制造陶瓷结合剂砂轮的方法及所制得的砂轮

摘要

一种制造陶瓷结合剂磨料制品，特别是制造砂轮的方法，它包括将糖/淀粉颗粒混合到制造砂轮的其它配料中的步骤。糖/淀粉颗粒为糖和淀粉的紧密结合物，所获得的砂轮性能比不包括将糖/淀粉颗粒混合到用来制造砂轮的磨粒，陶瓷结合剂材料和其它成分中的步骤且按类似的方法制造的类似砂轮的性能有所提高。

说明书

本发明涉及一种制造陶瓷结合剂磨料制品的制造方法，特别是指砂轮的制造方法，以及由此方法所获得的磨料制品。本发明的方法中，在进行压制成形和烧结制品的工序前，先将糖/淀粉颗粒和磨料制品的其它配料混合，例如：磨料、陶瓷结合剂、临时粘合剂等。

陶瓷结合剂砂轮和其他磨料制品在本技术领域中众所周知已久。但制造这种砂轮和磨料制品的材料和工艺过程的改进，提高磨削性能、更高的效益、耐久的使用寿命和经济性优点仍然是一个研究课题。改进的磨粒和其制造方法以及陶瓷结合材料的组成和性能的改善都被系统地纳入本技术领域中。在很多情况下，这种改良已产生了很好的磨削性能、较低的成本、改进的产品以及较长的砂轮使用寿命，但效益和性能仍有待提高，特别地，因为工艺的改进对设备的精度、准确度、性能及其基本部件提出了更高的要求，加剧的竞争使砂轮的性能和磨削操作的经济特点也更为重要。

陶瓷结合剂砂轮中基本上有与在砂轮制造的烧结过程中成形和/或熔化的陶瓷材料结合在一起的磨料颗粒或磨粒（如：氧化铝磨料），另外的材料，（诸如：固体润滑剂）有时也用在砂轮的制造过程中。在本领域制造陶瓷结合剂砂轮的典型方法中，将磨粒、结合剂材料（如：半熔的陶瓷原料或其它陶瓷化材料）、临时粘合剂和有时所用的其它材料（如：滑剂和孔隙诱导体）混合在一起以形成一均匀的混合物，然后将混合物放在一具有所需砂轮大概尺寸和形状的模型内。压缩模型内的混合物以使之压紧成一由临时粘合剂（如含水酚醛树脂粘合剂）所保持的临时自支持形状。干燥这临时粘合物，即：未绕结的砂轮，然后将其置于窑内加热，即：烧结，以便在一段特定的时间周期和温度下烧掉临时粘合剂和某些孔隙诱导体，从而陶化结合材料。加热周期取决于砂轮的组成，所以，它可随磨粒和/或陶瓷结合剂的成分而变化。第一道工序中，众所周知的，是使用一种惰性气体（例如：氮气）减少或防止氧化或另外的所不需要的在空气中进行烧结过程中可能发生的反应。故，制造陶瓷结合剂砂轮的方法包括物理地混合各种永久的和暂时的配料。永久配料显露在成品砂轮的组成中，而暂时配料在烧结工序中消失故不会在成品砂轮中出现。这些临时材料可以经常地对于砂轮的结构、性能和磨削性能有显著的影响。例如，临时孔隙形成的有机材料，诸如：二氯（代）苯和用于在砂轮内形成和决定孔隙的研磨磨粒的外壳体。

在本技术领域中，制成各种等级的陶瓷结合剂砂轮以优化磨削操作（即工件形状、尺寸、组成以及诸如：砂轮速度、进给率、磨削深度的磨削条件）的性能，经济性和效能，这些不同的等级可通过改变砂轮的组成、物理性能、结构和/或制造方法而获得。所以，比如包括制造砂轮的具体条件在内的特定方法，可随着砂轮的等级而改变。因此，砂轮结构和其性能主要地可由制造砂轮的方法所决定。众所周知陶瓷结合剂砂轮含有空隙，即：孔，而且也知道这些孔的数量和/或尺寸可改变砂轮的等级和主要地用以确定砂轮的结构。一般地，孔愈大和/或孔的数量愈多，砂轮也就愈软，即越弱。相反地，在一般意义上，孔愈小和/或孔的数量愈少砂轮也就愈硬，即越强。这些孔可以是由于在砂轮烧结过程中夹杂空气和/或挥发的孔隙诱导体而产生的。所以陶瓷结合剂砂轮可根据它们的孔隙率、结构和磨削作用大致地从软到硬进行分级。软砂轮往往磨损快且结构脆弱。软砂轮在低速和相对轻微的磨削条件下的使用，会导致其快速的破损和磨粒的脱落。另一方面，硬砂轮磨损低，耐受破损，物理强度高。这些硬砂轮最适用于a）高速，b）用于磨削硬质金属和合金，c）精磨削加工，d）在恶劣的磨削条件下（例如：高进给、高过载状况）。

