材上，属于物理包裹，包裹深度达到金刚石颗粒的2/3以上，只有露出部分具备磨削能力，当露出部分磨损后，砂轮磨削能力急剧下降，同时磨削力增大，发热严重，砂轮将不能继续使用。目前，为了提高金刚石砂轮性能，本领域的研究方向主要集中在新型金刚石砂轮结合剂的开发上。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明一方面提供一种金刚石砂轮的制造方法，所述金刚石砂轮包括砂轮基材和设置在所述砂轮基材上的磨料层，所述磨料层包括金刚石磨料和金属结合剂，所述金刚石砂轮的制造方法包括以下步骤：

(1)对所述砂轮基材的表面进行粗糙化处理，并置入模具中；

(2)将所述金属结合剂、所述金刚石磨料和粘度调节剂混合均匀得到混合料，其中，所述金属结合剂包括基础成分和在基础成分基础上添加的防裂剂，所述基础成分包括银、铜、钛、铟，所述防裂剂选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛中的至少一种，以重量百分比分计，所述基础成分中各成分和防裂剂的占比分别为：银：40％～60％；铜：20％～30％；钛：0.5％～5％；铟：10％～20％；防裂剂：1％～15％；

(3)向容置有砂轮基材的所述模具中加入步骤(2)中的混合料，进行加压成型，脱模并干燥后得到砂轮胚体；

(4)对所述砂轮胚体进行加热烧结；

(5)对加热烧结后的所述砂轮胚体进行修型，得到所述金刚石砂轮。

优选地，步骤(1)中，在所述砂轮基材置入模具之前，在所述砂轮基材的表面涂覆一层所述金属结合剂。

优选地，步骤(2)中，所述金属结合剂与所述金刚石磨料的重量比为1：1～10：1。

优选地，步骤(2)中，所述粘度调节剂为有机溶剂。

优选地，步骤(2)中加压成型时的压力大小为10～100Kg/mm²。

优选地，步骤(4)中，在对所述砂轮胚体进行加热烧结之前，对所述砂轮胚体进行初次修型。

优选地，步骤(4)中加热烧结时的真空度为10^-4～10^-8mbar，加热过程为分段加热方式，各段的加热温度和加热时间分别为0～200℃加热5～15min、200～550℃加热3～10min、550～700℃加热3～10min、700～850℃加热3～10min。

优选地，步骤(5)中的修型方法为放电修型。

优选地，所述放电修型时，放电的电压为100～440V，电流为0.1～100A，进给量为0.01～0.2mm。

本发明一方面提供一种金刚石砂轮，所述金刚石砂轮通过上述的制造方法制得。

与现有技术相比，本发明提供的金刚石砂轮及其制造方法至少具有以下

有益效果：本发明金刚石砂轮的制造方法具有工艺简单、易操作的优点，制得的金刚石砂轮自锐性好，同时强度高、耐磨性好。

具体实施方式

现在将更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

本发明提供的用于制造金刚石砂轮的金属结合剂，该金属结合剂包括基础成分和在基础成分基础上添加的防裂剂，基础成分包括银、铜、钛、铟，防裂剂选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛中的至少一种，以重量百分比分计，基础成分中各成分和防裂剂的占比分别为：40％～60％的银(Ag)，20％～30％的铜(Cu)，0.5％～5％的钛(Ti)，10％～20％的铟(In)和1％～15％的防裂剂。使用该金属粘合剂，一方面，本发明的金属结合剂耐磨性差，结合剂很容易磨损掉，新的金刚石磨料容易露出，具有很好的自锐性，因此能够保持持续的磨削能力；另一方面，发明人经研究发现，采用上述配比的金属粘合剂能够显著增强金刚石磨料与粘结剂之间的粘结强度，特别是添加重量比为1％～15％的防裂剂后，该防裂剂能够利用界面反应固定金刚石磨料，其把持力远高于电镀金刚石砂轮的物理包裹固定方式，从而能够大大增加金刚石砂轮的磨削寿命。

此外，由于砂轮基材通常采用金属基材，因此，在烧结过程中，该金属粘合剂能够与金属基材熔融在一起，从而有效增强金属粘合剂与砂轮基材的粘结强度。基础成分中的银、铜、钛、铟可分别采用银粉、铜粉、钛粉和铟粉。防裂剂可采用已知的能够增强金刚石磨料与粘结剂之间粘结强度的物质，本发明中，防裂剂选自碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)中的至少一种，该三种材料具有高硬度、高熔点、耐腐蚀等特性，并能够增强金刚石磨料的结合强度，防止砂轮出现裂纹，是防裂剂的理想材料。在一较佳实施例中，上述金属结合剂中还添加有导电增强剂，通过添加导电增强剂，可使设置在砂轮基材上的包括金刚石磨料和金属结合剂的磨料层具有良好的导电性，在制造砂轮时能够进行放电修型，通过放电修型能够制作各种形状的金刚石砂轮，满足多种需求。

