CN112775857B - 一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法 - Google Patents

一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，包括：将一定比例的SiO2、Al2O3、B2O3、ZrO2、TiO2、CaCO3、P2O5、Na20、Li2O混合后经过熔炼、冷却、粉碎、球磨均匀，得到的混合粉体与表面活性剂加入溶剂中分散均匀，然后加入正硅酸乙酯搅拌反应，喷雾干燥，然后微波处理，得到晶化陶瓷结合剂；将磨料、表面活性剂和水混合后高能球磨，得到预处理磨料；将预处理磨料、晶化陶瓷结合剂、造孔剂和临时粘结剂混合均匀，压制成坯体，然后保温烧结，即得。本发明能有效改善磨料与陶瓷粘结剂之间的润湿性和结合力，显著提高磨具的强度，改善磨具的使用性能和使用寿命。

Description

一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法。
背景技术
以金刚石、立方氮化硼等超硬材料作为磨料，在结合剂的粘结作用下粘结制成的磨具具有稳定性好、使用寿命长等优点，磨削效率很高，而且磨削后工件的表面不易产生缺陷，质量好，可以满足加工自动化的发展需求，在机械加工中得到了广泛的应用。结合剂主要有金属结合剂、树脂结合剂和陶瓷结合剂等。其中，陶瓷结合剂的作用原理是在烧结过程中发生晶相成核与晶化，其对磨粒的把持性好、使用寿命长、刚性和耐热性相对较强，适用于高精密加工领域。其中，强度是磨具的关键技术指标，陶瓷结合剂的性能和陶瓷结合剂磨具的制备工艺对磨具的强度具有至关重要的作用。因此，如何改进陶瓷结合剂的性能，改良陶瓷结合剂磨具的制备工艺，从而提高磨具的强度，成为当前的研究重点。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法。
本发明提出的一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量百分比计，称取40-50％SiO2、5-10％Al2O3、15-20％B2O3、2-5％ZrO2、3-5％TiO2、3-8％CaCO3、2-5％P2O5、3-10％Na20、2-7％Li2O，混合后经过熔炼、冷却、粉碎、球磨均匀，得到混合粉体；
S2、将所述混合粉体与表面活性剂加入溶剂中分散均匀，然后加入正硅酸乙酯搅拌反应2-4h，喷雾干燥，然后微波处理，得到晶化陶瓷结合剂；
S3、将磨料、表面活性剂和水按照比例1g：(0.1-0.15)g：(2-3)mL加入行星式高能球磨机中，以钢球为球磨介质，在转速为300-400r/min的条件下高能球磨15-20h，干燥后得到预处理磨料；
S4、将所述预处理磨料、所述晶化陶瓷结合剂、造孔剂和临时粘结剂混合均匀，压制成坯体，然后保温烧结，即得。
优选地，所述步骤S1中，熔炼的温度为1300-1350℃。
优选地，所述步骤S1中，混合粉体的粒度为150-200目。
优选地，所述步骤S2中，混合粉体、正硅酸乙酯、表面活性剂、溶剂的比例为(5-7)g：(1-2)mL：(0.5-1)g：(40-50)mL。
优选地，所述步骤S2中，溶剂由无水乙醇、质量分数为20-25％的氨水溶液、水按体积比(20-30)：(10-15)：(3-5)混合得到。
优选地，所述步骤S2中，微波处理的功率为500-1000W，时间为10-15min。
优选地，所述步骤S3中，磨料和钢球的质量比为1：(10-15)。
优选地，所述步骤S2和S3中，表面活性剂为CTAB；所述步骤S3中，磨料为金刚石或者六方氮化硼。
优选地，所述步骤S3中，磨料的粒度为150-200目。
优选地，所述步骤S4中，预处理磨料、晶化陶瓷结合剂、造孔剂和临时粘结剂的质量比为100：(40-50)：(10-15)：(5-10)，所述造孔剂为NH4HCO3，所述临时粘结剂为糊精。
优选地，所述步骤S4中，烧结温度为750-800℃，烧结时间为2-3h。
一种晶化陶瓷结合剂磨具，由所述的制备方法制得。
本发明的有益效果如下：
本发明通过CTAB辅助高能球磨对磨料进行预处理，提高磨料细度的同时将具有表面活性的CTAB结合在磨料表面，通过溶胶-凝胶、喷雾干燥法在陶瓷结合剂表面负载CTAB改性的纳米级SiO2，一方面CTAB结合在陶瓷结合剂表面，提高陶瓷结合剂的表面活性以及与磨料之间的润湿性，使结合剂能够均匀铺展到磨料表面，提高结合剂对磨料的把持力以及结合剂对空隙的充填性，有效提高磨具的强度；另一方面利用纳米级SiO2的高活性，并结合微波活化处理，能够提高陶瓷结合剂的活性，增强磨料与陶瓷粘结剂之间的相互作用，从而提高结合力，进一步提高磨具的强度，改善磨具的使用性能和使用寿命。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量百分比计，称取40％SiO2、10％Al2O3、20％B2O3、2％ZrO2、3％TiO2、5％CaCO3、5％P2O5、10％Na20、5％Li2O，混合后在1300℃下熔炼，然后冷却，粉碎，球磨至150-200目，得到混合粉体；
