一种具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮及其制造方法

摘要

本发明公开了一种具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮及其制造方法，砂轮包括：结合剂和磨料；磨料由碳化硼与陶瓷微晶磨粒混合而成，且两者混合比为2∶8～2.2∶7.8；结合剂包括高岭土粉和水铝石粉；结合剂与磨料的质量比为5.7∶4.3～6.2∶3.8。本案通过对磨料的改进使得每颗磨粒中含有成千上万个微小结晶，能自锐持续地露出新的、锋利的切削刃，因此在切削时温度较低，比普通氧化铝对难磨削材料的烧伤或金相损害更少，并且可在低负荷下长时间保持锋利，总停机时间较少，寿命更长。而经过优化的结合剂是将粉料通过高温熔融冷却夹持住磨料，使之形成一定形状的高硬度高强度的磨具砂轮。

说明书

技术领域

本发明涉及磨具领域，特别涉及一种具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮 及其制造方法，尤其涉及一种应用于对航空发动机核心零件进行精密打磨的 具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮及其制造方法。

背景技术

磨具产品作为工业的牙齿，在产品的磨削、成型加工、抛光方 面有着不可替代的作用。磨具产品磨削对象可分为很多种，比如木 材、金属、合金、皮革、玻璃、陶瓷等等所有需要进行磨削加工以 及抛光的领域。

随着现代工业的发展，高性能的磨具在工业以及民用领域中的 应用越来越广，尤其在航空发动机盘/轴类零件的精加工领域，较多的采 用了高温合金、钛合金材料，而高温合金、钛合金材料磨加工上属于难磨材 料，由于其材料性能特点，磨加工时磨削区温度高，使得砂轮磨削面容易被 金属屑堵塞、磨粒不容易自行脱落或者成片脱落；此外，被磨材料表面容易 被烧伤、产生微裂纹、且粗糙度较差，这些都影响磨削材料质量及砂轮磨削 效率。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种具有高强磨削性能的 陶瓷微晶砂轮及其制造方法。

本发明的技术方案如下：

一种具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮，包括：结合剂和磨料；

其中，所述磨料由相同粒度的碳化硼与陶瓷微晶磨粒混合而成， 且两者的混合比例为2∶8～2.2∶7.8；

所述结合剂包括有高岭土粉和水铝石粉；

所述结合剂与所述磨料的质量比为5.7∶4.3～6.2∶3.8；

所述陶瓷微晶磨粒包括以下重量份的材料：

优选的是，所述的具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮，其中，所述结合 剂包括以下重量份的材料：

优选的是，所述的具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮，其中，所述结合 剂中还包括2～3重量份的氧化锶粉。

优选的是，所述的具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮，其中，所述结合 剂中还包括2～3重量份的氧化镍粉。

优选的是，所述的具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮，其中，所述碳化 硼和陶瓷微晶磨粒的粒径为600～800目。

一种具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮的制造方法，包括以下步骤：

步骤1)按结合剂的配方比例进行称取，混匀，其中，所述结合剂包括 以下重量份的材料：

步骤2)将步骤1)所得混合物进行第一次玻化处理，第一次玻化处理的 温度为900～920℃，随后自然冷却至室温，在自然冷却后继续置于0～5℃下 冷冻10～15min，随后粉碎，得到产物一；

步骤3)将产物一进行第二次玻化处理，第二次玻化处理的温度为980～ 1000℃，随后在10～20W的紫外灯照射下自然冷却至室温，随后粉碎，得到 产物二；

步骤4)将产物二与磨料混匀，得到产物三，其中，所述结合剂与所 述磨料的质量比为5.7∶4.3～6.2∶3.8；所述磨料由相同粒度的碳化 硼与陶瓷微晶磨粒混合而成，且两者的混合比例为2∶8～2.2∶7.8； 所述陶瓷微晶磨粒包括以下重量份的材料：

步骤5)将产物三与等质量的水混匀调黏稠后放入模具中制模 定型，压实，随后进行烧结，从20℃开始，以30℃/小时的速率升 温至500℃，随后以25℃/小时的速率升温至650℃，以17.5℃/小 时的速率升温至795℃，随后在795℃下保温4小时，自然冷却至室 温。