通常表现为软砂轮的陶瓷结合剂砂轮具有一高空隙含量，由于砂轮空隙含量的增加使可靠地制造砂轮变得愈加地困难。这种困难基本上在烧结前和烧结过程中由于砂轮空隙含量的增加，降低砂轮的强度而引起的。因为这些高孔隙率砂轮的空隙含量的增加，砂轮中磨粒和陶瓷结合剂的减少导致砂轮强度的降低。在制造这种砂轮的已有技术中，这种强度的降低通过在压缩工序后砂轮的脆弱和烧结工序中砂轮的凹凸缺陷而表面出来。这些问题经本发明人提出并解决，终于导致一改进的工艺过程，此工艺包括一将糖/淀粉颗粒和砂轮的其它配料（即：成分）混合的工序，接下来将混合的砂轮配料置于一模型内的工序，压缩混合物，从模型中移出压缩的混合物（即：未烧结砂轮）并在窑内烧结砂轮以使结合剂陶化。这一加工过程可靠地生产高孔隙（即：软）陶瓷结合剂砂轮，并克服了用已有技术的方法制造这种砂轮所产生的问题。

为了帮助理解陶瓷结合剂砂轮等级的变化，以及更好地理解与这些等级有关的上述改进的加工过程和本发明中所描述的说明和权利要求，陶瓷结合剂砂轮可由一砂轮结构指数（WSI）所确定。这个指数是以砂轮总的磨粒构成中的磨料堆积密度（BD）、磨粒的真密度（TD）、磨粒的体积分数（f）和砂轮的颗粒体积分数（GVF）作为根据的。砂轮结构系数值根据以下的一般公式获得。

$>>WSI>=>>>(>GVF>)>>t>>/>>\Sigma >>n>=>1>>10>>>(>>f>n>>)>>[>>>(>BD>)>>n>>/>>>(>TD>)>>n>>]>$>

其中：（GVF）_t是砂轮颗粒总体积分数且等于磨粒总体积除以陶瓷结合剂砂轮的体积，f_n是砂轮中所有磨粒组分中的一给定磨粒体积分数，

（BD）_n是f_n体积分数的磨粒堆积密度，以及

（TD）_n是f_n体积分数的磨粒真密度。

公式： $>>>\Sigma >>n>>->1>\; >10>>>(>>f>n>>)>>[>>>(>BD>)>>n>>/>>>(>TD>)>>n>>]>=>>(>>f>1>>)>>[>>>(>BD>)>>1>>/>>>(>TD>)>>1>>]>+>>(>>f>t>>)>>[>>>(>BD>)>>t>>]>/>>>(>TD>)>>t>>]>+>·>·>·>·>·>·>+>>(>>f>10>>)>>[>>>(>BD>)>>10>>/>>>(>TD>)>>10>>]>$>

