一种金属陶瓷复合结合剂以及复合结合剂金刚石砂轮

摘要

本发明属于金刚石砂轮领域，具体涉及一种金属陶瓷复合结合剂以及复合结合剂金刚石砂轮。所述金属陶瓷复合结合剂由以下重量百分比的原料组成：663青铜粉60~80%，陶瓷粉20~40%；所述陶瓷粉为自制，由以下重量百分比的原料组成：二氧化硅SiO245~60%，氧化硼B2O320~30%，氧化钾K2O10~15%，氧化镁MgO5~10%，氧化钙CaO2~5%；所述复合结合剂金刚石砂轮由以下体积比的原料构成：金刚石磨料、复合结合剂、造孔剂的体积百分比各为：25~40%、55~75%、2~3%。采用上述金属—陶瓷复合结合剂制备的金刚石砂轮在五轴联动数控机床上使用时，既保持了陶瓷结合剂锋利性好，自锐性好的特性，又具有金属结合剂刚性高、形状保持性好的优点，综合加工效率提升100~150%。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属陶瓷复合结合剂及使用该金属陶瓷复合结合剂制备的复合结合剂金刚石砂轮，属于金刚石砂轮领域。

背景技术

砂轮是磨削的主要工具，它是由磨料和结合剂构成的多孔物体。以金刚石磨料为原料，分别用金属粉、树脂粉、陶瓷作结合剂，制成的中央有通孔的圆形固结磨具称作金刚石砂轮。由于金刚石磨料所具有的特性（硬度高、抗压强度高、耐磨性好），使金刚石磨具在磨削加工中成为磨削硬脆材料及硬质合金的理想工具，广泛用于加工低铁含量的金属及非金属硬脆材料。

随着科技的发展，数控超精密磨床、高速高精度曲轴磨床和凸轮轴磨床、各类高精高速专用磨床等，成为我国重点发展的领域之一，而加工效率的提高是数控磨床领域发展的重要方向。因此数控磨床尤其是多轴联动数控磨床对金刚石砂轮的性能要求更高，要求砂轮的切削力好，锋利；又要求砂轮的形状保持性好，能持续加工；同时要求砂轮能够耐高热、耐强力挤压。

传统的树脂金刚石砂轮虽然锋利性好，自锐性好，但是耐热性低，耐磨性不足，修整间隙短，影响生产效率；陶瓷金刚石砂轮虽然锋利性好，但是耐磨性差，难修整；金属金刚石砂轮虽然形状保持性好，但是自锐性不好，无法满足持续加工的需要。

金刚石砂轮优良的锋利、自锐性以及超强的耐磨性是能否充分提高数控磨床加工效率的关键；而砂轮结合剂又是影响金刚石砂轮性能的关键因素，传统的单一结合剂已不能满足要求高加工效率的数控磨床用金刚石砂轮性能的需要。

随着科学技术的进步，人们对金属、高分子、无机材料的认识逐渐加深，由两种金刚石砂轮结合剂组成的复合结合剂也得到了大家的关注。

将陶瓷与金属材料结合，在陶瓷结合剂的基础上加入金属粉末会得到兼具陶瓷材料脆性以及金属材料韧性的金属陶瓷复合结合剂。中国专利ZL200710043981.8公开了一种用于立方氮化硼砂轮的陶瓷金属复合结合剂，由以下重量百分比原料组成：二氧化硅SiO₂ 45-50%、三氧化二铝Al₂O₃ 20-25%、氧化钾K₂O 6-8.5%、氧化钠Na₂O 2.5-6.5%和氧化钡BaO 4-9%、铜粉Cu 2-6%、锡粉Sn 0.5-1.5%和锌粉Zn 0.3-1%；该发明的优点是制作的CBN砂轮较陶瓷结合剂制作的砂轮磨削工件可使粗糙度值由RA0.5 mm提高到0.3 mm，平面度可达到0.8 mm，平行度可达到≤2 mm；砂轮寿命提高30%，单个砂轮磨削工件数由8000-10000个提高到12000-15000个。但是该发明专利所述的陶瓷金属复合结合剂以陶瓷为基质，少量金属填充作为增韧相；其是以陶瓷结合剂的烧结工艺来进行设计，因此其烧结温度高，所以该复合结合剂只适合应用于立方氮化硼砂轮，不适用于金刚石砂轮，所得到的砂轮应用领域为铁族金属材料的加工，无法应用于非金属及非铁族金属材料的加工。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制备金刚石砂轮的金属陶瓷复合结合剂，该复合结合剂是以金属为基质的金属陶瓷，微晶化的陶瓷填充作为增锐相，其以金属结合剂的烧结工艺来进行设计，适用于金刚石砂轮；采用该金属陶瓷复合结合剂制备的复合结合剂金刚石砂轮兼备优良的锋利性与超强的耐磨性，从而具有高的磨削效率。