优选的是，所述的具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮的制造方法，其中， 所述结合剂中还包括2～3重量份的氧化锶粉。

优选的是，所述的具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮的制造方法，其中， 所述结合剂中还包括2～3重量份的氧化镍粉。

优选的是，所述的具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮的制造方法，其中， 所述碳化硼和陶瓷微晶磨粒的粒径为600～800目。

本发明的有益效果是：本案通过对磨料的改进使得每颗磨粒中含有成千 上万个微小结晶，能自锐持续地露出新的、锋利的切削刃，因此在切削时温 度较低，比普通氧化铝对难磨削材料的烧伤或金相损害更少，并且可在低负 荷下长时间保持锋利，总停机时间较少，寿命更长。而经过优化的结合剂是 将粉料通过高温熔融冷却夹持住磨料，使之形成一定形状的高硬度高强度的 磨具砂轮。粉料在高温熔融过程中与磨料间也会产生化学反应，一方面虽然 可以提高结合强度，但另一方面高温会破坏微晶磨料中的微小结晶，故本案 通过对结合剂配方进行改进并结合全新的烧结工艺，采用700～800℃的低温 烧结工艺，获得了令人满意的效果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参 照说明书文字能够据以实施。

本案提供一实施例的具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮，包括：结合剂 和磨料；

其中，磨料主要用于打磨，结合剂主要用于粘合并夹持固定磨 料，同时能够使得打磨下来的金属屑和磨料能够自动滑落，不影响 砂轮的磨削效率。

磨料由相同粒度的碳化硼与陶瓷微晶磨粒混合而成，且两者的 混合比例为2∶8～2.2∶7.8；碳化硼与陶瓷微晶磨粒的组合可以获得 优秀的砂轮线速度，及较高的去除率和磨削比，且两者的混合比例 须被严格限制，当偏离这一比例时，则将导致磨料的磨削性能偏离 最优值，且很难在两者之间发现另一优选的比例值。不仅如此，碳 化硼与陶瓷微晶磨粒的结合也应被限制，因为与两者结构类似的碳 化硼和棕刚玉的组合、碳化硼和白刚玉的组合、碳化硅与陶瓷微晶 磨粒的组合以及氮化硼与陶瓷微晶磨粒的任意比例的组合均不能达 到碳化硼与陶瓷微晶磨粒的组合所产生的磨削性能。

陶瓷微晶磨粒包括以下重量份的材料：

陶瓷微晶磨粒的制备方法如下：将上述四种材料按比例混匀， 加入等体积的水调匀后，在600～800℃下烧结1小时，在1200～1250℃ 下烧结2小时，自然冷却后，将得到的烧结块放入冰水中超声半小时，随后 进行研磨粉碎，得到细小的陶瓷微晶磨粒。陶瓷微晶磨粒的粒度大小可 根据实际需要通过研磨机来调节。上述陶瓷微晶磨粒的配方比例不 能自由更改，因为该配方对最终所得材料的耐磨性能有很大的影响， 即便只是一种物质，偏离很小的范围，都将导致最终磨粒的打磨性 能大大降低，因此，上述陶瓷微晶磨粒的配方应被固定。

结合剂包括有高岭土粉和水铝石粉；这两种材料是结合剂的主体， 两者结合后的粉体混匀，经烧结可具备优异的稳定性，在高温下具 备出色的结合力，可牢牢地夹持住磨料，以确保砂轮的线速度不受 影响。

当然，为了进一步保证砂轮的磨削能力，结合剂与磨料的质量 比应被限制，优选值为5.7∶4.3～6.2∶3.8，当偏离这一优选范围后， 砂轮的磨削性能将受到影响。不同成分的结合剂与不同成分的磨料 之间的比例分配没有参考性，且并非所有的结合剂与磨料之间都存 在最佳分配比例，当结合剂的成分与磨料的成分无法完美匹配时， 是根本无法通过实验来发现最佳比例的。