其中：

f₁是颗粒1的体积分数，

f₂是颗粒2的体积分数，

f₁₀是颗粒10的体积分数，

（BD）₁是颗粒1的堆积密度，

（BD）₂是颗粒2的堆积密度，

（BD）₁₀是颗粒10的堆积密度，

（TD）₁是颗粒1的真密度，

（TD）₂是颗粒2的真密度，

（TD）₁₀是颗粒10的真密度，

（GVF）_t值是通过由砂轮中颗粒的总体积而确定的，并将此体积除以砂轮的体积而得出。在计算砂轮的磨粒的总体积时，每种类型的磨粒的重量除以该种颗粒的真密度以给出砂轮中的该种颗粒的体积。将上述的各个磨粒体积加起来以给出磨粒总体积。例如，在含有氧化铝和碳化硅磨粒的陶瓷结合剂砂轮中，通过将砂轮中的氧化铝颗粒的重量除以氧化铝颗粒的真密度以给出砂轮中该颗粒的体积而得出。磨粒的总体积，相应地，将碳化硅磨粒的体积除以碳化硅颗粒的真密度以得出砂轮中磨粒的体积。将这些氧化铝和碳化硅颗粒体积加在一起以得出砂轮中磨粒的总体积。一给定磨粒的体积分数（f）可通过先求出用于砂轮的那种颗粒的体积，继而将此体积除以磨粒的总体积而得出。砂轮中磨粒的总体积的求解已描述在上文中。将磨粒的总体积分成各种类型的磨粒的体积给出了砂轮中各种类型的磨粒体积分数（f）。

WSI的计算可进一步通过下述以陶瓷结合剂氧化铝砂轮为例子的方法来阐述，其中氧化铝磨粒的堆积密度（BD）为1.7gm/cc，此种颗粒的真密度为4.00gm/cc。由于本例的砂轮中所用的磨粒为一种类型，所以值（f）是唯一的。在此例中，（GVF）_t值为0.48，所以：

WSI＝0.48/（1.70/4.00）

WSI＝（0.48）（4.00）/1.70

WSI＝1.129

本发明人按上述方法先前所改进的高孔隙率，即软性陶瓷结合剂砂轮具有一为1或小于1的WSI。

制造软砂轮的已有技术方法中，在烧结前或烧结过程中存在着高孔隙率砂轮（即软砂轮）的物理脆弱性问题，应用已有技术方法制造低孔隙率砂轮（即硬砂轮）时不会出现该问题，因为在此种砂轮中具有大量的结合剂和磨粒。所以，技术方法被认为是可靠地制造低孔隙率的陶瓷结合剂砂轮。但用此技术方法制造的低孔隙率砂轮在磨削时也表现出达不到所需的性能的问题，特别是在磨削韧性金属时，这些低孔隙率砂轮具有一大于1的WSI。加工过程的目的是导致本发明的说明和权利要求符合现有技术以克服低孔隙率砂轮即硬陶瓷结合剂砂轮达不到所需磨削性能的缺陷。

本发明的一个目的在于提供一种改进的用于制造陶瓷结合剂磨料制品（例如砂轮）的方法。

本发明的另一个目的在于提供一种用于制造性能改善的陶瓷结合剂砂轮的方法。

本发明的再一个目的在于提供一种结构上高均匀性的陶瓷结合剂砂轮。

本发明还有一个目的在于克服已有技术的陶瓷结合剂砂轮结构和性能的许多缺点。

本发明的这些和其余目的将从以下说明书、实例和权利要求中显得更为明了。如将从以下说明书和权利要求书体现的本发明的上述和其它目的，通过本发明制造一具有大于1的砂轮结构指数的改进的陶瓷结合剂磨粒制品的方法来实现，此方法包括：a）将糖/淀粉颗粒混合在制造砂轮的磨粒、陶瓷结合剂材料和其它配料中，b）将混合物放在一模型内，c）压缩模型内的混合物，d）将压缩的混合物从模型中移出，以及e）烧结压缩的混合物以陶化结合剂材料。

根据本发明提供了一种制造砂轮结构指数大于1的陶瓷结合剂磨料制品（特别是指陶瓷结合剂砂轮）的方法，此方法包括：a）在砂轮结构指数大于1的条件下，将磨粒、陶瓷结合剂材料和临时粘合剂混合在一起以形成一均匀的混合物，b）将混合物置于一模型内，c）将模型内的混合物压缩至制品的大概的尺寸和形状，d）从模型中移出压缩后的混合物，以及e）烧结压缩后的混合物以制成陶瓷结合剂磨料制品，其特征在于将糖/淀粉颗粒掺合到构成制品的混合物中的一道工序。

