一种用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液及其制备方法

摘要

本发明涉及一种用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液，包含：4.8％～6.2％的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、2.5％～2.9％的烷基合成醇烷氧基化合物、2.2％～2.5％的二硫化钨、4.2％～4.4％的环五聚二甲基硅氧烷、3.5％～3.7％的极压抗磨剂、2.3％～3％的缓蚀剂、2.5％～3.5％的摩擦改进剂和剩余含量的去离子水。本发明提供的一种用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液，其具有优异的润滑、降温和清洗的效果，且使用周期长，能大幅降低碳化硅陶瓷加工过程磨削温度、法向磨削力及切向磨削力，减少砂轮磨损，有效提高碳化硅工程陶瓷磨削加工表面质量和精度等问题。

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷的磨削加工领域，具体涉及一种用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷 专用磨削液及其制备方法。

背景技术

随着科学技术，特别是能源、空间技术的发展，工程陶瓷以其高强度、低膨胀率、 耐磨损及化学稳定性等优越的性能受到广泛关注并被应用于高技术工程领域中。工程 陶瓷材料是由粉末状原料制造成型后在高温下烧结而成，不可避免的毛坯烧结收缩量 和特殊形状的要求，使得工程陶瓷零件需要经过机械加工才能满足尺寸、形状的公差 要求和表面粗糙度要求。

碳化硅陶瓷材料的制造成本较低、加工时间短，并且能够进行大质量的轻量化处 理，非常适合制造大尺寸并且结构复杂的空间光学镜片。烧结碳化硅在烧结成形过程 中的体积收缩率近乎等于零，得到的碳化硅胚体只需要对表面进行微量的尺寸加工就 可以得到工件要求的表面质量和尺寸精度。这些加工特点有利促进着碳化硅在光学镜 片、飞行体零部件领域的发展，并成为了主要材料。

碳化硅材料由于本身的硬度很高，现今主要的加工方法为金刚石砂轮的磨削加 工，但是由于材料本身的硬脆性能，在加工时，工件容易产生裂纹以及亚表面损伤层， 并且加快金刚石砂轮的磨损速度，导致碳化硅材料的加工费用达到了碳化硅元件整体 价格的50％～90％。因此，工件表面以及亚表面损伤层深度以及分布的不规则性和 砂轮快速的磨损等原因都限制了碳化硅陶瓷元件更广泛的应用。其中，砂轮磨损对工 件的表面质量具有很大影响。一方面金刚石砂轮的磨损形式和磨损量随时间的变化规 律制约加工工件表面的表面及亚表面损伤以及加工后得到的工件表面精度。另一方面 磨粒的锐利程度作为砂轮的主要参数之一，直接决定着工件的磨削效果好坏。

由此可见，提供一种新的磨削液，以期降低工件表面以及亚表面损伤层深度，改 善磨削条件，以缓解砂轮的磨损及保持磨粒的锐利是碳化硅陶瓷磨削加工过程中亟待 解决的问题。

本发明磨削液的产生有助于解决碳化硅陶瓷磨削加工难的问题，其相关专利及参 考文献目前并未查阅到。

发明内容

本发明的提出是为了克服现有的普通磨削液应用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷 加工后出现的一系列问题，包括：金刚石砂轮的磨削温度过高，金刚石磨粒易石墨化， 造成金刚石砂轮的磨损速度过快；工件表面以及亚表面损伤层深度过深，不能满足实 际应用要求等。本发明具有优异的润滑性，良好的冷却性能和抗极压性，应用该磨削 液能大幅降低金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷加工过程磨削温度、法向磨削力及切向磨削 力，减少砂轮磨损，有效提高工程陶瓷磨削加工表面质量和精度，满足实际生产要求。

一种用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液，其特征在于：各组分质量百分 含量为4.8％～6.2％的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、2.5％～2.9％的烷基合成醇烷氧基化合 物、2.2％～2.5％的二硫化钨、4.2％～4.4％的环五聚二甲基硅氧烷、3.5％～3.7％的 极压抗磨剂、2.3％～3％的缓蚀剂、2.5％～3.5％的摩擦改进剂和剩余含量的去离子 水。

进一步，所述的用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液，其特征在于各组分 质量百分含量为：5.5％的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、2.8％的烷基合成醇烷氧基化合物、 2.3％的二硫化钨、4.3％的环五聚二甲基硅氧烷、3.6％的极压抗磨剂、2.8％的缓蚀剂、 3.1％的摩擦改进剂和75.6％的去离子水。

进一步，所述的用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液，其特征在于：所述 的极压抗磨剂为N,N-二甲基-N-脂肪醇聚氧乙烯醚基氧化胺。

进一步，所述的用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液，其特征在于：所述 的缓蚀剂为2,5-二羟基苯磺酸盐。

