專利名稱：：金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑及金剛石砂輪的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于材料工程領(lǐng)域，涉及一種金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑及金剛石砂輪的制備方法，用于可以制備低熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、超微粒度陶瓷結(jié)合劑及砂輪。
背景技術(shù)：
：目前超硬磨具砂輪用陶瓷結(jié)合劑的制備方法主要有兩種一種是將天然的硅酸鹽材料粉碎后按照一定比例混合獲得，如粘土-長石-滑石、粘土-長石-石英等體系；另一種是按照結(jié)合劑配方將各種化學(xué)物質(zhì)在高溫下熔煉成玻璃或陶瓷，然后再將熔煉物機(jī)械破碎獲得結(jié)合劑粉末。從工藝條件分析，陶瓷結(jié)合劑的粒度主要由機(jī)械破碎所決定，所得陶瓷結(jié)合劑最小化粒度只能在微米級(1.0微米-50.0微米)范圍。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)上對工件表面精度要求越來越高，在某些領(lǐng)域使用陶瓷結(jié)合劑磨具加工時，不但要求磨料的粒度達(dá)到微米級(O.1微米)以內(nèi)，更要求結(jié)合劑的粒度達(dá)到納米級(0.lnm-100nm)范圍，否則在磨削過程中，結(jié)合劑會將工件表面劃傷。因此采用傳統(tǒng)的陶瓷結(jié)合劑方法很難制備出高加工精度砂輪所需的陶瓷結(jié)合劑。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑及金剛石砂輪的制備方法本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟先將工業(yè)級Si02溶膠(Si02固相百分含量30.45。/。，粒徑12.39nm)和分析純級NaN03，KN03，LiN03，H3B03等溶液按照Si02:NaN03:KN03:LiN03:H3B03質(zhì)量比為(4050):(1821.93):(12.2215.04):(4046):(3035.52)的比例機(jī)械攪拌混合，其中NaN03，KN03，LiN03，113803溶液濃度范圍為10%-60%;調(diào)整混合溶膠PH為46時，按照Si02:Al203質(zhì)量比為(4050):(1015)的比例加入工業(yè)級Al203溶膠；將所得的混合的溶膠在500TT55(TC烘干、研磨破碎后過10(Tl20目篩網(wǎng)，即制得金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑。作為優(yōu)選，H3B03溶液濃度為10。/。，NaN03，KN03，LiN03溶液的濃度為50。/0。一種金剛石砂輪的制備方法，其特征在于，包括以下步驟先將工業(yè)級Si02溶膠(Si02固相百分含量30.45%，粒徑12.39nm)和分析純級NaNO;5，KN03，LiN03，H;jB03溶液按照Si02:NaN03:KN03:LiN03:H3B03質(zhì)量比為(4050):(1821.93):(12.2215.04):(4046):(3035.52)比例比例機(jī)械攪拌混合，其中NaNO;j，KN03，LiN03，H3B03溶液濃度范圍為10%-60%;調(diào)整混合溶膠PH為46時，按照Si。2:Al203質(zhì)量比為(4050):(1015)的比例加入工業(yè)級Al203溶膠(Al203百分含量28.12%，粒徑10nm-20nm);當(dāng)混合溶膠粘度達(dá)到20mpa.s-40mpa.s范圍內(nèi)，在機(jī)械攪拌條件下加入金剛石磨料，金剛石磨料與結(jié)合劑干料比例范圍為12;金剛石磨料的質(zhì)量要占最后砂輪總質(zhì)量的60%70%，混合均勻后，將所得的混合漿料在50(TC-55(TC烘干、研磨破碎后過100-120目篩網(wǎng)，然后冷壓成型，并在從室溫到75(TC溫度范圍內(nèi)燒結(jié)成金剛石砂輪。所述的燒結(jié)工藝為，升溫速率為35。C/min，達(dá)到500。C后，保溫4060min;以23。C/min的速率升溫至600。C，保溫30min，然后以23。C/min升至750。C，保溫120min，最后自然冷卻至常溫。目前陶瓷結(jié)合劑制備主要是采用固體塊體和粉末玻璃化后機(jī)械破碎的方式，本發(fā)明突破傳統(tǒng)砂輪結(jié)合劑的制備方法，先將工業(yè)級Si02溶膠(Si02固相百分含量30.45。/。，粒徑12.39nm)和分析純級(物質(zhì)純度^99.5%)NaN03，KN03，LiN03，H3B03等溶液機(jī)械攪拌混合，其中NaNO;j，KN03，LiN03，113803溶液濃度范圍為10%-60%，113803優(yōu)選值為10%，其余溶液以50%為優(yōu)選值。