CN110561283B - 自润滑磨齿砂轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自润滑磨齿砂轮，所述磨齿砂轮由包括以下重量份的原料制成：陶瓷结合剂12~20份、锆刚玉70~100份、碳化硅5~8份、黄糊精3~5份以及水2~3份。上述自润滑磨齿砂轮的原料中含有一定量的碳化硅，在磨齿砂轮的制备过程中，碳化硅最终会形成石墨颗粒以微米级颗粒的形式独立存在于砂轮组织结构中，不会吸附于刚玉磨料表面，不会影响陶瓷结合剂对刚玉磨料的粘接强度，在保证润滑性能的同时不会降低砂轮的使用寿命以及回转强度。

Description

自润滑磨齿砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于砂轮制造技术领域，具体涉及一种自润滑磨齿砂轮及其制备方法。

背景技术

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。但是磨齿砂轮在磨削齿轮的齿底时，由于磨齿砂轮与工件的接触面大，同时砂轮的三面被齿轮遮挡，冷却液很难进入磨削区，磨削力大，工件易烧伤，加工表面粗糙度大。针对该情况，常用的解决方法是在磨齿砂轮混料时加入质量百分比3%~5%的具有润滑性能的添加剂，如石墨或二硫化钼，磨齿砂轮烧结后润滑剂存在于磨齿砂轮组织中，磨削时，润滑剂在磨齿砂轮与齿轮之间形成低摩擦系数的润滑膜，有效的降低磨削力，提高齿轮加工表面质量。

但是，由于石墨或二硫化钼等润滑剂本身强度很低，在砂轮混料过程中，润滑剂会被砂轮中的刚玉等磨料研磨破碎，形成亚微米级的小颗粒，吸附在刚玉磨料表面。在砂轮的烧结过程中，刚玉表面吸附的润滑剂颗粒会极大的降低结合剂与刚玉等磨料的结合强度，轻者在磨削过程中使刚玉等磨料提前脱落，降低砂轮使用寿命；重者造成砂轮使用过程中破碎飞片，产生安全事故。如何避免由于加入润滑剂导致的结合剂与磨料的结合强度降低是亟需要解决的问题。

发明内容

本发明针对由于加入石墨、二硫化钼等润滑剂导致结合剂与磨料的结合强度降低的问题，提供一种自润滑磨齿砂轮及其制备方法。

本发明提供的一种自润滑磨齿砂轮，所述磨齿砂轮由包括以下重量份的原料制成：

陶瓷结合剂12~20份、锆刚玉70~100份、碳化硅5~8份、黄糊精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15~30份、无碱玻璃粉5~10份、锂辉石粉20~30份、高岭土30~50份以及铝矾土5~10份。

在其中一个实施例中，所述碳化硅为立方体碳化硅。

本发明还提供了一种如上所述的自润滑磨齿砂轮的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

配料，按配方比称取磨齿砂轮的制备原料并混合均匀，制得磨齿砂轮坯料；

成型，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，制得磨齿砂轮。

在其中一个实施例中，所述配料步骤中，磨齿砂轮的制备原料是在球磨机中混合的，所述球磨机的球磨石为刚玉球，球料比为1:1，球磨石直径为2 cm，球磨坛直径为500mm，转速为50~80 rpm，球磨时间为1~2 h。

在其中一个实施例中，所述配料步骤中，所述陶瓷结合剂是预先制备的，所述陶瓷结合剂的制备方法包括以下步骤：

称取配方量的陶瓷结合剂原料，通过球磨机混合而成，所述球磨机的球磨石为刚玉球，球料比为1:1，球磨石直径为2 cm，球磨坛直径为500 mm，转速为50~80 rpm，球磨时间为1~2 h。

在其中一个实施例中，所述成型步骤中，所述砂轮坯体的成型压力为50~70 MPa，成型保压时间为 0.5~2 min。

在其中一个实施例中，在所述成型步骤之后，还包括以下步骤：

干燥，将所述磨齿砂轮坯体室温放置22~26 h后，于60~70 ℃条件下干燥10~14 h。

在其中一个实施例中，所述烧结步骤中，烧结过程中，先以升温速率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900~1000℃，保温3~5 h后自然冷却。

