一种微晶玻璃陶瓷结合剂及用其制备CBN砂轮的方法

摘要

本发明涉及一种微晶玻璃陶瓷结合剂，其由下述重量百分比的原料组成：SiO

说明书

技术领域

本发明属于砂轮制备技术领域，属于涉及一种陶瓷结合剂，尤其涉及一种高强度微晶玻璃陶瓷结合剂及用其制备超高速CBN（立方氮化硼）砂轮的方法。

背景技术

随着现代化加工效率以及加工精度要求的越来越高，陶瓷结合剂CBN砂轮被广泛应用于汽车零部件、轴承、电子、航空航天等行业。砂轮中磨料颗粒之间靠结合剂作桥连接，陶瓷结合剂性能的好坏直接关系到陶瓷CBN砂轮的使用效果。因此，陶瓷结合剂是研究陶瓷CBN砂轮的关键因素之一。国外，陶瓷结合剂配方主要以化学成分进行配比，国内的早期陶瓷结合剂配方以长石、粘土、硼玻璃、石英等矿物成分以及外加助熔剂进行配比，但由于矿物产地不同，成分也有差异，所以国内目前也有人开始采用化学成分进行配比。根据实际应用情况，目前国内外采用较为成熟的有SiO₂-ZnO-B₂O₃系玻璃，R₂O-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂系玻璃（R₂O为碱金属氧化物Li₂O、Na₂O、K₂O中的一种或几种），SiO₂-Al₂O₃-TiO₂-BaO-B₂O₃系玻璃等，但是上述的这些结合剂性能还有很多方面有待提高，同时利用其生产出的砂轮产品稳定性也较差。

近年来，超高速精密磨削加工成为一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。磨削加工时的线速度已提高到150～200m/s，甚至在200m/s以上，传统的陶瓷结合剂由于本身强度有限，且对金刚石的把持力较低，导致加工过程中CBN磨粒脱落太快，已经无法满足高效率的加工。因此，高强度的新型微晶玻璃陶瓷结合剂就成为新的研究方向。微晶玻璃是指将加有成核剂的特定组成的基础玻璃在一定温度下进行热处理，在玻璃内部均匀析出大量微小晶体，填充于玻璃相中。微晶玻璃具有机械强度高、热膨胀性可调、抗热震性好、耐化学腐蚀等特点，兼具玻璃和陶瓷的优异性能。

中国发明专利申请200710150757.9公开了一种“低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂”，文中所述的微晶玻璃结合剂成分为40-70%SiO₂，5-25%B₂O₃，2-5%Al₂O₃，2-15%Na₂O，2-5%K₂O，2-4%MgO，2-4%CaO，1-10%Li₂O，2-5%ZrO₂，2-5%Sb₂O₃。虽然该申请中主要强调高强度，砂轮线速度可以达到160m/s，但是该申请只给出了析晶温度，制备微晶玻璃最关键的的升温曲线及晶化温度、核化温度均没有具体指出。

中国发明专利200810012675.2公开了一种“低温陶瓷结合剂的CBN砂轮及其制备工艺”，文中所述的陶瓷结合剂包括48-60%SiO₂，25-37%Al₂O₃，5-10%Na₂O，3-7%Li₂O。虽然该申请强调通过降低烧结温度来减少CBN磨料的氧化问题，具体的陶瓷结合剂属于较为常规的R₂O-A_l2O₃-B₂O₃-SiO₂系玻璃，对制备高强度高速砂轮并不适合。

中国发明专利200710150338.5公开了一种“应用于凸轮轴磨削加工的陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮”，文中所述的陶瓷结合剂组分为50-60%SiO₂，20-30%B₂O₃，2-5%Al₂O₃，4-15%Na₂O，4-10%K₂O，其中砂轮中陶瓷结合剂含量为20-35%，含量很高。该申请采用提高结合剂含量的方法从而使砂轮具有硬度高、加工精度高、使用寿命长的特点，但砂轮结合剂本身也属于R₂O-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂系玻璃，结合剂本身强度并不高。此外，文中通过提升结合剂含量来达到砂轮高硬度的目的，容易对砂轮在磨削过程中的自锐性产生不利影响。