进一步，所述的用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液，其特征在于：所述 的摩擦改进剂为二苄基二硫代氨基甲酸锌。

用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液的制备方法，其特征在于包括以下具 体步骤：

步骤1、按各组分质量百分含量为5.5％的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、2.8％的烷基合 成醇烷氧基化合物、2.3％的二硫化钨、4.3％的环五聚二甲基硅氧烷、3.6％的极压抗 磨剂、2.8％的缓蚀剂、3.1％的摩擦改进剂和75.6％的去离子水称取原料；

步骤2、将二硫化钨、二苄基二硫代氨基甲酸锌混合均匀，加入适量的去离子水， 以12～15℃/min升温速率升温至35℃-40℃时保温50～60min，在氩气气氛保护下研磨 30-40分钟混合均匀，得到第一混合料；

步骤3、依次将脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、烷基合成醇烷氧基化合物加入到反应釜 中，搅拌混合均匀，以10～15℃/min升温速率升温至50℃-60℃，保温50-60分钟，得到 第二混合料；

步骤4、将环五聚二甲基硅氧烷、N,N-二甲基-N-脂肪醇聚氧乙烯醚基氧化胺加入 到反应釜中，搅拌混合均匀，以10～15℃/min升温速率升温至55℃-65℃，保温70-80 分钟，得到第三混合料；

步骤5、将2,5-二羟基苯磺酸盐、去离子水依次加入到反应釜中，搅拌混合均匀， 以8～10℃/min升温速率升温至55℃-65℃，保温40-50分钟，得到第四混合料；

步骤6、将保温的第一混合料边搅拌边加入到第四混合料中，滴加结束后继续搅 拌30-40分钟，搅拌过程中采用平均功率65W、脉冲重复频率1kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面，得到第五混合料；

步骤7、将保温的第二混合料边搅拌边加入到第五混合料中，滴加结束后继续搅 拌20-30分钟，搅拌过程中采用平均功率85W、脉冲重复频率1kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面，得到第六混合料；

步骤8、将保温的第三混合料边搅拌边加入到第六混合料中，滴加结束后继续搅 拌50-60分钟，搅拌过程中采用平均功率55W、脉冲重复频率1kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面，得到第七混合料；

步骤9、将第七混合料在30℃-40℃下放置于超声波发生器中进行超声振动，超声 功率300W-500W，振动时间30-40分钟，然后以8～10℃/min降温至常温。

本发明的作用和有益效果：

本发明的一种用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液，具有优异的润滑性， 良好的冷却性能和防锈性能，使用本发明磨削液与现有的普通磨削液相比，通过加入 脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、烷基合成醇烷氧基化合物、二硫化钨、环五聚二甲基硅氧烷、 N,N-二甲基-N-脂肪醇聚氧乙烯醚基氧化胺、2,5-二羟基苯磺酸盐及二苄基二硫代氨基 甲酸锌等原料，实现了磨削温度降低13.4％，法向磨削力降低39.2％，切向磨削力降 低69.5％，表面粗糙度降低54.8％，磨削后工程陶瓷表面损伤深度减少64.2％，取得 了意料不到的技术效果。

具体的，所述脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚为表面活性剂，具有优异的分散性，对于碳 化硅陶瓷可以起到良好的浸润和减摩作用。

所述烷基合成醇烷氧基化合物为润滑添加剂，具有优异的硬表面润湿性和渗透 性。

所述二硫化钨为固体润滑剂，具有分散性好，不粘结的优点，添加在磨削液里， 可形成胶体状态，能增加磨削液的润滑性和极压性。

所述环五聚二甲基硅氧烷为油性剂，在磨削过程中增强磨削液的油性和渗透能力 且形成润滑膜，降低砂轮磨损。

所述极压抗磨剂具有优异的抗磨减摩效果，保证边界润滑有较低的摩擦系数，能 明显降低工程陶瓷磨削加工法向磨削力和切向磨削力的大小，极压抗磨剂为N,N-二 甲基-N-脂肪醇聚氧乙烯醚基氧化胺。

所述缓蚀剂可以明显抑制磨削液对磨削设备及工件的腐蚀或损坏，缓蚀剂为2,5- 二羟基苯磺酸盐。

所述摩擦改进剂具有优异的极压性，可降低摩擦系数，摩擦改进剂为二苄基二硫 代氨基甲酸锌。

此外，从本发明组分的配比来看，极大程度的区别于传统制剂，本发明对其各组 分的配比也进行了仔细的研究发现，采用本发明的配比和制造顺序，能最大程度上的 发挥各组分的效用，在其本身效果不被破坏的情况下，能起到相互互补和促进的效果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明：

