一種磨料定向排布的陶瓷結(jié)合劑磨具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于磨料磨具技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磨料定向排布的陶瓷結(jié)合劑磨具， 同時(shí)還涉及一種磨料定向排布的陶瓷結(jié)合劑磨具的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人造超硬磨料，即立方氮化硼、金剛石，晶型各向異性，形狀不規(guī)則，用超硬磨料制 備的磨具就是超硬磨具。傳統(tǒng)的超硬砂輪磨料隨機(jī)排列，砂輪磨削時(shí)，不能保證切削刃朝向 一致，使得有效切削刃數(shù)量大大降低。所以，如果實(shí)現(xiàn)砂輪切削刃一致徑向排布，可以大大 增加有效切削刃的數(shù)量，進(jìn)而提高砂輪磨削能力，改善磨削效果。因此，如何實(shí)現(xiàn)磨料層內(nèi) 磨料的定向排布，在砂輪生產(chǎn)中引起廣泛的關(guān)注。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，CN1830626A公開(kāi)了一種針狀磨粒砂輪，由填充料在模具中固化形成， 填充料由結(jié)合劑和磨粒組成，磨粒為經(jīng)外加磁場(chǎng)定向的針狀磨粒；其制備方法具體包括： 用攪拌機(jī)把光固化樹(shù)脂與針狀磨粒均勻混合成填充料，外加磁場(chǎng)，使針狀磨粒定向，把填充 料填充在模具的固化腔內(nèi)，然后光照固化成型。其中，磨粒為表面鍍覆鎳合金的碳化硅；結(jié) 合劑為光固化樹(shù)脂結(jié)合劑，主要由環(huán)氧丙烯酸酯、二官能團(tuán)稀釋劑、三官能團(tuán)稀釋劑、紫外 光引發(fā)劑組成。該制備方法是通過(guò)碳化硅磨粒表面鍍覆鎳合金使之成為鐵磁性高的材料， 再通過(guò)磁場(chǎng)作用定向制備針狀磨料定向排布的樹(shù)脂結(jié)合劑普通砂輪；其局限在于：必須對(duì) 磨料表面鍍覆一層鐵磁性材料，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)；只限于針狀（或片狀）磨料，對(duì)形狀規(guī)則的 磨料，比如晶型規(guī)整的超硬磨料不能適用；光固化樹(shù)脂結(jié)合劑成型料呈固態(tài)，針狀（或片 狀）磨料在磁力作用下旋轉(zhuǎn)定向的阻力很大，磨料實(shí)際定向率很低。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，CN102085645A公開(kāi)了一種磁控砂輪的生產(chǎn)方法，具體步驟為：依次 按照70-95:30-40:30-50重量比取金剛石微粉磨料、羥基鐵粉、樹(shù)脂混合攪拌得混合物；將 所得混合物進(jìn)行70-120°C常規(guī)加熱處理后，澆注入磁控砂輪模具，施加電磁場(chǎng)使?jié)沧⑽锏?羥基鐵粉規(guī)則排列，進(jìn)而使得澆注物內(nèi)的金剛石微粉磨粒也規(guī)則排列，后冷卻，待模具內(nèi)澆 注物凝固成型后脫模得成品。該制備方法是將磁性顆粒、磨粒以及高分子聚合物（樹(shù)脂） 混合成可固化的磁流變液，在外加磁場(chǎng)作用下經(jīng)冷卻固化作為研磨體的材料。但是，該方法 也需要加入大量的磁性材料（羥基鐵粉），否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)；高分子聚合物（樹(shù)脂）粘度比較 大，磨料在磁力作用下旋轉(zhuǎn)定向的阻力很大，磨料實(shí)際定向率很低；同時(shí)，無(wú)高溫固化過(guò)程， 砂輪對(duì)磨粒的固結(jié)力不強(qiáng)，砂輪使用性能較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種磨料定向排布的陶瓷結(jié)合劑磨具，無(wú)需加入磁性材料， 同時(shí)解決現(xiàn)有磁控磨具制備過(guò)程中磨料實(shí)際定向率低的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種磨料定向排布的陶瓷結(jié)合劑磨具的制備方法。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0008] -種磨料定向排布的陶瓷結(jié)合劑磨具，是由包括下列步驟的方法制備的：
[0009] 1)取磨料、陶瓷結(jié)合劑、分散劑和溶劑，混合制成漿料；
