CN110561282B - 砂轮用补强剂、补强砂轮及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种砂轮用补强剂、补强砂轮及制备方法，砂轮用补强剂包括以下重量份数的原料：铝溶胶88~94份、NH4H2PO4 5~9份以及H3BO3 3~5份。上述砂轮用补强剂对砂轮浸渍处理后，一般需要烘干以加快去除砂轮用补强剂中的水分，烘干时温度升高，NH4H2PO4水解程度提高，砂轮用补强剂的酸性增大，铝溶胶的稳定性降低，铝溶胶以Al(OH)3的形式析出，Al(OH)3与NH4H2PO4水化反应生成磷酸铝水泥，填充于砂轮的气孔中对砂轮进行补强，无需使用较高比例的陶瓷结合剂即能够提高砂轮强度、预防砂轮破裂，同时避免了由于使用高比例的陶瓷结合剂导致的砂轮变形、发泡、开裂等问题。

Description

砂轮用补强剂、补强砂轮及制备方法
技术领域
本发明属于砂轮制造技术领域，具体涉及一种砂轮用补强剂、补强砂轮及制备方法。
背景技术
砂轮是磨具中使用范围最为广泛的一种工具，主要对金属或非金属弓箭的型面进行粗磨、半粗磨、精磨以及开槽、切断等处理，在使用时处于高速旋转状态，需要承载较大的冲击力，因此对砂轮的强度、抗冲击性、耐热性以及抗腐蚀性等均有较高的要求。砂轮主要由磨料和结合剂经压坯、干燥、焙烧而制成的多孔体；磨料的种类多种多样，一般地磨料都有良好的硬度以及一定的韧性，因此砂轮的强度、抗冲击性、耐热性以及抗腐蚀性主要取决于结合剂。常见的结合剂有树脂结合剂、陶瓷结合剂、橡胶结合剂以及金属结合剂，不同结合剂具有不同的特性，在实际应用中根据砂轮工件使用条件，选择相应的结合剂，以增强磨料粘结牢固强度，提高磨具强度，改善磨削性能。其中，陶瓷结合剂制备的砂轮由于其为脆性材料，很容易在磨削过程中破碎。传统地解决方法是，在制备陶瓷结合剂砂轮时提高结合剂的含量，增强结合剂对磨料的粘结强度，从而提高砂轮的整体强度，预防砂轮破碎。但是，在烧结温度下，砂轮中的陶瓷结合剂呈现为熔融的液态，提高陶瓷结合剂砂轮中陶瓷结合剂的含量，会使砂轮烧结过程中液相含量高，一方面导致砂轮的烧结变形量很大，烧结后砂轮的加工余量大，制备成本高，另一方面，过多的液相会填充磨料与磨料之间的空隙，影响砂轮烧结过程中反应气体的排出，砂轮很容易开裂和发泡，降低了砂轮制备的成品率。
发明内容
本发明针对如何增强陶瓷结合剂砂轮强度、预防破裂的问题，提供了砂轮用补强剂、补强砂轮及制备方法。
本发明提出的一种砂轮用补强剂，所述砂轮用补强剂包括以下重量份数的原料：
铝溶胶88~94份、NH4H2PO4 5~9份以及H3BO3 3~5份。
在其中一个实施例中，所述铝溶胶为工业铝溶胶，所述工业铝溶胶的固含量为13%~17%。
在其中一个实施例中，所述砂轮用补强剂冷藏保存。
本发明还提出了一种如上所述的砂轮用补强剂制备方法，所述砂轮补强剂制备方法包括以下步骤：
取配方量的铝溶胶与H3BO3混合，再加入配方量的NH4H2PO4混合，制得所述砂轮用补强剂。
本发明还提出了一种补强砂轮，砂轮烧结后经如上所述的砂轮用补强剂浸渍处理。
在其中一个实施例中，所述砂轮由包括以下重量份数的原料制成：陶瓷结合剂12~15份、白刚玉50~60份、锆刚玉 20~30份、羧甲基纤维素3~5份以及水2~3份。