調(diào)整混合溶膠PH為4時加入工業(yè)級Al203溶膠(Al203百分含量28.12%，在工業(yè)級八1203溶膠體系中鋁氯比A1/C1為1.1，粒徑10nm-20nm)，如以100gLi20-Na20-K20-A1203-B203-Si02陶瓷結(jié)合劑為例，上述各物料質(zhì)量配比范圍為Si02溶膠130g-165g，Al203溶膠35g-55g，H3B0330g-35g，LiN0340g-48g，NaN0318g-20g，KN0312g-16g。當(dāng)混合溶膠粘度達(dá)到20mpa.s-40mpa.s范圍內(nèi)，在機(jī)械攪拌條件下加入金剛石磨料，(金剛石磨料的質(zhì)量要占最后砂輪總質(zhì)量的60%70%)，均勻混合后，將漿料在50(TC-55(TC(優(yōu)選值為50(TC)烘干、研磨破碎后過100-120目篩網(wǎng)，然后20MPa冷壓成型，并在72(TC-75(TC溫度范圍內(nèi)燒結(jié)成砂輪。本發(fā)明的思路是利用溶膠的以下特點(diǎn)，將其應(yīng)用于1^20-^20-1(20^1203-B203-Si02砂輪陶瓷結(jié)合劑的生產(chǎn)。溶膠，是一種在分散體系中保持固體物質(zhì)不沉淀的膠體，這里的分散介質(zhì)主要是液體，溶膠中的固體粒子大小為納米級。用溶膠所制備的粉末顆粒與傳統(tǒng)制備方法相比，它具有摻雜物質(zhì)多樣化，制品均勻，純度高，燒成溫度低，顆粒粒度更能達(dá)到納米級等優(yōu)點(diǎn)。近年來，在陶瓷纖維，陶瓷玻璃等材料的制備方面得到了廣泛應(yīng)用，如已用Al203溶膠、Si02溶膠生產(chǎn)出MgO-Al203-Si02系微晶玻璃，該微晶玻璃具有低的介電常數(shù)、低的熱膨脹系數(shù)、高的力學(xué)強(qiáng)度等廣泛用于特種玻璃的制備。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果本發(fā)明采用陶瓷類組分的工業(yè)級Si02溶膠、Al203溶膠和分析純級NaN03，KN03，LiN03，H3B03溶液液相混合的方法，制備出低熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、超微粒度陶瓷結(jié)合劑以及砂輪。具體包括以下特點(diǎn)(1)采用陶瓷類組分的溶膠和溶液液相混合，由于溶膠粒徑為納米級范圍，其余多組分物質(zhì)是以離子化合物溶液形式存在，將液相物質(zhì)烘干后，所得制品的混合均勻度高，粒徑分布可達(dá)納米級；如(圖l)中白色團(tuán)聚顆粒(lnm-100nm)為此發(fā)明方法所制Li20-Na20-K20-A1203-B203-Si02系陶瓷結(jié)合劑微粒。(2)所制結(jié)合劑由溶膠或溶液結(jié)合，因均勻性好，顆粒細(xì)小，比表面積大，表面能高，具有高的燒結(jié)活性，所以在燒結(jié)過程中，各物料晶體間反應(yīng)能壘低，燒結(jié)溫度低，熔融反應(yīng)充分，高溫熔液分布均勻。用此方法所制備的結(jié)合劑耐火度范圍在72(TC-75(rC;結(jié)合劑50(TC烘干后熱膨脹系數(shù)5.06*10—6-5.68*10—6/卩之間；結(jié)合劑72(TC-75(TC燒結(jié)后抗折強(qiáng)度為101.8-105.3MPa。如用相同物料比例，采用玻化機(jī)械破碎法制備的1^20-^20-1(20-A1203-B203-Si02系陶瓷結(jié)合劑耐火度范圍在760-78(TC，熱膨脹系數(shù)為5.32*10—6/°C，在720。C-75(TC燒結(jié)后抗折強(qiáng)度為87.6MPa，760-78(TC抗折強(qiáng)度為100.2-104.4MPa，其材料性能劣于本發(fā)明制得的陶瓷結(jié)合劑的性能。(3)本發(fā)明還能簡化磨料與結(jié)合劑的混合，磨料與結(jié)合劑的混合在液態(tài)體系中進(jìn)行，漿料烘干，研磨，過篩后可獲得磨料與結(jié)合劑混合均勻的成型料(圖l);燒結(jié)過程中結(jié)合劑對金剛石磨料潤濕性好，包覆完整，砂輪顯微結(jié)構(gòu)均勻(圖2)。陶瓷結(jié)合劑組成為(按重量百分?jǐn)?shù)計(％)):Si0240-45、A120310-15、B20318-20、Li209-10、Na207-8、K207-6，燒結(jié)溫度720-750°C，燒結(jié)成型后抗折強(qiáng)度為IOI.8-105.3MPa;采用此方法制備陶瓷結(jié)合劑還能簡化與金剛石磨料混合工藝，燒結(jié)后陶瓷結(jié)合劑對金剛石磨料包覆完整，砂輪表面硬度為99.2110.1HRB，氣孔率為20%-28%，使用速度可達(dá)80-100m/s。