为达到上述目的，本发明具体的技术方案是：一种用于制备金刚石砂轮的金属陶瓷复合结合剂，由以下重量比的原料组成：

663青铜粉                             60～80%

陶瓷粉                                    20～40%

所述陶瓷粉由以下重量比的原料混合熔炼制得：

二氧化硅SiO₂ 45～60%，氧化硼B₂O₃ 20～30%，氧化钾K₂O 10～15%，氧化镁MgO 5～10%，氧化钙CaO 2～5%。

本发明中的663青铜粉市场有售，须符合国家标准；微观呈暗黄色液滴状合金粉末，常温下较为稳定，实际密度为8.3～8.9 g/cm³，松装比重2.8～3.1 g/cm³。优选的技术方案中，所述663青铜粉由以下重量比的原料组成：锡 5～7%，锌 5～7%，铅 2～4%，杂质 0～1.3%，余量为铜。其中杂质为非干扰杂质，高温烧结时与结合剂不起反应。

上述技术方案中，所述陶瓷粉的制备步骤为：

(1) 制备混合粉末：将制备陶瓷粉的原料混合球磨后再过325目标准筛，制得混合粉末；

(2) 熔炼玻璃：将步骤(1)制得的混合粉末于电炉中1700 ℃熔炼3小时，急冷，得到微晶玻璃块体；

(3) 制备陶瓷粉：将步骤(2)制得的微晶玻璃块体于球磨机中破碎10小时后，再过325目标准筛，即制得陶瓷粉。

优选的技术方案中，所述陶瓷粉由以下重量比的原料混合熔炼制得：

二氧化硅SiO₂ 55%，氧化硼B₂O₃ 25%，氧化钾K₂O 10%，氧化镁MgO 7.5%，氧化钙CaO 2.5%。制备陶瓷粉的各种原料均优选为分析纯，分析纯的主成分含量很高、纯度较高，干扰杂质非常少，适用于工业分析及化学实验。

采用上述金属陶瓷复合结合剂制备的复合结合剂金刚石砂轮在数控机床上使用时，既保持了陶瓷结合剂金刚石砂轮良好的锋利性、自锐性好的特性，又具有金属结合剂金刚石砂轮的高刚性、好的形状保持性的优点。强力磨削时加工线速度为25～30 m/s，最大可达45 m/s，相较市场的强力磨削砂轮提高25～35%；单次切深量为4～5 mm，最大可达8 mm，相较市场的强力磨削砂轮提高100～150%；进给速度为110～130 mm/min，最大可达150 mm/min，相较市场的强力磨削砂轮提高10～15%；机床负载为4～6 A，相较市场的强力磨削砂轮降低30～40%；修整间隙为50～60支/次，相较市场的强力磨削砂轮提高25～50%。在同等的测试条件下，本发明的金属陶瓷复合结合剂金刚石砂轮相较市场的强力磨削砂轮综合加工效率提升100～150%。

因此，本发明同时要求保护采用上述金属陶瓷复合结合剂制备的复合结合剂金刚石砂轮。

一种复合结合剂金刚石砂轮，由砂轮基体和设置在砂轮基体上的磨削层构成，所述复合结合剂金刚石砂轮的制备方法包括以下步骤：

(1) 将663青铜粉及陶瓷粉放入真空球磨机中，球磨20～30小时得到金属陶瓷混合料，将金属陶瓷混合料放置在真空箱中静置24小时后，取出过325目标准筛，得到金属陶瓷复合结合剂；然后将所得复合结合剂与金刚石磨料置入球磨机中混合均匀，之后通过200目标准筛，再向复合结合剂中添加造孔剂，混合后再过200目标准筛，得到砂轮混合料；