实施例1

一种用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液，其特征在于各组分质量百分含 量为：5.5％的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、2.8％的烷基合成醇烷氧基化合物、2.3％的二 硫化钨、4.3％的环五聚二甲基硅氧烷、3.6％的极压抗磨剂、2.8％的缓蚀剂、3.1％的 摩擦改进剂和75.6％的去离子水。

制成步骤具体如下：

步骤1、按各组分质量百分含量为5.5％的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、2.8％的烷基合 成醇烷氧基化合物、2.3％的二硫化钨、4.3％的环五聚二甲基硅氧烷、3.6％的极压抗 磨剂、2.8％的缓蚀剂、3.1％的摩擦改进剂和75.6％的去离子水称取原料；

步骤2、将二硫化钨、二苄基二硫代氨基甲酸锌混合均匀，加入适量的去离子水， 以12～15℃/min升温速率升温至35℃-40℃时保温50～60min，在氩气气氛保护下研磨 30-40分钟混合均匀，得到第一混合料；

步骤3、依次将脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、烷基合成醇烷氧基化合物加入到反应釜 中，搅拌混合均匀，以10～15℃/min升温速率升温至50℃-60℃，保温50-60分钟，得到 第二混合料；

步骤4、将环五聚二甲基硅氧烷、N,N-二甲基-N-脂肪醇聚氧乙烯醚基氧化胺加入 到反应釜中，搅拌混合均匀，以10～15℃/min升温速率升温至55℃-65℃，保温70-80 分钟，得到第三混合料；

步骤5、将2,5-二羟基苯磺酸盐、去离子水依次加入到反应釜中，搅拌混合均匀， 以8～10℃/min升温速率升温至55℃-65℃，保温40-50分钟，得到第四混合料；

步骤6、将保温的第一混合料边搅拌边加入到第四混合料中，滴加结束后继续搅 拌30-40分钟，搅拌过程中采用平均功率65W、脉冲重复频率1kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面，得到第五混合料；

步骤7、将保温的第二混合料边搅拌边加入到第五混合料中，滴加结束后继续搅 拌20-30分钟，搅拌过程中采用平均功率85W、脉冲重复频率1kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面，得到第六混合料；

步骤8、将保温的第三混合料边搅拌边加入到第六混合料中，滴加结束后继续搅 拌50-60分钟，搅拌过程中采用平均功率55W、脉冲重复频率1kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面，得到第七混合料；

步骤9、将第七混合料在30℃-40℃下放置于超声波发生器中进行超声振动，超声 功率300W-500W，振动时间30-40分钟，然后以8～10℃/min降温至常温。

实施例2

一种用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液，其特征在于各组分质量百分含 量为：6.2％的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、2.9％的烷基合成醇烷氧基化合物、2.5％的二 硫化钨、4.4％的环五聚二甲基硅氧烷、3.5％的极压抗磨剂、2.3％的缓蚀剂、2.5％的 摩擦改进剂和75.7％的去离子水。

制成步骤具体如下：

步骤1、按各组分质量百分含量为6.2％的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、2.9％的烷基合 成醇烷氧基化合物、2.5％的二硫化钨、4.4％的环五聚二甲基硅氧烷、3.5％的极压抗 磨剂、2.3％的缓蚀剂、2.5％的摩擦改进剂和75.7％的去离子水称取原料；

步骤2、将二硫化钨、二苄基二硫代氨基甲酸锌混合均匀，加入适量的去离子水， 以8～10℃/min升温速率升温至35℃-40℃时保温15～20min，在氩气气氛保护下研磨 40-50分钟混合均匀，得到第一混合料；

步骤3、依次将脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、烷基合成醇烷氧基化合物加入到反应釜 中，搅拌混合均匀，以20～25℃/min升温速率升温至60℃-70℃，保温60-70分钟，得到 第二混合料；

步骤4、将环五聚二甲基硅氧烷、N,N-二甲基-N-脂肪醇聚氧乙烯醚基氧化胺加入 到反应釜中，搅拌混合均匀，以20～25℃/min升温速率升温至65℃-70℃，保温80-90 分钟，得到第三混合料；

步骤5、将2,5-二羟基苯磺酸盐、去离子水依次加入到反应釜中，搅拌混合均匀， 以15～20℃/min升温速率升温至65℃-70℃，保温50-60分钟，得到第四混合料；

步骤6、将保温的第一混合料边搅拌边加入到第四混合料中，滴加结束后继续搅 拌40-50分钟，搅拌过程中采用平均功率35W、脉冲重复频率2kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面，得到第五混合料；

步骤7、将保温的第二混合料边搅拌边加入到第五混合料中，滴加结束后继续搅 拌30-40分钟，搅拌过程中采用平均功率45W、脉冲重复频率2kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面，得到第六混合料；