圖l陶瓷結(jié)合劑粉碎料過120目篩后顯微結(jié)構(gòu)掃描電子圖;圖2砂輪燒結(jié)后表面顯微結(jié)構(gòu)掃描電子圖；圖3砂輪制備的工藝流程圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明專利制備Li20-Na20-K20-Al203-B203-Si02陶瓷結(jié)合劑采用的原料有工業(yè)級Si02溶膠(固相含量30.45%)與Al203溶膠(固相含量28.12%)，分析純硝酸鋰、硝酸鈉、硝酸鉀、硼酸等，并采用濃度為30。/。的硝酸為調(diào)節(jié)PH值，本發(fā)明以下實(shí)施例中的參數(shù)以制備100克Li20-Na20-K20-A1203-B203-Si02陶瓷結(jié)合劑為參考標(biāo)準(zhǔn)。具體實(shí)施例l:<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>按照上表所示配方首先將H3B03，LiN03，NaN03，KN03四種物質(zhì)配備為混合溶液，其中H3B03溶液濃度為10。/。，LiN03，NaN03，履03溶液濃度為50%;稱取工業(yè)級Si02溶膠，在攪拌條件緩慢加入上述混合溶液，用30。/。HN03溶液調(diào)整混合溶膠PH為4時，加入工業(yè)級Al203溶膠，攪拌均勻，將此混合溶膠50(TC烘干，研磨，過120目篩網(wǎng)，所獲得Li20-Na20-K20-A1203-B203-Si02陶瓷結(jié)合劑化學(xué)組成(wt%)范圍如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>此結(jié)合劑耐火度為72(TC，抗折強(qiáng)度為IOI.8MPa，熱膨脹系數(shù)為5.68*10—7°C。為簡化結(jié)合劑與金剛石磨料的混料程序，本發(fā)明以結(jié)合劑在混合溶膠液相狀態(tài)加入金剛石磨料(粒徑w3.5)。當(dāng)混合溶膠粘度達(dá)到20mpa.s-40mpa.s范圍內(nèi)，在機(jī)械攪拌條件下加入金剛石磨料(金剛石磨料的質(zhì)量要占最后砂輪總質(zhì)量的60%70%)。均勻混合后，將漿料50(TC烘干、研磨破碎后過120目篩網(wǎng)，以100g干料加入lg甲基纖維素水溶液為砂輪濕潤劑，然后20MPa冷壓成型。砂輪燒結(jié)工藝為，升溫速率為35。C/min，達(dá)到50(TC后，保溫4060min;以23。C/min的速率升溫至600。C，保溫30min，然后以23。C/min升至730。C，保溫120min，最后自然冷卻至常溫。所制砂輪氣孔率在20%26%，砂輪線速度可達(dá)80100m/s。具體實(shí)施例2:<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>按照」匕表所示配方首先將H3B03，LiN03，NaN03，履03四種;吻質(zhì)配備為混合溶液，其中H3B03溶液濃度為10。/。，LiN03，NaN03，履03溶液濃度為50%;稱取工業(yè)級Si02溶膠，在攪拌條件逐滴加入上述混合溶液，用30。/。麗03溶液調(diào)整混合溶膠PH為4時，加入工業(yè)級Al203溶膠，攪拌均勻，將此混合溶膠50(TC烘干，研磨，過120目篩網(wǎng)，所獲得Li20-Na20-K20-A1203-B203-Si02陶瓷結(jié)合劑化學(xué)組成(wt%)范圍如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>此結(jié)合劑耐火度為74(TC，抗折強(qiáng)度為103.2MPa，熱膨脹系數(shù)為5.31*10—7。C。與實(shí)施例l同樣實(shí)驗(yàn)條件下所制備的金剛石砂輪，砂輪燒結(jié)工藝為，升溫速率為35'C/min，達(dá)到500。C后，保溫4060min;以23。C/min的速率升溫至600。C，保溫30min，然后以23。C/min升至740。C，保溫120min，最后自然冷卻至常溫。氣孔率在23%25%，砂輪線速度可達(dá)80100m/s。具體實(shí)施例3:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>按照上表所示配方首先將H3B03，LiN03，NaN03，履03四種物質(zhì)配備為混合溶液，其中H3B03溶液濃度為10。/。，LiN03，NaN03，履03溶液濃度為50%;稱取工業(yè)級Si02溶膠，在攪拌條件逐滴加入上述混合溶液，用30。/。麗03溶液調(diào)整混合溶膠PH為4時，加入工業(yè)級Al203溶膠，攪拌均勻，將此混合溶膠50(TC烘干，研磨后過120目篩網(wǎng)，所獲得Li20-Na20-K20-A1203-B203-Si02陶瓷結(jié)合劑化學(xué)組成(wt%)范圍如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>此結(jié)合劑耐火度為75(TC，抗折強(qiáng)度為105.3MPa，熱膨脹系數(shù)為5.06*10—7°C。