综上可以看出，现有技术中的结合剂大多为传统的玻璃型或陶瓷结合剂，抗折强度均较低，不适合用于制作超高速立方氮化硼砂轮使用。虽然一些发明专利中所申请的结合剂属于微晶玻璃范畴，但具体的晶化和核化工艺并未给出，且这些发明只强调抗折强度，对超高速磨削时结合剂所具备的高的抗冲击韧性并未涉及，所制备的砂轮仍达不到超高速磨削的使用要求。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种具有高强度和高韧性的微晶玻璃陶瓷结合剂，其在可以达到结合剂性能优异的同时又对CBN磨料具有良好的浸润性和把持力，从而使砂轮满足高速高效的磨削要求。

本发明还提供了采用上述以及利用上述微晶玻璃陶瓷结合剂制备的CBN砂轮的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微晶玻璃陶瓷结合剂，其由下述重量百分比的原料组成：SiO_{2>45－58%，Al2O3>4－10%，Li2O>2O>2}O_{3>12－19%，MgO 2－4%，ZnO 1－3%，CaO 1－2%，ZrO2>2－4%，MgF2>8－11%。}

上述微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其具体包括如下步骤：

1）按比例取各原料，然后混合均匀并研磨过筛；

2）将过筛后的混合料升温至1300－1400℃高温烧成，保温1－2h；

3）高温烧成结束，将熔融后的混合料倒入水中进行水淬，水淬后经湿磨、干磨、过筛，即得。

进一步的，步骤1）中研磨后过150-200#筛网；步骤2）中以5－10℃/min的速率升温至1300－1400℃。

进一步的，步骤3）中，湿磨5－10h，干磨1－3h，过200－400#筛网。

本发明还公开了一种含有上述微晶玻璃陶瓷结合剂的CBN砂轮，其具体由下述重量百分比的原料制成：微晶玻璃结合剂15－25%，立方氮化硼磨料50－85%，白刚玉填料0－25%。

本发明还公开了上述含有微晶玻璃陶瓷结合剂的CBN砂轮的制备方法，其具体包括如下步骤：

1）按比例取各原料，用聚乙二醇水溶液润湿后过筛；

2）将过筛后的原料混合均匀，然后装模压制成型，空气中干燥10－15h；

3）转入炉中在空气气氛下进行烧成，烧成曲线为：

室温－400℃，5－7℃/min，400℃保温1h；

400℃－核化温度，2－3℃/min，核化温度保温1－2h；

核化温度－晶化温度，3－5℃/min，晶化温度保温1－2h；

晶化温度－烧成温度，3－5℃/min，烧成温度保温2－3h。

进一步优选的，步骤3）中，核化温度为480－580℃，晶化温度为650－850℃，烧成温度保温为800－900℃。采用本发明方法所制备的陶瓷CBN砂轮抗折强度为100-160MPa，抗冲击强度为10-20KJ/m²。

本发明微晶玻璃陶瓷结合剂组分设计独特，其抗折强度、抗冲击强度高，流动性大，对CBN磨料润湿性好，把持力强。使用本发明砂轮制备时经过特殊的升温曲线，并配合一定的晶化和核化温度处理后，制备所得的陶瓷CBN砂轮抗折强度和抗冲击强度均较高，能够满足200m/s以上超高速砂轮使用要求。

本发明通过添加高含量的MgF₂，并配合专用的升温曲线及晶化和核化温度，所制备的微晶玻璃陶瓷结合剂以及CBN砂轮具有以下优点：

1）本发明微晶玻璃陶瓷结合剂具有烧成温度低，晶体颗粒细小（2-6μm）的特点；利用该结合剂制备所得的CBN砂轮强度高，抗折强度为100-160MPa，抗冲击强度为10-20KJ/m²；