在其中一个实施例中，所述陶瓷结合剂由包括以下重量份数的原料制成：硼玻璃粉20~30份、高岭土20~25份、铝矾土5~10份、石英粉20~30份以及长石粉10~20份。
本发明还提出了一种如上所述的补强砂轮制备方法，包括以下步骤：
配料，称取配方量的原料混合，制得砂轮坯料；
压坯，将所述砂轮坯料加压成型，制得砂轮坯体；
烧结，将所述砂轮坯体烧结，制得砂轮；
补强，将所述砂轮置于所述砂轮用补强剂中进行浸渍处理，浸渍处理后进行烘干处理，制得补强砂轮。
在其中一个实施例中，在所述补强步骤中，所述浸渍处理是在密闭容器中进行的，浸渍处理时的真空度为1~10-2 Pa，浸渍处理时间为10~15 min。
在其中一个实施例中，在所述补强步骤中，所述烘干处理是将浸渍处理后的砂轮于60~80 ℃温度下干燥4~6 h，室温下冷却放置144~168 h，制得补强砂轮。
上述砂轮用补强剂，铝溶胶、NH4H2PO4以及H3BO3按一定比例混合获得砂轮用补强剂。在较低温度下，砂轮用补强剂中的[BO3]3-会优先吸附于铝溶胶胶核外部的扩散层中，由于静电斥力作用，铝溶胶的胶核难与磷酸根相接触，保证了砂轮用补强剂的稳定性；对砂轮浸渍处理后，一般需要烘干以加快去除砂轮用补强剂中的水分，烘干时温度升高，NH4H2PO4水解程度提高，砂轮用补强剂的酸性增大，铝溶胶的稳定性降低，铝溶胶以Al(OH)3的形式析出，Al(OH)3与NH4H2PO4水化反应生成磷酸铝水泥，填充于砂轮的气孔中对砂轮进行补强，无需使用较高比例的陶瓷结合剂即能够提高砂轮强度、预防砂轮破裂，同时避免了由于使用高比例的陶瓷结合剂导致的砂轮变形、发泡、开裂等问题。
进一步地，H3BO3不仅作为砂轮用补强剂的稳定剂，使铝溶胶与NH4H2PO4隔离开，而且还具有润滑作用。铝溶胶与NH4H2PO4生成磷酸铝水泥后，砂轮用补强剂中的H3BO3将以小颗粒的形式存在于砂轮组织中，H3BO3为片层状结构，有很好的润滑作用，实现砂轮的自润滑，能有效降低磨削过程中砂轮的磨削力，获得表面光洁度更高的加工表面。
附图说明
图1 为本发明实施例一的补强砂轮制备方法流程图；
图2 为本发明实施例一的砂轮烧结后的组织结构显微镜照片；
图3 为本发明对比例一砂轮烧结后的组织结构显微镜照片；
图4 为本发明实施例一的砂轮补强后的组织结构显微镜照片；
图5 为本发明实施例一的补强砂轮磨削的齿轮表面粗糙 度曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。
本发明提出的一实施例的砂轮用补强剂，所述砂轮用补强剂包括以下重量份数的原料：
铝溶胶88~94份、NH4H2PO4 5~9份以及H3BO3 3~5份。
上述砂轮用补强剂，铝溶胶、NH4H2PO4以及H3BO3按一定比例混合获得砂轮用补强剂。在较低温度下，砂轮用补强剂中的[BO3]3-会优先吸附于铝溶胶胶核外部的扩散层中，由于静电斥力作用，铝溶胶的胶核难与磷酸根相接触，保证了砂轮用补强剂的稳定性；对砂轮浸渍处理后，一般需要烘干以加快去除砂轮用补强剂中的水分，烘干时温度升高，NH4H2PO4水解程度提高，砂轮用补强剂的酸性增大，铝溶胶的稳定性降低，铝溶胶以Al(OH)3的形式析出，Al(OH)3与NH4H2PO4水化反应生成磷酸铝水泥，磷酸铝水泥凝结速度快，强度高，填充于砂轮的气孔中对砂轮进行补强，无需使用较高比例的陶瓷结合剂即能够提高砂轮强度、预防砂轮破裂，同时避免了由于使用高比例的陶瓷结合剂导致的砂轮变形、发泡、开裂等问题。