作为优选方案，导电增强剂选自金(Au)、石墨烯、Stanene材料中的至少一种，例如，金属结合剂中可单独添加金或石墨烯，也可以同时添加金和石墨烯。Stanene材料是一种新型导电材料，由单层锡原子制成，常温下导电率可达100％，是导电增强剂的理想材料。为有效促进磨料层的导电性，以重量百分比计，金属结合剂中导电增强剂的添加量优选为：0.05％～2％。金属结合剂中同时添加金和石墨烯时，金和石墨烯的添加量可分别为0.05％～1％。本发明还提供一种金属结合剂的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)以重量百分比计，将40％～60％的银、20％～30％的铜、0.5％～5％的钛和10％～20％的铟混合，并于真空条件下加热生成合金。例如，加热温度为900～1100℃，真空度为10^-7～10^-9mbar时，Ag、Cu、Ti、In可生成AgCuTiIn合金；加热温度为800～1000℃，真空度为10^-6～10^-8mbar时，Ag、Cu、Ti、In可生成AgCuTi合金。实际生产过程中，生成的合金为多种组成的合金混合物。

(2)将生成的合金粉末化制成粉末，向该粉末中加入1％～15％的防裂剂并混合均匀，得到金属结合剂，防裂剂选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛中的至少一种。作为优选方案，制得的金属结合剂的平均粒径小于20μm。本发明的金属结合剂用于制造金刚石砂轮时，该金刚石砂轮包括砂轮基材和设置在砂轮基材上的磨料层，该磨料层包括金刚石磨料和本发明的金属结合剂。金刚石砂轮可采用已知的形状结构，本发明不限制其具体形状结构。

本发明还提供了上述金刚石砂轮的制造方法，该制造方法包括以下步骤：

(1)对砂轮基材的表面进行粗糙化处理，并置入模具中。通过步骤(1)的粗糙化处理，砂轮基材形成凹凸不平的表面，在后续加压成型和加热烧结过程中，能够增强砂轮基材与磨料层的结合强度。在一较佳实施例中，在砂轮基材置入模具之前，在砂轮基材的表面涂覆一层金属结合剂，在进行加压成型时，该层金属结合剂可有效增强砂轮基材与磨料层的粘结强度，进一步增强金刚石砂轮的结合强度。

(2)将金属结合剂、金刚石磨料和粘度调节剂混合均匀得到混合料，其中，金属结合剂包括基础成分和在基础成分基础上添加的防裂剂，基础成分包括银、铜、钛、铟，防裂剂选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛中的至少一种，以重量百分比分计，基础成分中各成分和防裂剂的占比分别为：40％～60％的银、20％～30％的铜、0.5％～5％的钛、10％～20％的铟和1％～15％的防裂剂。金属结合剂和金刚石磨料的比例可根据需要进行调配，发明人发现，金属结合剂与金刚石磨料的重量比在1：1～10：1范围时，制得的金刚石砂轮的自锐性较佳，同时强度高、耐冲击、寿命长。粘度调节剂用于调节混合料的粘稠度，使得金属结合剂、金刚石磨料和粘度调节剂混合后的状态介于流体状和塑体状之间，在加入模具中进行加压成型时具有一定的流动性，从而使形成的砂轮胚体具有较高的致密性。粘度调节剂可选用有机溶剂，诸如无水乙醇、丙酮、乙醛、苯、甲苯等，上述有机溶剂可单独使用，也可以组合使用。粘度调节剂的加入量根据选择的溶剂的类型的不同而不同，通常金刚石磨料和金属结合剂重量之和与粘度调节剂的重量比在10：1～100：1范围时，混合料混合后的状态即可介于流体状和塑体状之间。

(3)向容置有砂轮基材的模具中加入步骤(2)中的混合料，进行加压成型，脱模并干燥后得到砂轮胚体。

在一较佳实施例中，加压成型时的压力大小为10～100Kg/mm²，可以在10～80℃温度下加压1～10min完成。脱模后进行干燥以除去胚体中大部分的粘度调节剂，干燥的温度和时间可根据粘度调节剂的不同进行调整，通常的干燥温度范围为50～100℃，干燥时间为1～20h。

(4)对砂轮胚体进行加热烧结。在一较佳实施例中，在对砂轮胚体进行加热烧结之前，对砂轮胚体进行初次修型，初次修型可在车床或铣床上进行，通过初次修型将砂轮胚体大致加工成要求的形状和尺寸。