2）本发明微晶玻璃陶瓷结合剂流动性好，与CBN磨料的浸润性好，结合紧密，把持力强；

3）利用本发明微晶玻璃陶瓷结合剂制备所得的砂轮整体强度较高，磨削效率和磨削精度均较好，性能稳定，能满足200m/s以上超高速磨削使用。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的陶瓷结合剂显微照片；

图2为本发明实施例1制备的陶瓷CBN砂轮显微照片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

本发明中，如无特殊说明，室温指20-30℃。

实施例1

一种微晶玻璃陶瓷结合剂，其各原料的重量百分比如下表所示。

上述微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其具体包括如下步骤：

1）按比例取各原料，然后混合均匀，研磨后过180#筛网3遍；

2）将过筛后的混合料以10℃/min的速率升温至1400℃高温烧成，保温2h；

3）高温烧成结束，将熔融后的混合料倒入水中进行水淬，水淬后经湿磨5h、干磨1h后过200#筛网，即得。其显微照片见图1，从图1中可以看出：该微晶玻璃结合剂晶粒细小，直径在5μ左右，且均匀的分布在玻璃基质当中，起到了弥散强化增韧的作用。

一种上述含有微晶玻璃陶瓷结合剂的CBN砂轮的制备方法，具体包括如下步骤：

1）按照重量百分比为微晶玻璃陶瓷结合剂20%、立方氮化硼磨料70%、白刚玉填料10%的比例进行称料；

2）将上述物料混合均匀后加入浓度为10%（体积浓度，下同）的聚乙二醇水溶液进行润湿，然后过24#筛网2遍；将过筛后的物料混合均匀并装模压制成型，空气中干燥15h；

3）转入炉中在空气气氛下进行烧成，烧成曲线为：

室温～400℃，5℃/min，400℃保温1h；

400～580℃，2℃/min，580℃保温1h；

580～850℃，3℃/min，850℃保温1h；

50～900℃，3℃/min，900℃温度保温2h。

上述制备所得的CBN砂轮抗折强度为160MPa，抗冲击强度20KJ/m²。其显微照片见图2，从图2中可以看出：微晶玻璃结合剂流动性很好，与CBN磨料的浸润性好，没有裸露的CBN表面，两者结合紧密，桥连接完整，把持力强。