进一步地，H3BO3不仅作为砂轮用补强剂的稳定剂，使铝溶胶与NH4H2PO4隔离开，而且还具有润滑作用。铝溶胶与NH4H2PO4生成磷酸铝水泥后，砂轮用补强剂中的H3BO3将以小颗粒的形式存在于砂轮组织中，H3BO3为片层状结构，有很好的润滑作用，实现砂轮的自润滑，能有效降低磨削过程中砂轮的磨削力，获得表面光洁度更高的加工表面。
作为一种可选实施方式，所述铝溶胶为工业铝溶胶，所述工业铝溶胶的固含量为13%~17%，进一步优选地，工业铝溶胶的固含量为15%。
选用固含量为13%~17%的工业铝溶胶，铝溶胶部分水解后的氢氧化铝与磷酸二氢铵的比例适当，生成的磷酸铝水泥用于填充砂轮中的气孔，实现对砂轮较好的补强作用。
可选地，NH4H2PO4以及H3BO3为工业级。
作为一种可选实施方式，所述砂轮用补强剂冷藏保存。优选地，砂轮用补强剂于4±1℃条件下冷藏保存备用。在较低的温度条件下，补强剂中的[BO3]3-会优先吸附于铝溶胶胶核外部的扩散层中，由于静电斥力作用，铝溶胶胶核很难与磷酸根相接触，保证了砂轮用补强剂的稳定性。需要说明的时，尽管较低温度条件下砂轮用补强剂具有较高的稳定性，但是温度不能过低，若温度过低导致砂轮用补强剂冻结将不利于砂轮用补强剂的稳定存在以及后期使用。综合考虑以上因素，砂轮用补强剂适宜于4±1℃条件下冷藏保存备用。
本发明还提出了一种上述砂轮用补强剂制备方法，所述砂轮补强剂制备方法包括以下步骤：
取配方量的铝溶胶与H3BO3混合，再加入配方量的NH4H2PO4混合，制得所述砂轮用补强剂。
可选地，先量取一定重量份数的工业铝溶胶，按配方比加入相应量的H3BO3在2000rpm的搅拌速度下搅拌0.5~1.0 h后，再按比例加入NH4H2PO4在2000 rpm的搅拌速度下搅拌0.5~1.0 h小时后，将制得砂轮用补强剂装入密闭容器后放入4℃的冰箱中冷藏待用。
先使铝溶胶与H3BO3在搅拌条件下混合，H3BO3的[BO3]3-会优先吸附于铝溶胶胶核外部的扩散层中，再与NH4H2PO4混合时，由于[BO3]3-的静电斥力作用，铝溶胶的胶核难与磷酸根相接触，从而能够进一步保证砂轮用补强剂的稳定性。
本发明还提出了一种补强砂轮，砂轮烧结后经如上所述的砂轮用补强剂浸渍处理。采用砂轮补强剂浸渍对砂轮浸渍处理后，一般需要烘干以加快去除砂轮用补强剂中的水分，烘干时温度升高，NH4H2PO4水解程度提高，砂轮用补强剂的酸性增大，铝溶胶的稳定性降低，铝溶胶以Al(OH)3的形式析出，Al(OH)3与NH4H2PO4水化反应生成磷酸铝水泥，磷酸铝水泥凝结速度快，强度高，填充于砂轮的气孔中对砂轮进行补强，无需使用较高比例的陶瓷结合剂即能够提高砂轮强度、预防砂轮破裂，同时避免了由于使用高比例的陶瓷结合剂导致的砂轮变形、发泡、开裂等问题。
作为一种可选实施方式，上述砂轮由包括以下重量份数的原料制成：陶瓷结合剂12~15份、白刚玉50~60份、锆刚玉 20~30份、羧甲基纤维素3~5份以及水2~3份。采用上述重量份数的原料制备的砂轮，陶瓷结合剂的用量为12~15%，相较于传统地陶瓷结合剂的用量比例不高，砂轮坯体烧结过程中出现的液相不多，从而烧结后不容易产生变形或发泡。
