CN105856078B - 一种自锐性烧结磨料制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

一种自锐性烧结磨料的制备方法和用途，其特征是将所需原料按百分比计量、混料、胶结、破碎、分级、烧结以及后处理等工序制得优质烧结磨料。所述烧结磨料具有适当的自锐性，磨削过程中烧结大颗粒不是整颗脱落，而是烧结磨料内部原料小颗粒之间的结合剂疲劳破坏、失效继而导致破碎，组成烧结磨料的原始小颗粒磨粒逐一脱落。本发明提供的烧结磨料具有良好的自锐性，有利于稳定加工效率、提高磨料使用率；可用于磨削、研磨抛光、珩磨、锯切等加工工艺中，也可制成砂轮、研磨垫、珩磨头、锯片等成品工具。本发明提供的方法具有工艺简单、成品率高、成本低等优点。

Description

一种自锐性烧结磨料制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种磨料的加工方法，尤其是一种磨料制备、磨料加工（磨削、研磨、抛光、珩磨、锯切加工），具体地说是一种自锐性烧结磨料的制备方法和用途。

背景技术

由于具有高硬度、高强度，高耐磨性以及线膨胀系数小等一系列优异的物理化学特性，金刚石、碳化硅、氧化铈等磨料在磨料加工领域得到日愈广泛的应用。加工过程中，磨具中磨料与结合剂之间一般是机械镶嵌，循环应力作用下导致磨料颗粒破碎、磨钝、以及易脱落等失效形式。磨料的过早脱落，不仅缩短了磨具的使用寿命而且不利于加工的稳定性；磨钝后的磨料无法及时脱落，造成加工效率的下降和工件的烧伤，因此提高磨料的使用率以及稳定加工效率成为了研究的热点问题。

从上个世纪70年代开始国内外的学者做了大量的研究，主要采用磨料表面改性技术、制备多晶磨粒来改善磨料的使用性能，进而达到提高其加工效率和使用寿命的目的。在对磨料进行表面改性的过程中，人们所采用的改性剂和工艺也各不相同，从最初单一的金属元素到合金元素，以及后来的非金属材料，在镀覆工艺上也经历了从化学镀到真空微蒸发镀等多种方式。由于待加工材料性能的多样性，使得磨料改性工艺研究尤为繁杂。采用镀覆金刚石制备的磨具，虽然磨具作用寿命得到提高，但极易导致钝化的磨料无法及时脱落，造成加工性能的急剧无法，需进行修整后，才能继续使用。多晶磨料使用过程中，棱角钝化的磨料容易脱落，具有较强的自锐性。现有的多晶金刚石微粉是利用独特的定向爆破法由石墨制得，制备工艺复杂、成本高，产量受限。因此，一种制备方法简单、成本低、磨削力适当、自锐性好、可广泛应用于磨削、研磨和抛光、珩磨等加工技术领域的磨料制备方法亟待开发。

发明内容

本发明的目的是针对现有的固结磨料工具在使用过程中会出现磨料脱落或易磨钝，无法实现自我修复的问题，提出一种制备简单且自锐性好的固结磨料的烧结方法，它通过原辅料设计、胶黏剂优选、破碎分级技术改进、烧结及后处理工序温度控制一系列工序，采用高温烧结方法得到优质的烧结磨料，可广泛应用于各类材料的磨削、研磨和抛光、珩磨和锯切等加工技术领域中。

本发明的技术方案是：

一种自锐性烧结磨料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

（1）将磨料颗粒、高温粘结剂及辅助添加剂按质量百分比计量，混合均匀制成混合物；磨料颗粒的重量百分比为50-70%，高温粘结剂的重量比为22-38%，辅助添加剂的重量比为0.5~30%；把烧结磨料的原料磨料颗粒、高温粘结剂及辅助添加剂，按照质量百分比计量并混合均匀；所述原料中磨料颗粒可以是单晶或多晶形态的金刚石、氧化铝、碳化硅、氧化铈等磨料，粒径分布在100纳米~50微米之间，尤其是200纳米~20微米之间的原料颗粒；所述高温粘接剂可以是二氧化硅、氧化钠、氧化铝、氧化铅、氧化锌、氧化钙、氧化钾、氧化镧、氧化硼等中的一种或多种混合物，含量约为磨料微粒的5~50%，通过改变高温粘结剂的用量和配比可控制胶结结合强度；所述辅助添加剂为铜粉、铁粉、镍等具有较好的形变能力和粘结能力的粉末辅料，填充在磨料微粒空隙中有利于粘结成型和缓冲破碎过程，含量最好约为磨料颗粒的5-15%。

