一種陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪及其制備方法與流程

本發(fā)明屬于精密磨削
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪及其制備方法。技術(shù)背景金剛石磨具超精密切削在加工銅、鋁及其合金等軟金屬材料中已獲得極大成功，但在工程陶瓷、半導(dǎo)體、光學(xué)玻璃、石材等各種硬脆材料的精密和超精密加工上，卻在很大程度依賴(lài)于研磨、拋光等加工方法，雖然這些方法可以達(dá)到很高的精度和極低的表面粗糙度，但加工效率較低，在形狀復(fù)雜如非球面零件等的超精密加工方面應(yīng)用效果有限。陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪磨削高脆硬性材料是一種有效的磨削加工方法，相比金屬結(jié)合劑金剛石砂輪和樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，具有自銳性好、強(qiáng)度高、磨削效率高、剛性好、磨削過(guò)程中不易堵塞和燒傷工件等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。氣孔是影響砂輪磨削性能的重要參數(shù)之一，氣孔率、孔徑及其分布對(duì)砂輪磨削性能起重要作用，氣孔使冷卻液更便捷的流入工作面，在磨削過(guò)程中起到容屑、排屑的作用，有效防止加工過(guò)程中工件的燒傷和砂輪堵塞，同時(shí)氣孔對(duì)砂輪的抗彎強(qiáng)度和洛氏硬度也有很大的影響，因此氣孔的引入有非常重要的意義。陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪雖然能由自身顆粒的堆積形成部分空隙，但氣孔粒徑和氣孔率遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足加工的需求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪及其制備方法，該方法通過(guò)加入陶瓷空心球在砂輪中引入氣孔，并使用陶瓷結(jié)合劑，使砂 輪具有自銳性好、強(qiáng)度高、磨削效率高、剛性好、磨削過(guò)程中不易堵塞和燒傷工件，對(duì)高脆硬難加工材料的加工有較高的效率的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，由包括以下按質(zhì)量百分比計(jì)的原料制備：優(yōu)選的，所述金剛石粉末的粒徑為1-50μm，綠碳化硅粉末的粒徑為2-60μm。所述陶瓷結(jié)合劑沒(méi)有特殊限制，優(yōu)選為佛山市陶一色釉有限公司的G068，粒徑為1-20μm。優(yōu)選的，所述陶瓷空心球?yàn)檠趸X空心球，粒徑為100-800μm，密度為(0.5-1)g/cm3。本發(fā)明進(jìn)一步提供所述陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的制備方法，包括以下步驟：將陶瓷空心球、金剛石粉末、綠碳化硅粉末、陶瓷結(jié)合劑混合得到混合粉末，過(guò)篩后加入預(yù)粘接劑，攪勻后過(guò)篩，得到預(yù)粘接粉末，將預(yù)粘接粉末經(jīng)冷壓成型，得到砂輪片，砂輪片依次在60-80℃下干燥8-12h，再在110-130℃下干燥1-4h后進(jìn)行燒結(jié)，再粘貼至砂輪基體上，得到陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪。優(yōu)選的，所述砂輪基體為鋁基體或鋁合金基體。優(yōu)選的，所述預(yù)粘接劑為酚醛樹(shù)脂或糊精液的溶液。所述酚醛樹(shù)脂或糊精液的溶液是將酚醛樹(shù)脂或糊精液與乙醇溶劑按照質(zhì)量比1:(1-5)混合所得的溶液。更優(yōu)選的，所述預(yù)粘接劑的用量為混合粉末質(zhì)量的5～10％。優(yōu)選的，所述冷壓成型的操作條件為溫度25-30℃，壓力為5-10Mpa。優(yōu)選的，所述燒結(jié)的具體操作為由室溫升溫到180-230℃，恒溫?zé)Y(jié)10-50分鐘，然后升溫到400-450℃，恒溫?zé)Y(jié)80-120分鐘，再升溫到640-690℃，恒溫?zé)Y(jié)110-150分鐘，冷卻至室溫即可。