與實(shí)施例l同樣實(shí)驗(yàn)條件下所制備的金剛石砂輪，砂輪燒結(jié)工藝為，升溫速率為35'C/min，達(dá)到500。C后，保溫406Qmin;以23。C/min的速率升溫至600。C，保溫30min，然后以23。C/min升至75(TC，保溫120min，最后自然冷卻至常溫。氣孔率在24%28%，砂輪線速度可達(dá)80100m/s。權(quán)利要求1.一種金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟先將工業(yè)級SiO2溶膠和分析純級NaNO3，KNO3，LiNO3，H3BO3溶液按照SiO2∶NaNO3∶KNO3∶LiNO3∶H3BO3質(zhì)量為(40~50)∶(18~21.93)∶(12.22~15.04)∶(40~46)∶(30~35.52)的比例機(jī)械攪拌混合，其中NaNO3，KNO3，LiNO3，H3BO3溶液濃度范圍為10％-60％；調(diào)整混合溶液PH為4~6，再按SiO2∶Al2O3質(zhì)量比為(40~50)∶(10~15)的比例加入工業(yè)級Al2O3溶膠；將所得混合溶膠在500℃~550℃烘干、研磨破碎后過100-120目篩網(wǎng)，即制得金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑的制備方法，其特征在于，陶瓷結(jié)合劑采用溶膠與溶液經(jīng)液相混合的方法制備，H3B03溶液濃度為10呢，NaN03，KN03，LiN03溶液的濃度為50。/。。3.一種金剛石砂輪的制備方法，其特征在于，包括以下步驟先將工業(yè)級Si02溶膠和分析純級NaN03，KN03，LiN03，H3B03溶液按照Si02:NaN03:KN03:LiN03:H3B03質(zhì)量為(4050):(1821.93):(12.2215.04):(4046):(3035.52)比例機(jī)械攪拌混合，其中NaN03，KN03，LiN03，H3B03溶液濃度范圍為10。/T60。/。；調(diào)整混合溶膠PH為46，按Si02:A1203質(zhì)量比為(4050):(1015)的比例加入工業(yè)級A1203溶膠；當(dāng)混合溶膠粘度達(dá)到20mpa.s-40mpa.s范圍內(nèi)，在機(jī)械攪拌條件下加入金剛石磨料，金剛石磨料的質(zhì)量占成型砂輪總質(zhì)量的60%70%;，混合均勻后，將所得的混合漿料在50(TC-55(rC烘干、研磨破碎后過100-120目篩網(wǎng)，然后冷壓成型，并從室溫到75(TC溫度范圍內(nèi)燒結(jié)成金剛石砂輪。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石砂輪的制備方法，其特征在于，所述的燒結(jié)工藝為，升溫速率為35。C/min，從室溫達(dá)到500。C550。C后，保溫4060min;以23。C/min的速率升溫至600。C650。C，保溫30min40min，然后以23。C/min升至720。C750°C，保溫IOOmin120min，最后自然冷卻至常溫。全文摘要本發(fā)明公開了一種金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑及金剛石砂輪的制備方法，先將工業(yè)級SiO<sub>2</sub>溶膠和NaNO<sub>3</sub>，KNO<sub>3</sub>，LiNO<sub>3</sub>，H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>等溶液機(jī)械攪拌混合均勻，調(diào)整混合溶液pH為4～6，再加入工業(yè)級Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>溶膠；將所得的混合溶膠在500℃~550℃烘干、研磨破碎后過100-120目篩網(wǎng)，即制得金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑。在制得陶瓷結(jié)合劑的基礎(chǔ)上再制備金剛石砂輪。該陶瓷結(jié)合劑具有物料組分混合均勻，結(jié)合劑粒徑可達(dá)納米級范圍，燒結(jié)成型后抗折強(qiáng)度為101.8-105.3MPa；燒結(jié)后陶瓷結(jié)合劑對金剛石磨料包覆完整，氣孔率為20％-28％，使用速度可達(dá)80-100m/s。文檔編號B24D18/00GK101596745SQ20091030438公開日2009年12月9日申請日期2009年7月15日優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日發(fā)明者隆萬,劉小磐,張國威,張洪磊,洋汪,胡偉達(dá)申請人:湖南大學(xué)