（2）向上述混合物中添加胶黏剂润湿搅匀，在50℃~150℃范围内烘干；胶黏剂的加入量为前述混合物的0.1-50%；向混合均匀后的原料中加入胶黏剂，润湿搅匀，低温烘干。所述胶黏剂可以是聚乙酸乙烯酯、过氯乙烯、聚异丁烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、a-氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇缩醛、环氧树脂等中的一种或多种混合物，含量约为混合物的0.1-35%，最佳为10-20%；胶黏剂含量约为磨料微粒的15-35%；

（3）将烘干后的结块破碎；可用研钵碾压、研碎。破碎后的粉末按要求分级，可用规定目数的筛网筛分，得到合适粒径分布的大颗粒磨料坯料，也可用重力分级法、离心分级法等得到合适粒径分布的小颗粒磨料坯料。

（4）将破碎粉末按要求分级，得到不同粒径的粘结颗粒；

（5）将所选粒径的粘结颗粒进行高温烧结得到烧结磨料，在高温烧结的过程中实现胶黏剂的自动去除；分级后的坯料分批次进行高温除胶、烧结，通过高温粘结剂的作用使原料磨料颗粒之间获得适当的结合强度；烧结温度根据高温粘结剂的组份进行调节，温度可在500℃~1000℃范围内变化，烧结后随炉冷却；通过控制烧结温度可以得到不同结合强度的烧结磨料。高温除胶、烧结工序后的磨料颗粒满足实际使用的要求,具有一定的切削能力与结合强度。

（6）再次分级，得到本发明的烧结磨料。烧结后的磨料再次精确分级，得到适当粒度分布的优质烧结磨料，以利于加工材料的表面质量和加工效率。烧结磨料的粒径范围在1微米-150微米，尤其是烧结磨料的粒径在2微米~100微米。

本发明的自锐性烧结磨料，其特征在于所述的烧结磨料用于磨削、研磨和抛光、珩磨或锯切加工场合，烧结磨料游离于被加工面与工具之间，它在加工过程中不是整颗失效破坏，而是烧结磨料之间的结合剂疲劳破坏、失效继而导致破碎，组成烧结磨料的原始小颗粒磨粒逐一脱落；这一过程有利于磨粒的自锐性，又能稳定加工效率，提高被加工表面的质量。所述的烧结磨料以固结、焊接或镀覆方式制成磨削砂轮、丸片、研磨垫、抛光垫、珩磨头、锯片作为加工工具，用于工件的固结磨料加工。

烧结磨料在特定温度下由原料磨料颗粒制成的烧结磨料，具有一定的结合强度满足实际切削要求，且结合力适当能保证磨粒的自锐性。在加工过程中不是整颗失效破坏，而是烧结磨料内部原料小颗粒之间的结合剂疲劳破坏、失效继而导致破碎，组成烧结磨料的原始小颗粒磨粒逐一脱落。这一过程有利于磨粒的自锐性，又能稳定加工效率，提高被加工表面的质量。本发明提供的烧结磨料可以用于磨削、研磨和抛光、珩磨、锯切等加工场合，游离于被加工面与工具之间；可以以固结、焊接、镀覆等方式制成磨削砂轮、丸片、研磨垫、抛光垫、珩磨头、锯片等加工工具，用于工件的固结磨料加工。本发明提供的烧结磨料制备方法简单、成本低、适用于工业化生产，并且具有加工效率高、加工性能稳定以及磨料利用率高等特点。