作为一种可选实施方式，所述陶瓷结合剂由包括以下重量份数的原料制成：硼玻璃粉20~30份、高岭土20~25份、铝矾土5~10份、石英粉20~30份以及长石粉10~20份。可选地，硼玻璃粉、高岭土、铝矾土、石英粉以及长石粉的粒径小于等于5 μm，以便更好地混合以及提高结合剂的粘结性。该陶瓷结合剂专用于砂轮中，优选地，用于本发明提出的补强砂轮中；更优选地，用于磨齿砂轮中。铁基齿轮是现代工业的常用零件，广泛应用于机械制造业，目前高端用途的铁基齿轮最后一道加工工序都是采用专用的陶瓷结合剂磨齿砂轮对齿轮进行磨削加工，这样可以提高齿轮的加工精度和表面光洁度。本发明的陶瓷结合剂，韧性较强，使用较少的量（12~15%）既可以实现对磨料较好的粘结作用，提高模具强度，能够减少或消除磨削过程中产生的磨屑粘附，提高磨削效率，并且该陶瓷结合剂在砂轮烧结后形成的多孔性结构，在浸渍砂轮用补强剂时能很好地被浸润、填充，能够在砂轮用补强剂内反应生产磷酸铝水泥石受到更好地补强作用，从而即使在齿轮硬度HRC在55以上、砂轮的受力很大的情况下，也能有效提高砂轮整体强度，避免砂轮破碎。
请参阅图1所示，本发明还提出了一种上述补强砂轮的制备方法，包括以下步骤：
S100，配料，称取配方量的原料混合，制得砂轮坯料；
S200，压坯，将所述砂轮坯料加压成型，制得砂轮坯体；
S300，烧结，将所述砂轮坯体烧结，制得砂轮；
S400，砂轮初加工，清除烧结后的所述砂轮的表面。
S500，补强，将所述砂轮置于所述砂轮用补强剂中进行浸渍处理，浸渍处理后进行烘干处理，制得补强砂轮。
上述补强砂轮制备方法，砂轮采用砂轮用补强剂补强后，砂轮用补强剂生成的磷酸铝水泥可填充于砂轮的气孔中，磷酸铝水泥不仅凝结速度快，而且强度高，能够实现对砂轮的补强作用，无需使用较高比例的陶瓷结合剂即能够提高砂轮强度、预防砂轮破裂，同时避免了由于使用高比例的陶瓷结合剂导致的砂轮变形、发泡、开裂等问题。
可选地，步骤S100中，按配方比将陶瓷结合剂的原料在球磨条件下混合均匀，球石为刚玉球，球料比为1:1，球磨石直径为5 cm；球磨坛直径600 mm，转速为50~80 rpm，球磨时间2~3 h，获得混合均匀的陶瓷结合剂。进一步按配方比将砂轮的原料在球磨条件下混合均匀，球石为刚玉球，球料比为1:1，球磨石直径为2 cm，球磨坛直径500 mm，转速为50~80rpm，球磨时间1~2 h，获得混合均匀的砂轮坯料。
可选地，步骤S200中，根据所要成型的补强砂轮的规格选取相应的模具，称取一定质量的砂轮坯料投入到模具中，加压成型，砂轮成型采用定模成型，成型密度为2.3~2.4 g/cm3，保压1 min，卸压，脱模，将成型后的齿轮素坯水平放置于SiC棚板上，室温下放置48 h后，放入70 ℃烘箱中干燥24 h，制得砂轮坯体。
可选地，步骤S300中，将砂轮坯体放入倒焰窑中，以升温速率4~6 ℃/min的速度升温至400~500 ℃，保温1~2 h，再以升温速率3~4 ℃/min的速度升温至1200~1280 ℃，保温4~6 h，关窑后将砂轮在窑内自然冷却，当炉温低于200 ℃时打开炉门冷却，温度低于70 ℃时将砂轮从窑中取出，制得烧结后的砂轮。