在本发明的应用中，不脱离本发明所描述的和要求的范围和实质，用于生产具有大于1的WSI改善磨削性能的陶瓷结合剂砂轮的方法可以有多种变化。如本发明的方法的一个实例，可采用以下步骤a）在一WSI大于1的条件下，将磨粒和一临时粘合剂（如：酚醛树脂粘合剂）混合在一起，直到通过粘合剂而获得一均匀的磨粒盖覆层，b）搅拌时将陶瓷结合剂材料加入粘合剂覆盖的颗粒中并继续搅拌直到获得一均匀混合物，c）搅拌时，将糖/淀粉颗粒加入到步骤（b）的混合物中并继续搅拌直到制得一均匀混合物，d）筛滤步骤（c）制成的混合物以除去不需要的块团，e）将筛滤过的混合物称量并移到具有形成砂轮的大概尺寸和形状的模型内，f）压缩模型内的混合物，g）从模型中移出压缩后的混合物，h）干燥压缩后的混合物，以及j）烧结干燥的压缩混合物以使磨粒结合在一起。上述（a）（b）（d）（e）（f）（g）（h）和（j）的每一步骤都和已有技术相同。但在具有比1大的WSI的砂轮中，本发明的上述步骤（c）是不同于已有技术的。

在本发明方法的另一个实例中，WSI大于1的陶瓷结合剂磨料制品可通过使用两种或更多不同类型的磨粒制成。即是，在将磨粒和临时粘合剂如上所述的步骤混合在一起之前，可先将两种或更多种具有不同的物理和/或化学结构的磨粒，例如氧化铝和碳化硅完全地混合在一起。其余的步骤从（a）至（f）和上述的步骤仍然是一样的。

本发明方法的实例还可包括在将磨粒和临时粘合剂混合在一起的步骤之前，将有相同组成的不同尺寸的磨粒混合在一起，例如：不同尺寸的氧化铝颗粒。

本发明方法的另一个实例可包括a）将磨料颗粒和一临时粘合剂混合在一起直到通过粘合剂而获得一均匀的颗粒覆盖层，b）将陶瓷结合剂材料和糖/淀粉颗粒混合以获得一均匀混合物，c）将由步骤（a）获得的粘合剂包覆的磨粒与从步骤（b）产生的混合物混合在一起以形成一均匀混合物，d）将步骤（c）形成的混合物加到一具有与所制的磨料制品的大概尺寸和形状的模型中，e）压缩模型中的混合物，f）取出模型内的压缩混合物，g）干燥压缩混合物，以及h）烧结压缩混合物以使磨粒结合在一起。

以单一的或以组合形式而用于本发明的实施例的且具有通常尺寸的各种磨粒包括熔化的氧化铝、溶胶一凝胶氧化铝、碳化硅、碳化钨、立方的一氮化硼、碳化硼、金刚石和一氮化铝，但不局限于上述的。本技术领域中可用的已知的陶瓷结合剂组成包括半熔的陶瓷原料以及由研成粉末的无机陶瓷的结合剂构成的化合物和无机物的混合物。本技术领域中已知的临时粘合剂，无论是有机的还是无机的，在本发明中可采用众所周知的如：含水酚醛树脂成分和含水石腊乳胶。制造砂轮的辅料可包括在本发明方法的实例中。虽然还未发现在本发明方法的制造砂轮实例中，磨削辅料的使用不是必要的，但可以利用这种辅料。

根据本发明，陶瓷结合剂磨粒制品需有一大于1的WSI。在本发明的一较佳实例中，陶瓷结合剂砂轮具有一比1大比2小的WSI。陶瓷结合剂砂轮最好有一在1.00-1.70范围内的WSI。

本发明提供一种用于制造高均匀性的陶瓷结合剂砂轮的方法，此砂轮的WSI大于1，具有比使用相同的已有技术而不用本发明方法的糖/淀粉颗粒制造的类似的砂轮有所改善的磨削性能。用本发明制成的砂轮与用已有技术制成的砂轮相比，不仅可观察到有改善的切削性能，而且与用已有技术的方法而不用如本发明的糖/淀粉颗粒制造的类似的WSI的砂轮相比，用本发明方法制成的砂轮还具有较高的结构均匀度。