实施例2

一种微晶玻璃陶瓷结合剂，其各原料的重量百分比如下表所示。

上述微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其具体包括如下步骤：

1）按比例取各原料，然后混合均匀，研磨后过200#筛网3遍；

2）将过筛后的混合料以5℃/min的速率升温至1350℃高温烧成，保温1h；

3）高温烧成结束，将熔融后的混合料倒入水中进行水淬，水淬后经湿磨10h、干磨3h后过400#筛网，即得。

一种上述含有微晶玻璃陶瓷结合剂的CBN砂轮的制备方法，具体包括如下步骤：

1）按照重量百分比为微晶玻璃陶瓷结合剂25%、立方氮化硼磨料60%、白刚玉填料15%的比例进行称料；

2）将上述物料混合均匀后加入浓度为10%的聚乙二醇水溶液进行润湿，然后过24#筛网2遍；将过筛后的物料混合均匀并装模压制成型，空气中干燥15h；

3）转入炉中在空气气氛下进行烧成，烧成曲线为：

室温～400℃，5℃/min，400℃保温1h；

400～500℃，2℃/min，500℃保温2h；

500～700℃，3℃/min，700℃保温1h；

700～850℃，3℃/min，850℃温度保温2h。

上述制备所得的CBN砂轮抗折强度为140MPa，抗冲击强度18KJ/m²。

实施例3

一种微晶玻璃陶瓷结合剂，其各原料的重量百分比如下表所示。

上述微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其具体包括如下步骤：

1）按比例取各原料，然后混合均匀，研磨后过150#筛网3遍；

2）将过筛后的混合料以8℃/min的速率升温至1300℃高温烧成，保温1h；

3）高温烧成结束，将熔融后的混合料倒入水中进行水淬，水淬后经湿磨7h、干磨2h后过240#筛网，即得。

一种上述含有微晶玻璃陶瓷结合剂的CBN砂轮的制备方法，具体包括如下步骤：

1）按照重量百分比为微晶玻璃陶瓷结合剂25%、立方氮化硼磨料70%、白刚玉填料5%的比例进行称料；

2）将上述物料混合均匀后加入浓度为10%的聚乙二醇水溶液进行润湿，然后过24#筛网2遍；将过筛后的物料混合均匀并装模压制成型，空气中干燥12h；

3）转入炉中在空气气氛下进行烧成，烧成曲线为：

室温～400℃，5℃/min，400℃保温1h；

400～480℃，2℃/min，480℃保温1h；

480～650℃，3℃/min，650℃保温1h；

650～800℃，3℃/min，800℃温度保温2h。

上述制备所得的CBN砂轮抗折强度为120MPa，抗冲击强度12KJ/m²。

实施例4

一种微晶玻璃陶瓷结合剂，其各原料的重量百分比如下表所示。

上述微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其具体包括如下步骤：

1）按比例取各原料，然后混合均匀，研磨后过180#筛网3遍；

2）将过筛后的混合料以8℃/min的速率升温至1380℃高温烧成，保温2h；

3）高温烧成结束，将熔融后的混合料倒入水中进行水淬，水淬后经湿磨8h、干磨2h后过200#筛网，即得。

一种上述含有微晶玻璃陶瓷结合剂的CBN砂轮的制备方法，具体包括如下步骤：

1）按照重量百分比为微晶玻璃陶瓷结合剂18%、立方氮化硼磨料67%、白刚玉填料15%的比例进行称料；

2）将上述物料混合均匀后加入浓度为10%的聚乙二醇水溶液进行润湿，然后过24#筛网2遍；将过筛后的物料混合均匀并装模压制成型，空气中干燥12h；

3）转入炉中在空气气氛下进行烧成，烧成曲线为：

室温～400℃，5℃/min，400℃保温1h；

400～490℃，2℃/min，490℃保温1h；

490～680℃，3℃/min，680℃保温2h；

680～820℃，3℃/min，820℃温度保温3h。

上述制备所得的CBN砂轮抗折强度为125MPa，抗冲击强度为15KJ/m²。

实施例5

一种微晶玻璃陶瓷结合剂，其各原料的重量百分比如下表所示。

上述微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法，其具体包括如下步骤：

1）按比例取各原料，然后混合均匀，研磨后过180#筛网3遍；

2）将过筛后的混合料以9℃/min的速率升温至1320℃高温烧成，保温1.5h；

3）高温烧成结束，将熔融后的混合料倒入水中进行水淬，水淬后经湿磨8h、干磨2h后过320#筛网，即得。

一种上述含有微晶玻璃陶瓷结合剂的CBN砂轮的制备方法，具体包括如下步骤：

1）按照重量百分比为微晶玻璃陶瓷结合剂15%、立方氮化硼磨料85%、白刚玉填料0%的比例进行称料；

2）将上述物料混合均匀后加入浓度为10%的聚乙二醇水溶液进行润湿，然后过24#筛网2遍；将过筛后的物料混合均匀并装模压制成型，空气中干燥12h；

3）转入炉中在空气气氛下进行烧成，烧成曲线为：

室温～400℃，5℃/min，400℃保温1h；

400～490℃，2℃/min，490℃保温1h；

490～680℃，3℃/min，680℃保温2h；

680～820℃，3℃/min，860℃温度保温3h。

上述制备所得的CBN砂轮抗折强度为110MPa，抗冲击强度为10KJ/m²。