在其中一个实施例中，所述烧结为埋砂烧结或真空烧结。

上述自润滑磨齿砂轮的原料中含有一定量的碳化硅，在磨齿砂轮的制备过程中，碳化硅最终会形成石墨颗粒以微米级颗粒的形式独立存在于砂轮组织结构中，不会吸附于刚玉磨料表面，不会影响陶瓷结合剂对刚玉磨料的粘接强度，在保证润滑性能的同时不会降低砂轮的使用寿命以及回转强度。

附图说明

图1 本发明实施例一的磨齿砂轮的组织结构显微照片；

图2为本发明实施例一的磨齿砂轮加工的齿轮齿底的表面形貌照片；

图3为传统的磨齿砂轮加工的齿轮齿底的表面形貌照片。

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。

本发明提供的一实施例的自润滑磨齿砂轮的制备方法，包括以下步骤：

配料，按配方比称取磨齿砂轮的制备原料并混合均匀，制得磨齿砂轮坯料；

成型，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，制得磨齿砂轮。

其中，磨齿砂轮的原料配比如下：

陶瓷结合剂12~20份、锆刚玉70~100份、碳化硅5~8份、黄糊精3~5份以及水2~3份。

上述自润滑磨齿砂轮的原料中含有一定量的碳化硅，碳化硅在较低温下能够稳定存在，而在将磨齿砂轮坯体烧结时，碳化硅在烧结温度下化学反应活性很大，而陶瓷结合剂中往往含有碱金属氧化物，碱金属氧化物会和碳化硅反应生成碱金属的硅酸盐和石墨颗粒，磨齿砂轮组织中的石墨颗粒在砂轮磨削过程中提供润滑作用，从而获得自润滑磨齿砂轮。本发明采用碳化硅作为石墨润滑剂的前驱体，在磨齿砂轮配料以及成型过程中均不存在石墨或二硫化钼等低强度润滑剂成分，而碳化硅的抗压强度和硬度都高于锆刚玉磨料，所以在配料混合和成型过程中碳化硅保持其本身粒度，不会破碎成亚微米级的小颗粒吸附于锆刚玉上而降低磨料与陶瓷结合剂的结合强度从而降低砂轮的强度。在烧结温度下，陶瓷结合剂变为液相，陶瓷结合剂中的碱金属氧化物与碳化硅发生反应生成碱金属硅酸盐和石墨单质，碱金属硅酸盐通过热扩散进入到陶瓷结合剂中，而石墨单质就在碳化硅原来的位置原位生成，以大颗粒的形式存在于磨齿砂轮的组织结构中，不会以亚微米级小颗粒的形式存在于刚玉磨料表面，对磨齿砂轮的强度以及使用寿命和强度无不良影响。同时齿轮磨削砂轮磨削过程中，砂轮中的石墨颗粒能产生润滑作用，显著的提高零件加工面的表面光洁度。

进一步地，自润滑磨齿砂轮的原料中含有的黄糊精对砂轮的初期定性具有极佳的效果，能够使碳化硅均匀稳定地分布在砂轮中，从而提高碳化硅通过反应生成的石墨颗粒在砂轮中分布的均匀性，有利于进一步提高磨齿砂轮的自润滑效果。

作为一种可选实施方式，陶瓷结合剂的原料配比如下：

硼玻璃粉15~30份、无碱玻璃粉5~10份、锂辉石粉20~30份、高岭土30~50份以及铝矾土5~10份。

陶瓷结合剂的上述原料配比，一方面能形成磨齿砂轮的专用陶瓷结合剂，提高陶瓷结合剂与磨料的结合能力，另一方面其中的硼玻璃粉以及锂辉石粉都含有大量的碱金属氧化物，为陶瓷结合剂在烧结过程中为与碳化硅的反应提供了充足的碱金属氧化物，从而促进碳化硅的充分反应，以提高碳化硅反应生成石墨的比例，从而提高磨齿砂轮的自润滑效果。

作为一种可选实施方式，磨齿砂轮中的碳化硅为立方体碳化硅。立方碳化硅为碳化硅的低温稳定晶型-金刚石晶型，其强度以及硬度都高于锆刚玉磨料，在配料与锆刚玉磨料混合时，立方碳化硅均会保持其原有的粒度，不会被锆刚玉磨料破碎而吸附于磨料表面。

作为一种可选实施方式，硼玻璃粉、无碱玻璃粉、锂辉石粉、高岭土以及铝矾土的粒径均小于等于5μm。作为陶瓷结合剂的原料，粒径越小越有利于其发挥结合剂的作用，增强与磨料之间的粘结强度。