更優(yōu)選的，所述由室溫升溫到180-230的升溫速率為2-4℃/min。更優(yōu)選的，所述升溫至400-450℃的升溫速率為1-3℃/min更優(yōu)選的，所述升溫到640-690℃的升溫速率為0.5-1.5℃/min.所述粘貼至砂輪硬鋁合金基體上的具體操作參照現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行，具體是：將硬鋁合金基體進(jìn)行除油處理，在基體槽內(nèi)底面和兩側(cè)面、砂輪片底部和四周涂布環(huán)氧樹(shù)脂粘接膠，將砂輪片通過(guò)粘接膠粘貼到硬鋁合金基體上，使兩相鄰砂輪片等距離地排列在基體槽內(nèi)，24個(gè)砂輪片粘貼完成后，對(duì)所有砂輪片同時(shí)施壓，固化24h，清除基體和砂輪片邊緣部分的殘膠，即得陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪。其中對(duì)所有砂輪片同時(shí)施壓是為了保證砂輪片突出高度一致。本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的制備方法通過(guò)加入陶瓷空心球在砂輪中引入氣孔，使砂輪具有自銳性好、強(qiáng)度高、磨削效率高、剛性好、磨削過(guò)程中不易堵塞和燒傷工件，對(duì)高脆硬難加工材料的加工有較高的效率的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。附圖說(shuō)明圖1是實(shí)施例1制備的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)施例1制備的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪截面微觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是應(yīng)用實(shí)施例中磨削后陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪表面微觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是應(yīng)用實(shí)施例中磨削后被加工材料表面的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明可通過(guò)如下的實(shí)施例進(jìn)一步的說(shuō)明，但實(shí)施例不是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。實(shí)施例1陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的制備方法如下：步驟(1)：將氧化鋁空心球過(guò)篩，獲得粒徑為100-800μm的陶瓷空心球，密度為0.5g/cm3。步驟(2)：將6.24g金剛石粉末(1-50μm)、10.92g綠碳化硅粉末(2-60μm)、4.68g氧化鋁空心球、9.36g陶瓷結(jié)合劑(佛山市陶一色釉有限公司的G068，1-20μm)放入灌磨機(jī)混料2h，制得混合粉末；步驟(3)：將步驟(2)的混合粉末過(guò)篩，倒入研磨缽中，用酚醛樹(shù)脂與乙醇按質(zhì)量比1:1混合得到的溶液作為預(yù)粘結(jié)劑，加入3g預(yù)粘接劑，充分?jǐn)嚢杈鶆颍^(guò)篩得到預(yù)粘接粉末；步驟(4)：稱(chēng)量1.3g步驟(3)的預(yù)粘接粉末放入成型磨具，在5Mpa下常溫冷壓成型，得到砂輪片，厚度為3.5mm；步驟(5)：將步驟(4)的砂輪片放在干燥箱里干燥，在70℃下干燥12h，然后在120℃下干燥4h，將干燥后的砂輪片放在燒結(jié)爐中燒結(jié)，具體燒結(jié)操作是：將砂輪片由室溫加熱到200℃(升溫速率為3℃/min)，保溫30分鐘，然后均勻升溫到420℃(升溫速率為2℃/min)，保溫60分鐘，最后均勻升溫到670℃(升溫速率為1℃/min)，保溫120分鐘，冷卻至室溫，然后將燒結(jié)后的砂輪片粘貼 