步骤8、将保温的第三混合料边搅拌边加入到第六混合料中，滴加结束后继续搅 拌60-70分钟，搅拌过程中采用平均功率25W、脉冲重复频率2kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面，得到第七混合料；

步骤9、将第七混合料在40℃-50℃下放置于超声波发生器中进行超声振动，超声 功率100W-200W，振动时间40-50分钟，然后以10～20℃/min降温至常温。

实施例3

一种用于金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷专用磨削液，其特征在于各组分质量百分含 量为：4.8％的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、2.5％的烷基合成醇烷氧基化合物、2.2％的二 硫化钨、4.2％的环五聚二甲基硅氧烷、3.7％的极压抗磨剂、3％的缓蚀剂、3.5％的 摩擦改进剂和76.1％的去离子水。

制成步骤具体如下：

步骤1、按各组分质量百分含量为4.8％的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、2.5％的烷基合 成醇烷氧基化合物、2.2％的二硫化钨、4.2％的环五聚二甲基硅氧烷、3.7％的极压抗 磨剂、3％的缓蚀剂、3.5％的摩擦改进剂和76.1％的去离子水称取原料；

步骤2、将二硫化钨、二苄基二硫代氨基甲酸锌混合均匀，加入适量的去离子水， 以1～1.5℃/min升温速率升温至15℃-20℃时保温5～7min，在氩气气氛保护下研磨20-30 分钟混合均匀，得到第一混合料；

步骤3、依次将脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、烷基合成醇烷氧基化合物加入到反应釜 中，搅拌混合均匀，以5～10℃/min升温速率升温至40℃-45℃，保温40-50分钟，得到 第二混合料；

步骤4、将环五聚二甲基硅氧烷、N,N-二甲基-N-脂肪醇聚氧乙烯醚基氧化胺加入 到反应釜中，搅拌混合均匀，以5～10℃/min升温速率升温至45℃-50℃，保温50-60分 钟，得到第三混合料；

步骤5、将2,5-二羟基苯磺酸盐、去离子水依次加入到反应釜中，搅拌混合均匀， 以3～5℃/min升温速率升温至40℃-45℃，保温30-35分钟，得到第四混合料；

步骤6、将保温的第一混合料边搅拌边加入到第四混合料中，滴加结束后继续搅 拌20-30分钟，搅拌过程中采用平均功率15W、脉冲重复频率1kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面，得到第五混合料；

步骤7、将保温的第二混合料边搅拌边加入到第五混合料中，滴加结束后继续搅 拌10-20分钟，搅拌过程中采用平均功率25W、脉冲重复频率1kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面；

步骤8、将保温的第三混合料边搅拌边加入到第六混合料中，滴加结束后继续搅 拌30-40分钟，搅拌过程中采用平均功率10W、脉冲重复频率1kHz及离焦量为0的纳秒 激光辐照混合料表面；

步骤9、将第七混合料在10℃-20℃下放置于超声波发生器中进行超声振动，超声 功率200W-300W，振动时间20-25分钟，然后以5～7℃/min降温至常温。

对比例

配置普通磨削液，各组分质量百分含量为：16％的氯化钠，5％的钼酸钠，6％的 三乙醇胺硼酸酯，3％的二烷基二硫代磷酸锌，70％的水。

普通磨削液的制备方法：将各组分混合均匀即可。

对比实验

利用实施例1-3制备的磨削液和对比例制备的普通磨削液进行工程陶瓷磨削对比 试验，对比结果如表1所示。磨床为MGK7120×6/F高精密数控卧轴矩台平面磨床， 金刚石砂轮牌号为SDC80N100B，金刚石磨粒大小分别为180～212μm。磨削实验用 金刚石砂轮的结构尺寸为：外圆周直径为200mm，内孔直径为32mm，宽度为15mm， 金刚石层厚度为10mm。金刚石砂轮的整形采用电动金刚石砂轮修整器 GIN-DTM100，选用80#绿色碳化硅砂轮作为修整器滚轮。碳化硅陶瓷由江苏昆山申 嘉特种陶瓷有限公司提供，采用气氛压力烧结而成，工件毛坯为方形块状，尺寸规格 为20×20×10mm³。磨削液供液压力3MPa、磨削液供液流量16L/min。

激光束辐照由IPG公司生产的YLP型脉冲掺镱光纤激光器完成；磨削温度由 HIOKI3460-50热像仪检测；磨削力的测量采用压电晶体测力仪Kistler9257B；表面 粗糙度检测采用表面结构测量仪MarSurfM300；表面形貌的观察采用扫描电子显微 镜FEIQuanta200。

表1实施例与对比例磨削试验对比结果

由上述实施例可见，而对于以上技术效果，实施例1的配比以及工艺参数，使用 效果最好，明显优于其它实施例，为最佳。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应理解的是，这些 描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要 求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种修改 及替代方案。