(2) 将金属粉末放在模具中，于100 MPa下冷压成型，得到金属基体；再将步骤(1)所得的砂轮混合料缓慢均匀地投入已与基体配置好的模具内并刮平，置入液压机中，于100 MPa下冷压出模，得到砂轮冷压胚体；将所得的砂轮冷压胚体置于真空热压机中进行真空热压烧结；烧结温度曲线为：0.8～1小时内升温至500℃，然后分段升温至最终烧结温度700～800 ℃，保温时间为3～4小时，烧结时压力为40 MPa；冷却后出模得到砂轮成型体；

所述金属粉末由以下重量百分比的原料组成：Cu 40～60%，Fe 30～50%，Sn 5～10%，Ti 3～5%；

(3) 将检验合格的砂轮成型体在车床和磨床上加工至图纸要求的形状和尺寸，按金刚石砂轮国家标准JB/T 7425-94检验合格后包装、入库，得到复合结合剂砂轮。

上述技术方案中，所述金刚石磨料、复合结合剂、造孔剂的体积比为(25~40)∶ (55~75) ∶(2~3)。

上述技术方案中，所述造孔剂为氧化铝空心球，粒度为40~50 μm，有效密度为0.4 g/cc，抗压强度为10.4~13.6 MPa，导热系数为λ=0.043 W/m·k。

上述技术方案中金刚石磨料应选择强度高、自锐性好的金刚石，各种粒度的金刚石市场有售，须符合国家标准。

由于上述方案的应用，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、采用上述金属-陶瓷两种结合剂制备的金刚石砂轮，既保持了陶瓷结合剂金刚石砂轮的锋利性好，自锐性好的特性，又具有金属结合剂金刚石砂轮的刚性高、形状保持性好的优点，符合多轴联动数控机床的使用要求。

2、本发明首次公开的包含有金属、陶瓷两种结合剂的金刚石砂轮性能优异，与现有强力磨削砂轮相比，在同等测试条件下，强力磨削时加工线速度提高25~35%；单次切深量提高100~150%；进给速度提高10~30%；机床负载降低30~40%；修整间隙提高25~50%；综合加工效率提升100~150%。

3、本发明所公开的复合结合剂金刚石砂轮的制备工艺简单，原料无特殊要求，所制得的复合结合剂金刚石砂轮中的金属粉质基体具有良好的散热能力，良好的强度和刚度，并能与新型砂轮配方完好结合；适合于工业化生产与应用。 

附图说明

图1是实施例中制备复合结合剂金刚石砂轮的流程示意图；

图2是实施例中制备得到的复合结合剂金刚石砂轮的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： 

实施例一：参见附图1，制备复合结合剂金刚石砂轮，包括以下步骤：

1、制备陶瓷粉：

按照下列重量百分比的原料：二氧化硅SiO₂ 55%，氧化硼B₂O₃ 25%，氧化钾K₂O 10%，氧化镁MgO 7.5%，氧化钙CaO 2.5%，混合熔炼制备陶瓷粉；

制备步骤为：

(1) 制备混合粉末：将制备陶瓷粉的原料混合球磨后再过325目标准筛，制得混合粉末；

(2) 熔炼玻璃：将步骤(1)制得的混合粉末于电炉中1700 ℃熔炼3小时，急冷，得到微晶玻璃块体；

(3) 制备陶瓷粉：将步骤(2)制得的微晶玻璃块体于球磨机中破碎10小时后，再过325目标准筛，即制得陶瓷粉。

2、制备复合结合剂金刚石砂轮：

(1) 将以下重量比的原料：663青铜粉60%，陶瓷粉40%，在行星式真空球磨机中球磨20小时，混合料放置在真空箱中静置24小时后，取出过325目标准筛，得到复合结合剂。将所得复合结合剂与金刚石磨料置于行星式真空球磨机中混合均匀，之后通过200目标准筛，再添加造孔剂，再过200目标准筛，得到砂轮混合料。其中，金刚石磨料、复合结合剂、造孔剂的体积百分比各为：30.0%、67.5%、2.5%。所述金刚石为不镀覆金刚石，粒度为170/200，市场有售，质量符合国家标准。造孔剂为氧化铝空心球，粒度为40~50 μm，有效密度为0.4 g/cc，抗压强度为10.4~13.6 MPa；