用本发明方法制成的砂轮适用于磨削钢制工件且在本技术领域中具有通用的尺寸和形状。

意料不到地发现用下述方法制取的陶瓷结合剂砂轮具有一比1大的WSI，显示其改善的性能，特别是其磨削性能胜过已有技术方法制取的类似砂轮，此一方法在于将糖/淀粉掺合到组成砂轮的配料中。没有发现在成品砂轮中有糖/淀粉颗粒存在的迹象，因此，可相信它们已从制成的陶瓷结合剂砂轮中消失，至少已不存在它们被混合在组成砂轮的配料中时的那种形式。根据本发明的方法所用的糖/淀粉颗粒可表现为宽广的组成范围。糖对淀粉的比例可在一宽广范围内变化。这些颗粒还可包含与颗粒的糖和淀粉成分密切混合的其它物质。在这些颗粒中发生一种糖和淀粉密切的物理和/或化学结合以构成单一的颗粒。本发明的实例中不采用物理地混合在一起的糖和淀粉分离的颗粒。按重量计糖对淀粉的比例可在50/50-50/90的范围内。按重量计，糖对淀粉的比例最好在70/30至85/15的范围内。

本发明实例中所采用的糖/淀粉颗粒的尺寸在100-10筛目范围内，即颗粒的最大尺寸在0.15毫米至2.00毫米范围内，最佳范围为50-16筛目，即最大尺寸为0.30-1.18毫米。所用的糖/淀粉颗粒的数量等于磨料制品中磨粒重量的1.0%至15%。在本发明的较佳实例中，所用的糖/淀粉颗粒的数量等于磨料制品中磨粒重量的2.0%至10.0%。

在本技术中，已知的传统的搅拌和混合技术、条件和设备可用于实施本发明的方法。在烧结制品前技术领域中，已知的用于压缩陶瓷结合剂磨料制品（例如：砂轮）的技术、条件和设备可用于本发明。在烧结前，干燥压缩的陶瓷结合剂磨料制品可用来除去水份或通常由临时粘合剂组分剂组分带入制品中的有机溶剂，且可用技术领域中已知的技术、条件和设备进行干燥。在干燥后，通常称为未烧结制品或砂轮的压缩磨料制品须承受高温（例如：1000°F至2500°F）处理以形成使磨粒结合在一起的陶瓷结合体。这种烧结步骤通常是在窑内完成的，窑内的空气，温度和加热制品的时间是可控制的或根据下述因素，即制品的尺寸和形状、陶瓷结合剂的组成、以及磨料的特性而进行来可变地控制。在本技术领域中已知的烧结条件可用于本发明的实例中。

以下将在非限定的实例中对本发明作进一步描述，其中除了另外说明以外，材料的数量以重量计算，温度为华氏温度以及

1）CUBITRON  MLM溶胶一凝胶氧化铝磨料是据1988年5月17日公开的U.S.4，744，802的所揭示和权利要求的，并从Minnesota  Mining  and  Manufaituring  Company获得（CUBITRON是Minnesota  Mining  and  Msnufaituring  Company的注册商标）;

2）结合剂A具有按氧化物组成为基的摩尔%为SiO₂63.28;TiO₂0.32;Al₂O₃10.99;Fe₂O₃0.13;B₂O₃5.11;K₂O3.81;Na₂O4.20;Li₂O4.48;CaO3.88;Mg3.04及BaO0.26;

3）结合剂B具有按氧化物组成为基的摩尔%为：SiO₂47.34;TiO₂0.40;Al₂O₃41.79，Fe₂O₃0.08;K₂O2.25;Na₂O2.25;Na₂O1.13;CaO2.25;以及MgO4.75;

4）3029UF树脂由重65%脲甲醛树脂和重35%的水组成，

5）T-1为按重量计的比率为70/30的脲甲醛粉末树脂与玉米淀粉的干燥的混合物，

6）VINSOL为从Hercules  Inc获得的松树树脂（VINSOL为Her-cules  Inc的注册商标）;以及

7）CRUNCHLETS  CR20糖与淀粉颗粒按重量比为78.5-21.5，颗粒尺寸在0.354毫米至1.19毫米的范围内。（RUNCHLETS为Custon  Industries  Incc的注册商标。