进一步地，磨齿砂轮原料中的锆刚玉磨料可以根据磨齿砂轮的应用范围选择适宜粒度的磨料。作为一种可选实施方式，在本实施例中，磨齿砂轮原料中的锆刚玉包括目数为60#的锆刚玉以及目数为80#的锆刚玉，60#的锆刚玉配比为60~70份，80#的锆刚玉配比为10~30份。以该配比范围的锆刚玉磨料制备的磨齿砂轮，是应用绝大部分铁基齿轮的精细磨削加工。其中，锆刚玉磨料可购于市售的工业级锆刚玉原料。

进一步，作为一种可选实施方式，碳化硅的目数为80~320#。碳化硅粒径在此范围内，砂轮烧结时形成的石墨颗粒在碳化硅原位生成，其粒径在在此范围内。使石墨的粒径在80~320#，能够提高石墨对磨齿砂轮磨削过程的自润滑效果。可选地，碳化硅可购于市售的工业级碳化硅原料。

作为一种可选实施方式，所述配料步骤中，磨齿砂轮的制备原料是在球磨机中混合的，所述球磨机的球磨石为刚玉球，球料比为1:1，球磨石直径为2 cm，球磨坛直径为500mm，转速为50~80 rpm，球磨时间为1~2 h。通过球磨处理使磨齿砂轮的制备原料充分混合，并且混合时碳化硅不会被刚玉球磨石或锆刚玉磨料粉碎而吸附在磨料表面。

作为一种可选实施方式，所述配料步骤中，所述陶瓷结合剂是预先制备的，所述陶瓷结合剂的制备方法包括以下步骤：

称取配方量的陶瓷结合剂原料，通过球磨机混合而成，所述球磨机的球磨石为刚玉球，球料比为1:1，球磨石直径为2 cm，球磨坛直径为500 mm，转速为50~80 rpm，球磨时间为1~2 h。通过球磨处理使陶瓷结合剂原料充分混合均匀，更有利于陶瓷结合剂发挥其粘结作用，提高粘结性。

作为一种可选实施方式，所述成型步骤中，所述砂轮坯体的成型压力为50~70MPa，成型保压时间为 0.5~2 min。

作为一种可选实施方式，在所述成型步骤之后，还包括以下步骤：

干燥，将所述磨齿砂轮坯体室温放置22~26 h后，于60~70 ℃条件下干燥10~14 h。由于磨齿砂轮配料中含有水，通过添加适量的水能够提高砂轮坯体的成型，然而，若坯体中含有较多的水分将影响烧结效果，本发明依次通过室温干燥以及60~70 ℃条件下干燥，能够避免干燥过程中产生龟裂并能够提高干燥效率，也有利于提高烧结效果。

作为一种可选实施方式，所述烧结步骤中，烧结过程中，先以升温速率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900~1000℃，保温3~5 h后自然冷却。通过上述烧结升温速率的控制以及烧结温度控制，既能够满足砂轮的烧结要求，又能够使碱金属氧化物与碳化硅进行良好的反应。

作为一种可选实施方式，所述烧结为埋砂烧结或真空烧结。通过埋砂烧结或真空烧结，能够使烧结过程中砂轮隔绝氧气，避免石墨颗粒被氧化造成自润滑效果的失效。

实施例1

Step 1，分别称取硼玻璃粉20 kg、无碱玻璃粉10 kg、锂辉石粉30 kg、高岭土30kg以及铝矾土10 kg，采用球磨干混，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500mm，转速为60 rpm，球磨时间1 h，制得混合均匀的磨齿砂轮用陶瓷结合剂。

Step 2，分别称取上述陶瓷结合剂15 kg、60#锆刚玉60 kg、80#锆刚玉15kg、100#立方碳化硅5 kg、黄糊精3 kg以及水2 kg，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2 h，获得混合均匀的自润滑磨齿砂轮坯料。

Step 3，根据所要成型的磨齿砂轮规格选取相应的模具并称取相应质量的磨齿砂轮坯料，投入到模具中，加压成型，成型压力70 MPa，保压1 min，卸压，脱模，将成型后的砂轮坯体水平放置于SiC棚板上，室温下放置24 h后，放入70 ℃烘箱中干燥12 h，制得干燥后的砂轮坯体。