(2) 将以下重量百分比的原料组分：Cu 44%，Fe 46%，Sn 8%，Ti：2%的金属粉末基体混合过筛后置于模具中冷压成型，压力为100 MPa。再将步骤(1)所得的混合料缓慢均匀地投入于基体配置好的模具内并刮平，置入液压机中冷压出模，压力为100 MPa，得到砂轮冷压胚体；

(3) 将步骤(2)所得的砂轮胚体置于真空热压机中，进行真空热压烧结。烧结时压力为40 MPa，烧结温度曲线为：室温至500 ℃，升温速率10 ℃/min；500 ℃保温一小时；500 ℃至600 ℃，升温速率5 ℃/min；600 ℃保温一小时；600 ℃至750 ℃，升温速率5 ℃/min，750 ℃保温3小时；冷却后出模得到砂轮成型体；

(4) 将检验合格的砂轮成型体在车床和磨床上加工至图纸要求的形状和尺寸，按金刚石砂轮国家标准JB/T 7425-94检验合格后包装、入库，得到复合结合剂砂轮的结构示意图如附图2所示。

本砂轮实际应用的单次进刀量达到6 mm，进给速度为市场强力磨削砂轮的130%，且机床负载为市场强力磨削砂轮的60%，修整间隙为市场强力磨削砂轮的150%，综合加工效率提高150%。

实施例二：参见附图1，制备复合结合剂金刚石砂轮，工艺过程与实施例一相同，具体为：

1、制备陶瓷粉：

按照下列重量百分比的原料：二氧化硅SiO₂ 50%，氧化硼B₂O₃ 27%，氧化钾K₂O 15%，氧化镁MgO 5%，氧化钙CaO 3%，混合熔炼制备陶瓷粉。

2、制备复合结合剂金刚石砂轮：

(1) 将以下重量比的原料：663青铜粉80%，陶瓷粉20%，在行星式真空球磨机中球磨20小时，混合料放置在真空箱中静置24小时后，取出过325目标准筛，得到复合结合剂。将所得复合结合剂与金刚石磨料置于行星式真空球磨机中混合均匀，之后通过200目标准筛，再添加造孔剂，再过200目标准筛，得到砂轮混合料。其中，金刚石磨料、复合结合剂、造孔剂的体积百分比各为：28.0%、69.5%、2.5%。所述金刚石为不镀覆金刚石，粒度为200/230，市场有售，质量符合国家标准；

(2) 将以下重量百分比的原料组分：Cu 44%，Fe 46%，Sn 8%，Ti：2%的金属粉末基体混合过筛后置于模具中冷压成型，压力为100 MPa。再将步骤(1)所得的混合料混满均匀地投入配置好的模具内并刮平，置入液压机中冷压出模，压力为100 MPa，得到砂轮冷压胚体；

(3) 将步骤(2)所得的砂轮胚体置于真空热压机中，进行真空热压烧结。烧结时压力为40 MPa，烧结温度曲线为：室温至500 ℃，升温速率10 ℃/min；500 ℃保温一小时；500 ℃至600 ℃，升温速率5 ℃/min；600 ℃保温一小时；600 ℃至750 ℃，升温速率5 ℃/min，750 ℃保温3小时；冷却后出模得到砂轮成型体；

(4) 将检验合格的砂轮成型体在车床和磨床上加工至图纸要求的形状和尺寸，按金刚石砂轮国家标准JB/T 7425-94检验合格后包装、入库，得到复合结合剂砂轮的结构示意图如附图2所示。

本砂轮实际应用的单次进刀量达到3.8mm，进给速度为市场强力磨削砂轮的110%，且机床负载为市场强力磨削砂轮的70%，修整间隙为市场强力磨削砂轮的125%，综合加工效率提高100%。