以下实例中的配方成分根据所列举的百分率按下述方式组合。这里采用两种或更多种具有不同化学组成，物理结构或尺寸的磨粒，在进行以下步骤之前先将它们混合在一起。3029UF树脂和亚乙基二醇（此处所用的）磨粒被混合在一起直到使磨粒获得一均匀的覆盖层。在形成的混合物中加入一结合剂混合物，糊精粉末和T-1（此处所用的）的综合物，仍继续搅拌直至获得一均匀混合物，然后，将VINSOL（此处所用的）搅拌地加到混合物中。接下来加入CHUNCHLETS  CR20颗粒搅拌直至产生一均匀混合物。然后筛滤形成的组合物以除去不需要的块团，并将一预定数量的筛滤后的混合物放入一具有所需制造的砂轮的形状和近似尺寸的钢模型中。模型名义上尺寸为14.5×0.60×4.905英寸。当混合物在模型内均匀分布后，冷压缩此混合物以将其压实到14.5×0.60×4.905英寸的尺寸。然后将压实的混合物（即未烧结砂轮）从模型中移出并经过干燥操作过程，通过在13小时内将未烧结砂轮从室温加热到275F，然后在环境空气下再使其冷却至室温，最后将干燥后的未烧结砂轮按本实例中所描述的条件下进行烧结操作过程，制成的砂轮就达到它们最终的尺寸（14×0.50×5.00英寸）。

实例

成分  实例号

1  2  3  4

CUBITRON  MLM（60筛目）  41.4  42.8  20.7  21.4

熔化氧化铝9A（60筛目）  41.4  42.8  62.1  64.2

3029UF树脂  2.3  2.0  2.3  2.0

结合剂A  9.9  10.3  9.9  10.3

糊精  2.5  1.7  2.5  1.7

亚乙基二醇  0.3  0.3

T-1  0.3  0.3

CRUNCHLETS  CR  20  2.1  2.1

实例1-4给出了一在空气中的烧结过程，在11小时内从室温加热至1650F;1650F下保温12小时，在6.5小时内，从1650F加热到2100F，在2100F下保温3小时。然后砂轮放在周围空气中通过27.5小时的冷却至室温;根据实例1-4制造的砂轮具有一为1.115的WSI。上面表格中的所有数量是按重量计的。

为了评估砂轮的磨削性能，按照上述实例用以下的程序和条件对制成的砂轮进行试验。将14×0.5×5.00英寸的砂轮安装在一万能中心型磨床上并对一旋转（每分钟表面切削200英尺）的4×0.20×1.25英寸4145钢圆柱工件进行横向进给（切入）磨削，砂轮速度为1718转/分，进给速率为0.0417英寸/分，0.0625英寸/分和0.0833英寸/分。在每一试验过程中，使用CIMSTAR40金属加工液，（CIMSTAR是Cincinneti  Milacron  Ina的注册商标）。每一次试验导致工件直径被磨掉0.500英寸。根据每一次试验从工件上磨去的金属量和估算的G-比值对砂轮进行耐磨损性测量。G-比值为每单位体积砂轮磨损量所磨掉的金属体积。

以下结论是从根据上述程序所进行的试验中获得的。

实例号  进给速率  G-比值

1  A  37.56

B  27.93

C  22.67

2  A  24.81

B  20.69

C  12.64

3  A  38.48

B  28.88

C  21.66

4  A  25.97

B  16.83

C  11.43

＊A是0.0417英寸/分的进给速率，B为0.0625英寸/分的进给速率以及C是0.0833英寸/分的进给速率。

实施例1对实施例2、实例3对实例4的G-比值数值的比较表示出在每一个进给速率下用本发明的方法制造的砂轮，在此一方法中，采用将糖/淀粉颗粒掺入制造具有一大于1的WSI的砂轮的配料中的步骤，（即实例1和3），明显地表现出高G-比值，所以在实施例1和3的磨削性能与不将糖/淀粉颗粒掺入砂轮配料的步骤（即实例2和实例4），且以类似的工艺制成的类似砂轮的磨削性能相比显然是高得多了。因此，比如，G-比值为37.56其进给速率为0.0417英寸/分的实例1的与在同样进给速率下G-比值为24.81的实例2相比，据本发明方法制造的砂轮（实例1）比用类似方法但不采用将/糖/淀粉颗粒混合进行制造砂轮（实例2）的配料中的步骤所制成的类似的砂轮的磨削性能高50%以上。