S2、将混合粉体与CTAB加入溶剂中分散均匀，然后加入正硅酸乙酯搅拌反应2-4h，喷雾干燥，然后在功率为500W的条件下微波处理15min，得到晶化陶瓷结合剂，其中混合粉体、正硅酸乙酯、CTAB、溶剂的比例为5g：1mL：0.5g：40mL，溶剂由无水乙醇、质量分数为25％的氨水溶液、水按体积比20：10：3混合得到；
S3、将粒度为150-200目的金刚石、CTAB和水按照比例1g：0.1g：2mL加入行星式高能球磨机中，以钢球为球磨介质，在转速为300r/min的条件下高能球磨20h，干燥后得到预处理磨料，其中磨料和钢球的质量比为1：10；
S4、将预处理磨料、晶化陶瓷结合剂、NH4HCO3和糊精按质量比为100：40：10：5混合均匀，压制成坯体，然后在750℃保温烧结3h，即得。
实施例2
一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量百分比计，称取50％SiO2、5％Al2O3、15％B2O3、5％ZrO2、5％TiO2、8％CaCO3、2％P2O5、3％Na20、7％Li2O，混合后在1350℃下熔炼，然后冷却，粉碎，球磨至150-200目，得到混合粉体；
S2、将混合粉体与CTAB加入溶剂中分散均匀，然后加入正硅酸乙酯搅拌反应2-4h，喷雾干燥，然后在功率为1000W的条件下微波处理10min，得到晶化陶瓷结合剂，其中混合粉体、正硅酸乙酯、CTAB、溶剂的比例为7g：2mL：1g：50mL，溶剂由无水乙醇、质量分数为25％的氨水溶液、水按体积比30：15：5混合得到；
S3、将粒度为150-200目的金刚石、CTAB和水按照比例1g：0.15g：3mL加入行星式高能球磨机中，以钢球为球磨介质，在转速为400r/min的条件下高能球磨15h，干燥后得到预处理磨料，其中磨料和钢球的质量比为1：15；
S4、将预处理磨料、晶化陶瓷结合剂、NH4HCO3和糊精按质量比为100：50：15：10混合均匀，压制成坯体，然后在800℃保温烧结2h，即得。
实施例3
一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量百分比计，称取45％SiO2、8％Al2O3、17％B2O3、4％ZrO2、4％TiO2、3％CaCO3、4％P2O5、9％Na20、6％Li2O，混合后在1300-1350℃下熔炼，然后冷却，粉碎，球磨至150-200目，得到混合粉体；
S2、将混合粉体与CTAB加入溶剂中分散均匀，然后加入正硅酸乙酯搅拌反应3h，喷雾干燥，然后在功率为800W的条件下微波处理12min，得到晶化陶瓷结合剂，其中混合粉体、正硅酸乙酯、CTAB、溶剂的比例为6g：1.5mL：0.75g：45mL，溶剂由无水乙醇、质量分数为25％的氨水溶液、水按体积比24：12：4混合得到；
S3、将粒度为150-200目的金刚石、CTAB和水按照比例1g：0.125g：2.5mL加入行星式高能球磨机中，以钢球为球磨介质，在转速为350r/min的条件下高能球磨18h，干燥后得到预处理磨料，其中磨料和钢球的质量比为1：12；
S4、将预处理磨料、晶化陶瓷结合剂、NH4HCO3和糊精按质量比为100：45：12.5：7.5混合均匀，压制成坯体，然后在780℃保温烧结2.5h，即得。
对比例1
一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量百分比计，称取45％SiO2、8％Al2O3、17％B2O3、4％ZrO2、4％TiO2、3％CaCO3、4％P2O5、9％Na20、6％Li2O，混合后在1300-1350℃下熔炼，然后冷却，粉碎，球磨至150-200目，得到晶化陶瓷结合剂；
S2、将粒度为150-200目的金刚石、CTAB和水按照比例1g：0.125g：2.5mL加入行星式高能球磨机中，以钢球为球磨介质，在转速为350r/min的条件下高能球磨18h，干燥后得到预处理磨料，其中磨料和钢球的质量比为1：12；
S3、将预处理磨料、晶化陶瓷结合剂、NH4HCO3和糊精按质量比为100：45：12.5：7.5混合均匀，压制成坯体，然后在780℃保温烧结2.5h，即得。
对比例2
一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量百分比计，称取45％SiO2、8％Al2O3、17％B2O3、4％ZrO2、4％TiO2、3％CaCO3、4％P2O5、9％Na20、6％Li2O，混合后在1300-1350℃下熔炼，然后冷却，粉碎，球磨至150-200目，得到混合粉体；