实施例三：参见附图1，制备复合结合剂金刚石砂轮，工艺过程与实施例一相同，具体为：

1、制备陶瓷粉：

按照下列重量百分比的原料：二氧化硅SiO₂ 45%，氧化硼B₂O₃ 27%，氧化钾K₂O 13%，氧化镁MgO 10%，氧化钙CaO 5%，混合熔炼制备陶瓷粉。

2、制备复合结合剂金刚石砂轮：

(1) 将以下重量比的原料：663青铜粉60%，陶瓷粉40%，在行星式真空球磨机中球磨20小时，混合料放置在真空箱中静置24小时后，取出过325目标准筛，得到复合结合剂。将所得复合结合剂与金刚石磨料置于行星式真空球磨机中混合均匀，之后通过200目标准筛，再添加造孔剂，再过200目标准筛，得到砂轮混合料。其中，金刚石磨料、复合结合剂、造孔剂的体积百分比各为：28.0%、69.5%、2.5%。所述金刚石为不镀覆金刚石，粒度为200/230，市场有售，质量符合国家标准；

(2) 将以下重量百分比的原料组分：Cu 44%，Fe 46%，Sn 8%，Ti：2%的金属粉末基体混合过筛后置于模具中冷压成型，压力为100 MPa。再将步骤(1)所得的混合料混满均匀地投入配置好的模具内并刮平，置入液压机中冷压出模，压力为100 MPa，得到砂轮冷压胚体；

(3) 将步骤(2)所得的砂轮胚体置于真空热压机中，进行真空热压烧结。烧结时压力为40 MPa，烧结温度曲线为：室温至500 ℃，升温速率9 ℃/min；500 ℃保温一小时；500 ℃至600 ℃，升温速率5 ℃/min；600 ℃保温一小时；600 ℃至750 ℃，升温速率5 ℃/min，750 ℃保温4小时；冷却后出模得到砂轮成型体；

(4) 将检验合格的砂轮成型体在车床和磨床上加工至图纸要求的形状和尺寸，按金刚石砂轮国家标准JB/T 7425-94检验合格后包装、入库，得到复合结合剂砂轮的结构示意图如附图2所示。

本砂轮实际应用的单次进刀量达到4.3 mm，进给速度为市场强力磨削砂轮的120%，且机床负载为市场强力磨削砂轮的70%，修整间隙为市场强力磨削砂轮的130%，综合加工效率提高120%。

实施例四：参见附图1，制备复合结合剂金刚石砂轮，工艺过程与实施例一相同，具体为：

1、制备陶瓷粉：

按照下列重量百分比的原料：二氧化硅SiO₂ 60%，氧化硼B₂O₃ 20%，氧化钾K₂O 10%，氧化镁MgO 8%，氧化钙CaO 2%，混合熔炼制备陶瓷粉。

2、制备复合结合剂金刚石砂轮：

(1) 将以下重量比的原料：663青铜粉70%，陶瓷粉30%，在行星式真空球磨机中球磨25小时，混合料放置在真空箱中静置24小时后，取出过325目标准筛，得到复合结合剂。将所得复合结合剂与金刚石磨料置于行星式真空球磨机中混合均匀，之后通过200目标准筛，再添加造孔剂，再过200目标准筛，得到砂轮混合料。其中，金刚石磨料、复合结合剂、造孔剂的体积百分比各为：38.0%、58.5%、3.5%。所述金刚石为不镀覆金刚石，粒度为200/230，市场有售，质量符合国家标准；

(2) 将以下重量百分比的原料组分：Cu 55%，Fe 35%，Sn 6%，Ti：4%的金属粉末基体混合过筛后置于模具中冷压成型，压力为100 MPa。再将步骤(1)所得的混合料混满均匀地投入配置好的模具内并刮平，置入液压机中冷压出模，压力为100 MPa，得到砂轮冷压胚体；

(3) 将步骤(2)所得的砂轮胚体置于真空热压机中，进行真空热压烧结。烧结时压力为40 MPa，烧结温度曲线为：室温至500 ℃，升温速率10 ℃/min；500 ℃保温一小时；500 ℃至600 ℃，升温速率5 ℃/min；600 ℃保温一小时；600 ℃至750 ℃，升温速率5 ℃/min，750 ℃保温3小时；冷却后出模得到砂轮成型体；

(4) 将检验合格的砂轮成型体在车床和磨床上加工至图纸要求的形状和尺寸，按金刚石砂轮国家标准JB/T 7425-94检验合格后包装、入库，得到复合结合剂砂轮的结构示意图如附图2所示。

本砂轮实际应用的单次进刀量达到4.8 mm，进给速度为市场强力磨削砂轮的115%，且机床负载为市场强力磨削砂轮的70%，修整间隙为市场强力磨削砂轮的125%，综合加工效率提高130%。