本发明的有益效果是：

本发明提供的方法具有工艺简单、成品率高、成本低等优点。

利用本发明的磨料加工的工具具有磨削力适当、自锐性好的优点，可广泛应用于磨削、研磨和抛光、珩磨等加工技术领域。

附图说明

图1为烧结成型的大颗粒磨料SEM图。

图2为固结磨料研磨垫表面的磨料状态。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实例1：一种自锐性烧结磨料制备方法，烧结磨料由5-7μm的氧化铝、陶瓷结合剂和镍粉制成，其制备方法为：将500的氧化铝、380的陶瓷结合剂和120的镍粉充分混合得到1000克混合物，用100克聚乙酸乙烯酯、过氯乙烯、聚异丁烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、a-氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇缩醛、环氧树脂等中的一种或多种混合（下同）作为胶黏剂润湿搅匀后在120℃下烘干。将烘干后的固体研磨过筛分级，得到粒径为325~400目的微粉，用900℃~1100℃对分级后的磨料坯料进行高温烧结3小时除胶，得到图1所示的烧结磨料。烧结过程中胶黏剂会自然蒸发或分解。然后再次分级，得到所需粒径及结合力的烧结氧化铝。

实施例2：一种自锐性烧结磨料制备方法，烧结磨料由3-5μm粒径的金刚石微粉、结合剂、铜粉混合制成，其中结合剂为二氧化硅和氧化硼的混合物。其制备方法为：将650的金刚石微粉、220的结合剂、130的铜粉混合均匀，加入适量胶黏剂10克润湿后搅匀，在50℃下烘干。将烘干后的结块研磨破碎，并用200/230目的筛网筛分出粒径分布在60-80的坯料。750℃下对坯料进行高温除胶、烧结4小时，随炉冷却。再次精确筛分，得到粒径分布在70μm左右的优质烧结磨料。

经高温烧结后得到的优质烧结磨料，与Sn-Cu-Fe系结合剂以适用于光学玻璃研磨的比例充分混合，经真空烧结热压成型工艺后制成金刚石丸片。以烧结磨料为有效磨粒的丸片粘贴在基座上，可用于陶瓷、K9、熔石英等材料的研磨抛光加工。本例中，用于K9玻璃的研磨加工时，材料去除速率达到了50μm/min，加工后工件的表面粗糙度Ra达到了8.64nm。

实施例3：一种自锐性烧结磨料制备方法，烧结磨料由10-14μm粒径的金刚石微粉、低温陶瓷结合剂和铜粉制成，其制备方法为：将600的金刚石、250的低温陶瓷结合剂及150的铜粉混合均匀，混合物用350克胶黏剂润湿搅匀后在150℃下烘干。将烘干后的结块研磨过筛，得到满足切削要求粒径的微粉，选择进行950℃高温除胶、烧结5小时。然后再次筛分，得到所需粒径(200/230)及结合强度的烧结金刚石。

将上述烧结金刚石作为磨料制成用于研磨的固结磨料研磨垫，该研磨垫由烧结金刚石、碳化硅、铜粉、树脂以及多种添加剂按质量配比均匀混合、固化后形成，如图2所示。研磨工艺参数设置为：压力20kPa，转速85rpm，研磨液为去离子水添加适量三乙醇胺和OP-10乳化剂。研磨50min后，得到蓝宝石晶圆的材料去除率为220~250nm/min，表面粗糙度Ra为80~110nm，且没有明显划痕，可以作为蓝宝石抛光的前道研磨工序。

实例4：一种适用于固结磨料抛光加工的烧结金刚石磨料,它由3~5μm粒径的金刚石、低温陶瓷结合剂和铜粉制成，其制备方法为：将700的金刚石、250的低温陶瓷结合剂和50的铜粉充分混合，混合物用150克胶黏剂润湿搅匀后在100℃下烘干。将烘干后的固体研磨过筛，再用合适的温度对粉末进行1000℃高温除胶、烧结2小时。然后再次筛分，得到所需粒径(170/230)及结合力的烧结金刚石。

将上述制备好的烧结金刚石制成用于抛光的固结磨料研磨垫，它由金刚石、碳化硅、铜粉、树脂以及多种添加剂均匀混合固化后形成。抛光工艺参数设置为：压力15kPa，转速30rpm，抛光液为去离子水添加适量三乙醇胺和OP-10乳化剂。研磨30min后，得到石英玻璃的材料去除率为2.5μm/min，表面平均粗糙度Ra达到10nm以下，且没有明显划痕。