在一较佳实施例中，加热烧结时的真空度为10^-4～10^-8mbar，优选10^-6～10^-8mbar加热过程采用分段加热方式，各段的加热温度和加热时间分别为0～200℃加热5～15min、200～550℃加热3～10min、550～700℃加热3～10min、700～850℃加热3～10min。上述真空度与温度配合能够使获得的砂轮中金刚石磨料具有良好的界面反应，增强金刚石磨料与砂轮基材之间的连接强度、以及金刚石磨料与金属结合剂之间的连接强度，并且还能防止砂轮裂纹的出现，制成的金刚石砂轮性能和表面状态都能达到最优。

(5)对加热烧结后的砂轮胚体进行修型，得到金刚石砂轮。由于金刚石砂轮连接强度非常牢固，用普通的机加、磨削等方法不能对金刚石砂轮进行修型，步骤(5)中的修型方法优选采用放电修型，如电火花机放电修型，通过放电修型不仅能够制作各种形状的金刚石砂轮，满足多种需求，而且能够很好地保证金刚石砂轮的尺寸精度和表面粗糙效果。作为优选方案，放电修型时的电压为100～440V，电流为0.1～100A，进给量为0.01～0.2mm。上述金刚石砂轮的制造方法具有工艺简单、易操作的优点，制得的金刚石砂轮自锐性好，同时强度高、耐磨性好。

实施例1

(1)对砂轮基材的表面进行粗糙化处理，并置入模具中。

(2)将金属结合剂、金刚石磨料和无水乙醇按重量比为6：1：0.5混合均匀，得到混合料。其中，以重量百分比计，金属结合剂包括以下组分：55％的银、22％的铜、2.5％的钛、10％的铟、10％的碳化钛和0.5％的金。

(3)向容置有砂轮基材的模具中加入步骤(2)中的混合料，进行加压成型，压力大小为20Kg/mm²，温度控制在20～40℃，保持5min。脱模并于50～80℃下干燥1h后得到砂轮胚体。

(4)对砂轮胚体进行加热烧结。加热烧结时，真空度控制为10-4～10-8mbar，200℃烧结15min，然后升温至550℃烧结10min，然后升温至700℃烧结10min，然后升温至800℃烧结10min，冷却至室温。

(5)对加热烧结后的砂轮胚体进行修型，得到外径为D20的300#金刚石砂轮。放电修型时的电压为200V，电流为10A，进给量为0.05mm。

采用上述加热烧结方法，单独对本实施例中的金属结合剂进行烧结，检测其硬度，结果表明其硬度值小于钨钢和蓝宝石玻璃，因此，由本实施例制得的金刚石砂轮在磨削过程中，金属结合剂很容易磨损掉，新的金刚石磨料容易露出，具有很好的自锐性。将本实施例制得的金刚石砂轮分别加工测试蓝宝石玻璃材料，加工43200mm后，铜基烧结砂轮磨损0.15mm，蓝宝石玻璃崩边0.03mm，加工64800mm后，铜基烧结砂轮磨损0.7～1mm(实际砂轮已经损坏)。而本实施例砂轮在加工43200mm后，磨损0.1mm，蓝宝石玻璃崩边0.02mm，加工64800mm后，磨损0.12mm，蓝宝石玻璃崩边0.02mm，与铜基烧结砂轮寿命对比，本实施例制得的金刚石砂轮寿命至少是其5倍以上。

实施例2

(1)对砂轮基材的表面进行粗糙化处理，并置入模具中。

(2)将金属结合剂、金刚石磨料和粘度调节剂按重量比为6：1：0.5合均匀，得到混合料。其中，以重量百分比计，金属结合剂包括以下组分：52％的银、25％的铜、2.5％的钛、10％的铟、10％的碳化钛和0.5％的石墨烯。

(5)对加热烧结后的砂轮胚体进行修型，得到外径为D6的100#金刚石砂轮。放电修型时的电压为150V，电流为8A，进给量为0.02mm。

采用上述加热烧结方法，单独对本实施例中的金属结合剂进行烧结，检测其硬度，结果表明其硬度值同样小于钨钢和蓝宝石玻璃。将本实施例制得的金刚石砂轮分别加工测试氧化锆陶瓷，电镀砂轮加工191880mm后金刚石砂粒脱落，本实施例制得砂轮加工478800mm后，磨损0.1mm，还可继续使用，与电镀砂轮的寿命对比，本实施例制得的金刚石砂轮寿命至少是其5倍以上。