S2、将混合粉体与CTAB加入溶剂中分散均匀，然后加入正硅酸乙酯搅拌反应3h，喷雾干燥，然后在功率为800W的条件下微波处理12min，得到晶化陶瓷结合剂，其中混合粉体、正硅酸乙酯、CTAB、溶剂的比例为6g：1.5mL：0.75g：45mL，溶剂由无水乙醇、质量分数为25％的氨水溶液、水按体积比24：12：4混合得到；
S3、将粒度为150-200目的金刚石、晶化陶瓷结合剂、NH4HCO3和糊精按质量比为100：45：12.5：7.5混合均匀，压制成坯体，然后在780℃保温烧结2.5h，即得。
对比例3
一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量百分比计，称取45％SiO2、8％Al2O3、17％B2O3、4％ZrO2、4％TiO2、3％CaCO3、4％P2O5、9％Na20、6％Li2O，混合后在1300-1350℃下熔炼，然后冷却，粉碎，球磨至150-200目，得到晶化陶瓷结合剂；
S2、将粒度为150-200目的金刚石、晶化陶瓷结合剂、NH4HCO3和糊精按质量比为100：45：12.5：7.5混合均匀，压制成坯体，然后在780℃保温烧结2.5h，即得。
试验例
将实施例3和对比例1-3制得的磨具进行性能测试，结果如表1所示：
表1磨具性能测试结果
Figure BDA0002874046930000061
Figure BDA0002874046930000071
从表1可以看出，本发明制备的磨具与对比例1仅对磨料进行预处理、对比例2仅对陶瓷结合剂进行改性、以及对比例3的传统工艺制备的磨具相比，强度得到显著提高，具有更为优良的使用性能和耐久性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按质量百分比计，称取40-50%SiO2、5-10%Al2O3、15-20%B2O3、2-5%ZrO2、3-5%TiO2、3-8%CaCO3、2-5%P2O5、3-10%Na20、2-7%Li2O，混合后经过熔炼、冷却、粉碎、球磨均匀，得到混合粉体；
S2、将所述混合粉体与CTAB加入溶剂中分散均匀，然后加入正硅酸乙酯搅拌反应2-4h，喷雾干燥，然后微波处理，得到晶化陶瓷结合剂；
S3、将磨料、CTAB和水按照比例1g：（0.1-0.15）g：（2-3）mL加入行星式高能球磨机中，以钢球为球磨介质，在转速为300-400r/min的条件下高能球磨15-20h，干燥后得到预处理磨料；
S4、将所述预处理磨料、所述晶化陶瓷结合剂、造孔剂和临时粘结剂混合均匀，压制成坯体，然后保温烧结，即得。
2.根据权利要求1所述的晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，熔炼的温度为1300-1350℃。
3.根据权利要求1或2所述的晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，混合粉体、正硅酸乙酯、CTAB、溶剂的比例为（5-7）g：（1-2）mL：（0.5-1）g：（40-50）mL。
4.根据权利要求1所述的晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，溶剂由无水乙醇、质量分数为20-25%的氨水溶液、水按体积比（20-30）：（10-15）：（3-5）混合得到。
5.根据权利要求1所述的晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，微波处理的功率为500-1000W，时间为10-15min。
6.根据权利要求1所述的晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，磨料和钢球的质量比为1：（10-15）。
7.根据权利要求1所述的晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，磨料为金刚石或者六方氮化硼。
8.根据权利要求1所述的晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，预处理磨料、晶化陶瓷结合剂、造孔剂和临时粘结剂的质量比为100：（40-50）：（10-15）：（5-10），所述造孔剂为NH4HCO3，所述临时粘结剂为糊精。
9.根据权利要求1所述的晶化陶瓷结合剂磨具的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，烧结温度为750-800℃，烧结时间为2-3h。
10.一种晶化陶瓷结合剂磨具，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得。
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