将上述的抛光压力增加到30kPa，其他条件与参数不变的情况下研磨30分钟后，得到石英玻璃的材料去除率为2~3μm/min，表面平均粗糙度值Ra为12.5nm，且没有明显划痕。

实例5：一种自锐性烧结磨料制备方法，烧结磨料由14-20μm的金刚石、陶瓷结合剂和铁粉制成，其制备方法为：将680的金刚石、250的低温陶瓷结合剂和70的铁粉充分混合，混合物用200克胶黏剂润湿搅匀后在85℃下烘干。将烘干后的固体研磨过筛分级，得到粒径为120/170目的微粉，用550℃~620℃对分级后的磨料坯料进行高温除胶、烧结5小时。然后再次分级，得到所需粒径120/170及结合力的烧结金刚石磨料。

将烧结金刚石磨料作为珩磨条的工作层颗粒与过渡层颗粒一起压制成预成型珩磨条，并热压成型得到珩磨条，用于铝质缸体的珩磨加工，加工效率稳定，表面粗糙度Ra达到300nm以下。

本发明制得的烧结磨料具有适当的自锐性，磨削过程中烧结大颗粒不是整颗脱落，而是烧结磨料内部原料小颗粒之间的结合剂疲劳破坏、失效继而导致破碎，组成烧结磨料的原始小颗粒磨粒逐一脱落。

实施加工表明，本发明提供的烧结磨料具有良好的自锐性，有利于稳定加工效率、提高磨料使用率；可用于磨削、研磨抛光、珩磨、锯切等加工工艺中，也可制成砂轮、研磨垫、珩磨头、锯片等成品工具。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (12)

1.一种自锐性烧结磨料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

（1）将磨料颗粒、高温粘结剂及辅助添加剂按质量百分比计量，混合均匀制成混合物；磨料颗粒的重量百分比为50-70%，高温粘结剂的重量比为22-38%，辅助添加剂的重量比为0.5~30%；

（2）向上述混合物中添加胶黏剂润湿搅匀，在50℃~150℃范围内烘干；

（3）将烘干后的结块破碎；

（4）将破碎粉末按要求分级，得到不同粒径的粘结颗粒；

（5）将所选粒径的粘结颗粒进行高温烧结1-5小时得到烧结磨料，在高温烧结的过程中实现胶黏剂的自动去除；

（6）再次分级，得到本发明的烧结磨料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，磨料原料为金刚石、氧化铝、碳化硅或氧化铈磨料颗粒，颗粒为单晶或者多晶形态，磨料颗粒的粒径分布在100纳米~50微米之间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的磨料颗粒的粒径在200纳米~20微米之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，所述的辅助添加剂填充在磨料微粒空隙中使烧结大颗粒具有较好的形变能力和粘结能力，辅助添加剂为铜粉、铁粉或镍粉，含量为磨料颗粒的0.5~30%。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，高温粘接剂为二氧化硅、氧化钠、氧化铝、氧化铅、氧化锌、氧化钙、氧化钾、氧化镧和氧化硼中的一种或多种混合物。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（2）中胶黏剂是聚乙酸乙烯酯、过氯乙烯、聚异丁烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、a-氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇缩醛和环氧树脂中的一种或多种混合物；胶黏剂的加入量为混合物重量的0.1-35%。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述胶黏剂的加入量为混合物重量的10-20%。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（4）中，破碎后的粉末按要求分级，用规定目数的筛网筛分，得到合适粒径分布的大颗粒磨料坯料，或者用重力分级法、离心分级法得到合适粒径分布的小颗粒磨料坯料。

9.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(5)中高温烧结工序后的磨料颗粒满足实际使用的要求,具有一定的切削能力与结合强度，高温烧结温度根据高温粘结剂的组份进行调节，温度在500℃~1000℃范围内变化。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（6）中，将烧结后的磨料颗粒再次分级，得到适当粒径分布的优质烧结磨料，以利于加工材料的表面质量和加工效率；烧结磨料的粒径范围在1微米~150微米。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述的烧结磨料的粒径范围在2微米~100微米。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的辅助添加剂的重量比为5-15%。