实施例3

(1)对砂轮基材的表面进行粗糙化处理，并置入模具中。

(2)将金属结合剂、金刚石磨料和无水乙醇按重量比为6：1：0.5混合均匀，得到混合料。其中，以重量百分比计，金属结合剂包括以下组分：50％的银、25％的铜、2％的钛、10.5％的铟、12％的碳化钛和0.5％的金。

(5)对加热烧结后的砂轮胚体进行修型，得到外径为D6的300#金刚石倒角砂轮。放电修型时的电压为150V，电流为5A，进给量为0.02mm。采用上述加热烧结方法，单独对本实施例中的金属结合剂进行烧结，检测其硬度，结果表明其硬度值同样小于钨钢和蓝宝石玻璃。将本实施例制得的金刚石砂轮加工测试蓝宝石材料，加工17000mm后，电镀砂轮磨损0.04mm，电镀砂轮损坏，蓝宝石最大崩边0.02mm，本实施例制得砂轮加工同样的17000mm后，磨损0.02mm，蓝宝石玻璃崩边0.018mm，加工46000mm后，磨损0.04mm，蓝宝石玻璃崩边0.01mm，仍可持续使用。与电镀砂轮的寿命对比，本实施例制得的金刚石砂轮寿命至少是其5倍以上。

对比例

(1)对砂轮基材的表面进行粗糙化处理，并置入模具中。

(2)将金属结合剂、金刚石磨料和无水乙醇按重量比为6：1：0.5混合均匀，得到混合料。其中，以重量百分比计，金属结合剂包括以下组分：55％的银、25％的铜、3％的钛、17％的铟。

(5)对加热烧结后的砂轮胚体进行修型，得到外径为D8的600#金刚石倒角砂轮。放电修型时的电压为150V，电流为5A，进给量为0.02mm。将本对比例制得的金刚石砂轮与实施例3制得的金刚石砂轮相比，实施例3中制得的砂轮烧结后无明显裂纹，对比例制得的砂轮裂纹明显且较多，防裂剂在制程中起到明显改善砂轮外观的作用。实施例3中制得的砂轮烧结后放电修型需要20分钟，对比例制得的砂轮放电修型需要23分钟，导电增强剂对缩短放电时间有明显的改善效果。

尽管本文描述了本发明的优选实施方式，但是这些实施方式仅作为示例提供。应理解本文所述的本发明实施方式的变体也可用于实施本发明。本领域普通技术人员应理解，可出现多种变体、变化和替换而不脱离本发明的范围。应理解本发明各个方面的保护范围由权利要求书决定，并且这些权利要求范围内的方法和结构以及其等价的方法和结构均在本权利要求书涵盖的范围之内。

Claims

1.一种金刚石砂轮的制造方法，所述金刚石砂轮包括砂轮基材和设置在所述砂轮基材上的磨料层，所述磨料层包括金刚石磨料和金属结合剂，其特征在于，所述金刚石砂轮的制造方法包括以下步骤：

(1)对所述砂轮基材的表面进行粗糙化处理，再在所述砂轮基材的表面涂覆一层所述金属结合剂，并置入模具中；

(2)将所述金属结合剂、所述金刚石磨料和粘度调节剂混合均匀得到混合料，其中，所述金属结合剂与所述金刚石磨料的重量比为1：1～10：1，所述金属结合剂包括基础成分和在基础成分基础上添加的防裂剂，所述基础成分包括银、铜、钛、铟，所述防裂剂选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛中的至少一种，以重量百分比分计，所述基础成分中各成分和防裂剂的占比分别为：银：40％～60％；铜：20％～30％；钛：0.5％～5％；铟：10％～20％；防裂剂：1％～15％；

(4)对所述砂轮胚体进行加热烧结；

2.根据权利要求1所述金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，所述粘度调节剂为有机溶剂。

3.根据权利要求1所述金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，步骤(2)中加压成型时的压力大小为10～100Kg/mm²。

4.根据权利要求1所述金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，步骤(4)中，在对所述砂轮胚体进行加热烧结之前，对所述砂轮胚体进行初次修型。

5.根据权利要求1所述金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，步骤(4)中加热烧结时的真空度为10^-4～10^-8mbar，加热过程为分段加热方式，各段的加热温度和加热时间分别为0～200℃加热5～15min、200～550℃加热3～10min、550～700℃加热3～10min、700～850℃加热3～10min。

6.根据权利要求1所述金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，步骤(5)中的修型方法为放电修型。

7.根据权利要求6所述金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，所述放电修型时，放电的电压为100～440V，电流为0.1～100A，进给量为0.01～0.2mm。

8.一种金刚石砂轮，其特征在于，所述金刚石砂轮通过权利要求1 至 7 任意一项所述的制造方法制得。