在硬鋁合金基體上，粘貼的具體步驟為：將鋁合金基體進(jìn)行除油處理，在基體槽內(nèi)底面和兩側(cè)面、燒結(jié)后的砂輪片底部和四周抹上環(huán)氧樹(shù)脂粘接膠，兩相鄰燒結(jié)后的砂輪片等距離地排列在基體槽內(nèi)，取出24個(gè)燒結(jié)后的砂輪片粘貼完成后，在燒結(jié)后的砂輪片上方施加適當(dāng)壓力，以保證燒結(jié)后的砂輪片突出高度一致，室溫固化24h，清除基體和燒結(jié)后的砂輪片邊緣部分的殘膠，粘貼完成后在研磨機(jī)上使用碳化硅游離磨料研磨2h進(jìn)行修整，即得到陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪。陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，截面微觀結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2，由圖2可見(jiàn)，所制備的砂輪中氣孔率較高，以微氣孔居多，氧化鋁空心球周?chē)纬梢欢ê穸鹊奶沾山Y(jié)合劑橋，陶瓷結(jié)合劑對(duì)氧化鋁空心球的包覆效果較好，利于提高砂輪的硬度和磨削效率。實(shí)施例2陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的制備方法如下：步驟(1)：將氧化鋁空心球過(guò)篩，獲得粒徑為100-800μm的陶瓷空心球，密度為0.8g/cm3。步驟(2)：將15.6g金剛石粉末(1-50μm)、7.8g綠碳化硅粉末(2-60μm)、1.56g氧化鋁空心球、6.24g陶瓷結(jié)合劑(佛山市陶一色釉有限公司的G068，1-20μm)放入灌磨機(jī)混料2h，制得混合粉末；步驟(3)：將步驟(2)的混合粉末過(guò)篩，倒入研磨缽中，用酚醛樹(shù)脂與乙醇按質(zhì)量比1:1混合得到的溶液作為預(yù)粘結(jié)劑，加入2.5g預(yù)粘接劑，充分?jǐn)嚢杈鶆?，過(guò)篩得到預(yù)粘接粉末；步驟(4)：稱(chēng)量1.3g步驟(3)的預(yù)粘接粉末放入成型磨具，在5Mpa下常溫冷壓成型，得到砂輪片，厚度為3.5mm；步驟(5)：將步驟(4)的砂輪片放在干燥箱里干燥，在70℃下干燥12h,然后在120℃下干燥4h，將干燥后的砂輪片放在燒結(jié)爐中燒結(jié)，具體燒結(jié)操作是將砂輪片由室溫加熱到200℃(升溫速率為3℃/min)，保溫30分鐘，然后均勻升溫到420℃(升溫速率為2℃/min)，保溫60分鐘，最后均勻升溫到690℃(升溫速率為1℃/min)，保溫120分鐘，冷卻至室溫，然后將燒結(jié)后的砂輪片粘貼在鋁合金基體上，粘貼的具體步驟參照實(shí)施例1進(jìn)行，粘貼完成后在研磨機(jī)上使用碳化硅游離磨料研磨2h進(jìn)行修整，即得到陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪。實(shí)施例3陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的制備方法如下：步驟(1)：將氧化鋁空心球過(guò)篩，獲得粒徑為100-800μm的陶瓷空心球，密度為1g/cm3。步驟(2)：將14.04g金剛石粉末(1-50μm)、9.36g綠碳化硅粉末(2-60μm)、3.12g氧化鋁空心球、4.68g陶瓷結(jié)合劑(佛山市陶一色釉有限公司的G068，1-20μm)放入灌磨機(jī)混料2h，制得混合粉末；步驟(3)：將步驟(2)的混合粉末過(guò)篩，倒入研磨缽中，用酚醛樹(shù)脂與乙醇按質(zhì)量比1:1混合得到的溶液作為預(yù)粘結(jié)劑，加入2g預(yù)粘接劑，充分?jǐn)嚢杈鶆?，過(guò)篩得到預(yù)粘接粉末；步驟(4)：稱(chēng)量1.3g步驟(3)的預(yù)粘接粉末放入成型磨具，在5Mpa下常溫冷壓成型，得到砂輪片，厚度為3.5mm；步驟(5)：將步驟(4)的砂輪片放在干燥箱里干燥，在70℃下干燥12h,然后在120℃下干燥4h，將干燥后的砂輪片放在燒結(jié)爐中燒結(jié)，具體燒結(jié)操作是將砂輪片由室溫加熱到200℃(升溫速率為3℃/min)，保溫30分鐘，然后均勻 升溫到420℃(升溫速率為2℃/min)，保溫60分鐘，最后均勻升溫到690℃(升溫速率為1℃/min)，保溫120分鐘，冷卻至室溫，然后將燒結(jié)后的砂輪片粘貼在鋁合金基體上，粘貼的具體步驟參照實(shí)施例1進(jìn)行，粘貼完成后在研磨機(jī)上使用碳化硅游離磨料研磨2h進(jìn)行修整，即得到陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪。應(yīng)用實(shí)施例對(duì)實(shí)施例制備的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪進(jìn)行性能檢測(cè)，測(cè)試參數(shù)包括抗彎強(qiáng)度、洛氏硬度和氣孔率，測(cè)試方法為：采用微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WDW-5E三點(diǎn)彎曲法測(cè)量抗彎強(qiáng)度，采用HR-150DT型電動(dòng)洛氏硬度計(jì)上測(cè)試砂輪硬度，采用阿基米德排水法測(cè)得砂輪體積密度，再根據(jù)JBT7999-2001計(jì)算得到氣孔率，測(cè)試結(jié)果如表1：表1性能參數(shù)抗彎強(qiáng)度(Mpa)洛氏硬度(Mpa)氣孔率(％)實(shí)施例146.588.435.28％實(shí)施例261.399.828.35％實(shí)施例34892.533.15％另分別采用藍(lán)寶石晶片和單晶碳化硅晶片作為磨削實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)實(shí)施例1制備的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的磨削效率進(jìn)行測(cè)試，具體采用真空吸附盤(pán)將藍(lán)寶石和單晶碳化硅晶片吸附于工作臺(tái)上，選用砂輪轉(zhuǎn)速為1800r/min,工作臺(tái)轉(zhuǎn)速為151r/min,砂輪垂直向下進(jìn)給速率為3μm/s,進(jìn)給深度80μm,粗磨進(jìn)給量為40μm,半精磨進(jìn)給量為30μm，精磨進(jìn)給量為10μm，磨削時(shí)冷卻液為去離子水，最后砂輪回原點(diǎn)，完成磨削實(shí)驗(yàn)。采用超景深顯微鏡VHX-600對(duì)磨削實(shí)驗(yàn)后的砂輪表面磨損情況進(jìn)行觀測(cè)， 結(jié)果見(jiàn)圖3，(a)為磨削前砂輪表面微觀形貌圖，(b)砂輪磨削后表面微觀形貌圖，可見(jiàn)金剛石和碳化硅磨粒未發(fā)現(xiàn)有明顯的磨耗磨損及破碎，磨粒表面也未發(fā)現(xiàn)磨屑粘附和堵塞，表明本發(fā)明的砂輪具有很好的硬度、磨削過(guò)程不易堵塞，適用于高脆硬難加工材料的加工。分別將磨削實(shí)驗(yàn)后的藍(lán)寶石和碳化硅晶片至于掃描電子顯微鏡下，觀察藍(lán)寶石和碳化硅晶片表面微觀結(jié)構(gòu)如圖4，(a)為藍(lán)寶石晶片在磨削實(shí)驗(yàn)后的表面微觀結(jié)構(gòu)圖，(b)為單晶碳化硅晶片在磨削實(shí)驗(yàn)后的表面微觀結(jié)構(gòu)圖，采用表面粗糙度儀MahrsurfXR20對(duì)陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪磨削后的藍(lán)寶石和碳化硅晶片進(jìn)行表面粗糙度檢測(cè)，檢測(cè)重復(fù)10次，獲得表面粗糙度Ra平均值分別為:0.648μm，0.108μm，可見(jiàn)，本發(fā)明制備的砂輪對(duì)藍(lán)寶石和碳化硅晶片有很好的磨削效果。綜上，本發(fā)明的陶瓷結(jié)合劑微粉金剛石砂輪具有自銳性好、強(qiáng)度高、磨削效率高、剛性好、磨削過(guò)程中不易堵塞和燒傷工件的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)高脆硬難加工材料的加工有較高的效率，具有很好的應(yīng)用前景。最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行若干推演或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3