Step 4，将磨齿砂轮坯体装入到耐火黏土制备的匣砵中，用150#白刚玉粉将自润滑精密磨削砂轮完全掩埋，白刚玉埋粉的高度高于砂轮上表面1.5 cm。将埋好刚玉的匣砵放入井式炉中，以升温速率5 ℃/min的速度升温至500 ℃，保温1 h，再以升温速率4 ℃/min的速度升温至1000 ℃，保温3 h，关炉后将齿轮磨削砂轮在电炉内自然冷却，当炉温低于150 ℃时打开炉门冷却，温度低于70 ℃时将齿轮磨削砂轮从匣砵中取出，制得磨齿砂轮成品。

本实施例制备的磨齿砂轮的组织结构请如图1所示，可以看出，石墨颗粒以大颗粒的形式均匀分布于磨齿砂轮的组织结构中，不会以亚微米级小颗粒的形式存在于锆刚玉磨料表面，并且对砂轮的使用寿命以及强度物不良影响。进一步地，该磨齿砂轮加工的齿轮齿底的表面形貌如图2所示，对比如图3所示的传统地未添加石墨的磨齿砂轮加工的齿轮齿底的表面形貌，本实施例的磨齿砂轮中的石墨颗粒能在齿轮磨削过程中产生润滑作用，显著提高齿轮加工面的表面光洁度。

实施例2

Step 1，分别称取硼玻璃粉15 kg、无碱玻璃粉5 kg、锂辉石粉20 kg、高岭土30kg以及铝矾土5 kg，采用球磨干混，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500mm，转速为50 rpm，球磨时间1 h，制得混合均匀的磨齿砂轮用陶瓷结合剂。

Step 2，分别称取上述陶瓷结合剂12 kg、60#锆刚玉60 kg、80#锆刚玉10 kg、80#立方碳化硅5 kg、黄糊精3 kg以及水2 kg，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 rpm，球磨时间1 h，获得混合均匀的自润滑磨齿砂轮坯料。

Step 3，根据所要成型的磨齿砂轮规格选取相应的模具并称取相应质量的磨齿砂轮坯料，投入到模具中，加压成型，成型压力50 MPa，保压0.5 min，卸压，脱模，将成型后的砂轮坯体水平放置于SiC棚板上，室温下放置22 h后，放入60 ℃烘箱中干燥10 h，制得干燥后的砂轮坯体。

Step 4，将磨齿砂轮坯体装入到耐火黏土制备的匣砵中，用150#白刚玉粉将自润滑精密磨削砂轮完全掩埋，白刚玉埋粉的高度高于砂轮上表面1.5 cm。将埋好刚玉的匣砵放入井式炉中，以升温速率4 ℃/min的速度升温至400 ℃，保温1 h，再以升温速率3 ℃/min的速度升温至900 ℃，保温3 h，关炉后将齿轮磨削砂轮在电炉内自然冷却，当炉温低于150 ℃时打开炉门冷却，温度低于70 ℃时将齿轮磨削砂轮从匣砵中取出，制得磨齿砂轮成品。

实施例3

Step 1，分别称取硼玻璃粉30 kg、无碱玻璃粉10 kg、锂辉石粉30 kg、高岭土50kg以及铝矾土10 kg，采用球磨干混，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80 rpm，球磨时间2 h，制得混合均匀的磨齿砂轮用陶瓷结合剂。

Step 2，分别称取上述陶瓷结合剂20 kg、60#锆刚玉70 kg、80#锆刚玉30 kg、320#立方碳化硅8 kg、黄糊精5 kg以及水3 kg，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80 rpm，球磨时间2 h，获得混合均匀的自润滑磨齿砂轮坯料。

Step 3，根据所要成型的磨齿砂轮规格选取相应的模具并称取相应质量的磨齿砂轮坯料，投入到模具中，加压成型，成型压力70 MPa，保压2 min，卸压，脱模，将成型后的砂轮坯体水平放置于SiC棚板上，室温下放置26 h后，放入70 ℃烘箱中干燥14 h，制得干燥后的砂轮坯体。

Step 4，将磨齿砂轮坯体装入到耐火黏土制备的匣砵中，用150#白刚玉粉将自润滑精密磨削砂轮完全掩埋，白刚玉埋粉的高度高于砂轮上表面1.5 cm。将埋好刚玉的匣砵放入井式炉中，以升温速率6 ℃/min的速度升温至500 ℃，保温2 h，再以升温速率4 ℃/min的速度升温至1000 ℃，保温5 h，关炉后将齿轮磨削砂轮在电炉内自然冷却，当炉温低于150 ℃时打开炉门冷却，温度低于70 ℃时将齿轮磨削砂轮从匣砵中取出，制得磨齿砂轮成品。