作为一种可选实施方式，步骤S400中，将烧结后的砂轮装夹于工具磨床上，使用金属结合剂碟型金刚石砂轮加工掉烧结后齿轮磨削砂轮表面硬皮，金刚石碟型砂轮直径为120~150 mm，工作转速8~12 m/s，磨齿砂轮转速20~30 m/s，金刚石砂轮与该砂轮转向相反，砂轮表面加工量1.0~1.5 mm，清除烧结后的砂轮1.0~1.5 mm厚度的表面，能够除去由于烧结在砂轮表面产生的硬皮，有利于砂轮用补强剂的浸入砂轮内部，提高浸渍效率。进一步地，由于本发明采用的陶瓷结合剂比例较低，烧结时液相少，不易导致砂轮变形，因此在步骤S400中，需要清除的表面厚度也较少，加工余量小，降低了制备成本。
可选地，步骤S500中的浸渍处理是在密闭容器中进行的，将砂轮完全浸没于砂轮用补强剂中进行浸渍，浸渍处理时抽真空，真空度为1~10-2 Pa，保压时间为10~15 min，泄压后打开密闭容器，取出浸渍好的砂轮。进一步地，步骤S500中的烘干处理是将浸渍处理后的砂轮于60~80 ℃温度下干燥4~6 h，室温下冷却放置144~168 h，制得补强砂轮。
实施例1
将硼玻璃粉、高岭土、铝矾土、石英粉和长石粉按质量比25:25:5:25:20称量后在球磨条件下混合均匀。球石为刚玉球，球料比为1:1，球磨石直径为5cm，球磨坛直径600 mm，转速为60 rpm，球磨时间2.5小时 h，获得混合均匀的陶瓷结合剂。
将陶瓷结合剂、60#白刚玉、80#锆刚玉、羧甲基纤维素和水按质量比12:50:30:5:3称量后在球磨条件下混合均匀。球石为刚玉球，球料比为1:1，球磨石直径为2 cm，球磨坛直径500 mm，转速为60 rpm，球磨时间1 h，获得混合均匀的砂轮坯料。
根据所要成型的砂轮规格选取相应的模具，称取一定质量的砂轮坯料，投入到模具中，加压成型，砂轮成型采用定模成型，成型密度为2.3 g/cm3，保压1 min，卸压，脱模，将成型后的砂轮素坯水平放置于SiC棚板上，室温下放置48 h后，放入70 ℃烘箱中干燥24 h。
将砂轮坯体放入倒焰窑中，以升温速率5 ℃/min的速度升温至500 ℃，保温1~2h，再以升温速率3 ℃/min的速度升温至1250 ℃，保温5 h，关窑后将砂轮在窑内自然冷却，当炉温低于200 ℃时打开炉门冷却，温度低于70 ℃时将砂轮从窑中取出，获得烧结后的砂轮。
将烧结后的砂轮装夹于工具磨床上，使用金属结合剂碟型金刚石砂轮加工掉烧结后砂轮表面硬皮，金刚石碟型砂轮直径为150mm，工作转速12 m/s，磨齿砂轮转速30 m/s，金刚石砂轮与磨齿砂轮转向相反，砂轮表面加工量1.5 mm。
砂轮用补强剂的配制
将工业铝溶胶：NH4H2PO4：H3BO3按质量比90:7:3称量后，将工业铝溶胶与H3BO3在2000 rpm的搅拌速度下搅拌1 h后，加入NH4H2PO4继续在2000 rpm的搅拌速度下搅拌0.5 h后，将制得的砂轮用补强剂装入密闭塑料容器后放入4 ℃的冰箱中待用。
将加工好的砂轮放入浸渍容器中，倒入制备的砂轮用补强剂，砂轮用补强剂完全淹没砂轮。密闭容器，抽真空，真空度达到10-1Pa时，保压15 min，然后卸压，打开容器，取出浸渍好的砂轮，放入70 ℃烘箱中保温5 h，取出在室温下放置168 h，获得补强砂轮。
对比例1