为了进一步获得更佳的磨削能力，需要进一步对结合剂进行改进，结合 剂包括以下重量份的材料：

钾长石粉和二氧化锰粉的结合可以降低被磨削材料与磨料的亲和性反 应，可有效避免砂轮磨削面的严重堵塞或是成片脱落从而丧失磨削能力，亦 可避免被磨削材料的磨削面表面质量变差。三氧化二钐粉被发现在灼烧时具 有造孔功能，可使得砂轮形成多气孔结构，有利于磨削过程中金属屑排出与 磨削温度的冷却。各种添加材料的粉体的粒径不受限制，优选采用至少微米 级的粉体材料。

作为本案又一实施例，其中，结合剂中还包括2～3重量份的氧化锶粉。 氧化锶可提高结合剂在高温下对磨料的粘结强度，从而对磨料形成更强效的 夹持力。但氧化锶的添加量应被限制，偏离优选的范围将导致结合剂的抗拉 强度受到影响，从而影响结合剂对磨料的夹持力。

作为本案又一实施例，其中，结合剂中还包括2～3重量份的氧化镍粉。 氧化镍是一种制孔增韧剂，可增大抗磨层的气孔率，提高砂轮容屑、排屑散 热能力，并能有效防止Al、Cu、Ag等元素对磨削表面的污染。但氧化镍的添 加量应被限制，偏离优选的范围将导致其磨削性能受到影响。

作为本案又一实施例，其中，碳化硼和陶瓷微晶磨粒的粒径相等， 优选为600～800目。

本案提供另一实施例的具有高强磨削性能的陶瓷微晶砂轮的制造方法， 包括以下步骤：

步骤1)按结合剂的配方比例进行称取，混匀，其中，结合剂包括以下 重量份的材料：

步骤2)将步骤1)所得混合物进行第一次玻化处理，第一次玻化处理的 温度为900～920℃，随后自然冷却至室温，在自然冷却后继续置于0～5℃下 冷冻10～15min，随后粉碎，得到产物一；在低温冷冻的目的是为了消除第 一次玻璃化得到的产物的内部应力，以保证粉体在烧结时的整体结合强度不 受影响，不产生暗纹。

步骤3)将产物一进行第二次玻化处理，第二次玻化处理的温度为980～ 1000℃，随后在10～20W的紫外灯照射下自然冷却至室温，随后粉碎，得到 产物二；采用紫外照射的目的是降低粉体的表面能，以使得：1)粉体的混匀 效果更好，粉体之间的斥力更小；2)粉体在烧结时的温度需求更低，即无需 高温烧结，只需在低温下烧结即可，从而有效防止磨料中的微小结晶被破坏。

步骤4)将产物二与磨料混匀，得到产物三，其中，结合剂与磨料的 质量比为5.7∶4.3～6.2∶3.8；磨料由相同粒度的碳化硼与陶瓷微晶 磨粒混合而成，且两者的混合比例为2∶8～2.2∶7.8；陶瓷微晶磨粒 包括以下重量份的材料：

步骤5)将产物三与等质量的水混匀调黏稠后放入模具中制模 定型，压实，随后进行烧结，从20℃开始，以30℃/小时的速率升 温至500℃，随后以25℃/小时的速率升温至650℃，以17.5℃/小 时的速率升温至795℃，随后在795℃下保温4小时，自然冷却至室 温，即制得砂轮成品。低温烧结工艺能够得以成功制备砂轮的原因 有三点：1)传统结合剂的配方被充分改进；2)磨料的组成得到大 幅优化；3)对粉体开展预处理工艺。这三者的结合得以实现了对砂 轮制造工艺的改进。

作为本案另一陶瓷微晶砂轮的制造方法的实施例，其中，结合剂中还包 括2～3重量份的氧化锶粉。

作为本案另一陶瓷微晶砂轮的制造方法的实施例，其中，结合剂中还包 括2～3重量份的氧化镍粉。

作为本案另一陶瓷微晶砂轮的制造方法的实施例，其中，碳化硼和陶 瓷微晶磨粒的粒径为600～800目。

表一列出不同实施例的结合剂配方与磨料配方对砂轮磨削性能的影响。

表一

表二列出不同对比例的结合剂配方与磨料配方对砂轮磨削性能的影响。

表二

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方 式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领 域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范 围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。