实施例4

Step 1，分别称取硼玻璃粉25 kg、无碱玻璃粉7 kg、锂辉石粉25 kg、高岭土40 kg以及铝矾土7 kg，采用球磨干混，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 rpm，球磨时间1.5 h，制得混合均匀的磨齿砂轮用陶瓷结合剂。

Step 2，分别称取上述陶瓷结合剂17 kg、60#锆刚玉65 kg、80#锆刚玉20 kg、250#立方碳化硅7 kg、黄糊精4 kg以及水2.5 kg，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70 rpm，球磨时间1.5 h，获得混合均匀的自润滑磨齿砂轮坯料。

Step 3，根据所要成型的磨齿砂轮规格选取相应的模具并称取相应质量的磨齿砂轮坯料，投入到模具中，加压成型，成型压力65 MPa，保压1 min，卸压，脱模，将成型后的砂轮坯体水平放置于SiC棚板上，室温下放置24 h后，放入65 ℃烘箱中干燥12 h，制得干燥后的砂轮坯体。

Step 4，将磨齿砂轮坯体装入到耐火黏土制备的匣砵中，用150#白刚玉粉将自润滑精密磨削砂轮完全掩埋，白刚玉埋粉的高度高于砂轮上表面1.5 cm。将埋好刚玉的匣砵放入井式炉中，以升温速率5 ℃/min的速度升温至450 ℃，保温1.5 h，再以升温速率3.5℃/min的速度升温至950 ℃，保温4 h，关炉后将齿轮磨削砂轮在电炉内自然冷却，当炉温低于150 ℃时打开炉门冷却，温度低于70 ℃时将齿轮磨削砂轮从匣砵中取出，制得磨齿砂轮成品。

进一步使用实施例2至4制备的磨齿砂轮齿轮齿底，均能得到较高的表面光洁度，并且均未产生工件烧伤现象。

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 (7)

1.一种自润滑磨齿砂轮，其特征在于，所述磨齿砂轮由包括以下重量份的原料制成：

陶瓷结合剂12~20份、锆刚玉70~100份、碳化硅5~8份、黄糊精3~5份以及水2~3份；

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15~30份、无碱玻璃粉5~10份、锂辉石粉20~30份、高岭土30~50份以及铝矾土5~10份；

所述自润滑磨齿砂轮的制备方法包括以下步骤：

配料，按配方比称取磨齿砂轮的制备原料并混合均匀，制得磨齿砂轮坯料；

成型，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，制得磨齿砂轮，所述烧结为埋砂烧结或真空烧结。

2.根据权利要求1所述的自润滑磨齿砂轮，其特征在于，所述碳化硅为立方体碳化硅。

3.根据权利要求1所述的自润滑磨齿砂轮，其特征在于，所述配料步骤中，磨齿砂轮的制备原料是在球磨机中混合的，所述球磨机的球磨石为刚玉球，球料比为1:1，球磨石直径为2 cm，球磨坛直径为500 mm，转速为50~80 rpm，球磨时间为1~2 h。

4.根据权利要求1所述的自润滑磨齿砂轮，其特征在于，所述配料步骤中，所述陶瓷结合剂是预先制备的，所述陶瓷结合剂的制备方法包括以下步骤：

称取配方量的陶瓷结合剂原料，通过球磨机混合而成，所述球磨机的球磨石为刚玉球，球料比为1:1，球磨石直径为2 cm，球磨坛直径为500 mm，转速为50~80 rpm，球磨时间为1~2h。

5.根据权利要求1所述的自润滑磨齿砂轮，其特征在于，所述成型步骤中，所述砂轮坯体的成型压力为50~70 MPa，成型保压时间为 0.5~2 min。

6.根据权利要求5所述的自润滑磨齿砂轮，其特征在于，在所述成型步骤之后，还包括以下步骤：

干燥，将所述砂轮坯体室温放置22~26 h后，于60~70 ℃条件下干燥10~14 h。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的自润滑磨齿砂轮，其特征在于，所述烧结步骤中，烧结过程中，先以升温速率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900~1000℃，保温3~5 h后自然冷却。

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