采用与实施例1相同的方法制备砂轮，与实施例1不同之处在于陶瓷结合剂、60#白刚玉、80#锆刚玉、羧甲基纤维素和水按质量比为25:50:30:5:3，并且不经过砂轮用补强剂浸渍处理。
本发明补强砂轮制备方法采用较低的陶瓷结合剂含量，利用干压成型无压烧结法制备出陶瓷结合剂砂轮，因为砂轮中陶瓷结合剂含量较低，烧结时液相含量少，烧结后组织结构如图2所示，烧结后组织结果均匀，不会象对比例1高结合剂含量砂轮那样烧结时产生如图3所示的发泡现象。进一步地，采用真空浸渍法将补强剂浸入到砂轮气孔中，浸渍有补强剂的砂轮，在70 ℃保温后NH4H2PO4与Al(OH)3水化反应生成磷酸铝水泥，填充于砂轮的气孔中，对砂轮起二次补强效果，砂轮的断口形貌如图4所示，断口形貌致密细腻，砂轮的抗弯强度达到106 MPa。进一步地，补强剂中的H3BO3以小颗粒的形式存在于砂轮组织中，有很好的润滑作用，如图5所示，实施例一制备的砂轮磨削加工的齿轮表面光洁度能达到Ra0.25 µm。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种砂轮用补强剂，其特征在于，所述砂轮用补强剂包括以下重量份数的原料：
铝溶胶88~94份、NH4H2PO4 5~9份以及H3BO3 3~5份。
2.根据权利要求1所述的砂轮用补强剂，其特征在于，所述铝溶胶为工业铝溶胶，所述工业铝溶胶的固含量为13%~17%。
3.根据权利要求1所述的砂轮用补强剂，其特征在于，所述砂轮用补强剂冷藏保存。
4.一种砂轮用补强剂的制备方法，所述制备方法用于制备如权利要求3所述的砂轮用补强剂，其特征在于，所述砂轮用补强剂的制备方法包括以下步骤：
取配方量的铝溶胶与H3BO3混合，再加入配方量的NH4H2PO4混合，制得所述砂轮用补强剂。
5.一种补强砂轮，其特征在于，砂轮烧结后经如权利要求1至3任意一项所述的砂轮用补强剂浸渍处理。
6.根据权利要求5所述的砂轮，其特征在于，所述砂轮由包括以下重量份数的原料制成：
陶瓷结合剂12~15份、白刚玉50~60份、锆刚玉 20~30份、羧甲基纤维素3~5份以及水2~3份。
7.根据权利要求6所述的砂轮，其特征在于，所述陶瓷结合剂由包括以下重量份数的原料制成：硼玻璃粉20~30份、高岭土20~25份、铝矾土5~10份、石英粉20~30份以及长石粉10~20份。
8.一种补强砂轮的制备方法，所述制备方法用于制备如权利要求5至7任意一项所述的补强砂轮，其特征在于，包括以下步骤：
配料，称取配方量的原料混合，制得砂轮坯料；
压坯，将所述砂轮坯料加压成型，制得砂轮坯体；
烧结，将所述砂轮坯体烧结，制得砂轮；
补强，将所述砂轮置于所述砂轮用补强剂中进行浸渍处理，浸渍处理后进行烘干处理，制得补强砂轮。
9.根据权利要求8所述的补强砂轮的制备方法，其特征在于，在所述补强步骤中，所述浸渍处理是在密闭容器中进行的，浸渍处理时的真空度为1~10-2 Pa，浸渍处理时间为10~15min。
10.根据权利要求8所述的补强砂轮的制备方法，其特征在于，在所述补强步骤中，所述烘干处理是将浸渍处理后的砂轮于60~80 ℃温度下干燥4~6 h，室温下冷却放置144~168h，制得补强砂轮。
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