[0010] 2)將步驟1)所得漿料注入模具后，置于強(qiáng)度為1~50T的磁場(chǎng)中進(jìn)行磁化，得磁 化漿料；
[0011] 3)將步驟2)所得磁化漿料進(jìn)行干燥后脫模得素坯，將素坯燒結(jié)固化，即得。
[0012] 所述磨具包括本領(lǐng)域常規(guī)的磨具類(lèi)型；所述磨具根據(jù)磨料種類(lèi)的不同可以是超硬 磨具，也可以是普通磨具。優(yōu)選的，所述磨具為超硬砂輪。
[0013] 步驟1)所得漿料包括以下重量份數(shù)的組分：磨料100份、陶瓷結(jié)合劑20~30份、 分散劑10~20份、溶劑100份。
[0014] 所述磨料為超硬磨料或普通磨料。所述普通磨料為剛玉或碳化硅等本領(lǐng)域常見(jiàn)磨 料。
[0015] 所述超硬磨料為金剛石磨料或立方氮化硼磨料。超硬磨料為本領(lǐng)域常用粒度的磨 料，如粒度35/40~325/400,或粒度W0. 5~W40的磨料都是可行的。
[0016] 上述制備過(guò)程中，本領(lǐng)域常規(guī)的用于制備磨具的陶瓷結(jié)合劑都是可行的；本領(lǐng)域 常用的陶瓷結(jié)合劑一般是無(wú)機(jī)陶瓷粉體的混合物；無(wú)機(jī)陶瓷粉體多為金屬氧化物和/或非 金屬氧化物。所述陶瓷結(jié)合劑主要為R2〇、R〇、B203、Al 2O3中的任意兩種或多種與SiO 2的組 合物；其中，R2O為堿金屬氧化物，RO為堿土金屬氧化物。優(yōu)選的，所述R2O為L(zhǎng)i20、Na 20 ;所 述RO為Mg0、Ca0、Sr0、Ba0 ;進(jìn)一步優(yōu)選的，所述RO為Mg0、Ca0。所述陶瓷結(jié)合劑中也可添 加其他金屬、金屬氧化物，如Cu、ZnO、Y2O3等；
[0017] 所述陶瓷結(jié)合劑包括但不限于以下體系：R20-Al20 3-Si02、R20-R' 0-Al203-Si02、 R20-B203-Si02、Na2O-B 2O3-Al2O3-SiO2。優(yōu)選的，所述陶瓷結(jié)合劑由以下質(zhì)量百分比的組分組 成：SiO2 60%~70%,Al2O3 5%~12%,B2O3 13%~15%,Na2O 10%~15% ;或者所述陶 瓷結(jié)合劑由以下質(zhì)量百分比的組分組成：SiO2 53%~58%，A1203 17. 5%~18. 5%，Na2〇S B2O3 10. 5%~12%，Li2O 8%~12. 5%，ZnO 5%。
[0018] 所述分散劑為聚丙烯酸鈉、檸檬酸鈉、三聚磷酸鈉中的任意一種或組合。
[0019] 所述溶劑為水或有機(jī)溶劑。此處的溶劑在漿料中起分散作用，本領(lǐng)域常用的不與 其他組分反應(yīng)且易于揮發(fā)除去的有機(jī)溶劑都是可行的。優(yōu)選的，所述有機(jī)溶劑為乙醇或丁 酮。
[0020] 步驟1)中，混合制成漿料的具體方法為：將磨料、陶瓷結(jié)合劑、分散劑與溶劑的混 合物攪拌均勻后，調(diào)節(jié)PH為8~10,分散即得漿料。所述分散為超聲分散；超聲分散的時(shí) 間為30~60min。調(diào)節(jié)pH的方法是采用氨水調(diào)節(jié)pH。
[0021] 上述方法中，所用的模具為本領(lǐng)域常規(guī)磨具成型用模具。為了避免模具本身對(duì)磁 化過(guò)程的影響，模具采用非鐵磁材料制成；優(yōu)選的，所用的模具為塑料模具。
[0022] 步驟2)中，通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)誘導(dǎo)定向?qū)崿F(xiàn)陶瓷結(jié)合劑磨具的磨料定向排列，磁化時(shí)間 以實(shí)現(xiàn)磨料定向排列的時(shí)間為準(zhǔn)。優(yōu)選的，所述磁化的時(shí)間為1~60h。
[0023] 步驟3)中，干燥的作用是使模具中的磁化漿料形成砂輪素坯，干燥溫度和時(shí)間滿 足漿料中溶劑揮發(fā)的溫度和時(shí)間即可。優(yōu)選的，所述干燥的溫度為60~80°C，干燥的時(shí)間 為1~48h。
[0024] 步驟3)中，燒結(jié)溫度可采用本領(lǐng)域常規(guī)的陶瓷結(jié)合劑砂輪的燒結(jié)溫度。優(yōu)選的， 所述燒結(jié)固化的溫度為600~900°C。燒結(jié)時(shí)間以砂輪完全固化為準(zhǔn)。優(yōu)選的，所述燒結(jié)時(shí) 間為1~6h。
[0025] -種磨料定向排布的陶瓷結(jié)合劑磨具的制備方法，包括下列步驟：
[0026] 1)取磨料、陶瓷結(jié)合劑、分散劑和溶劑，混合制成漿料；
[0027] 2)將步驟1)所得漿料注入模具后，置于強(qiáng)度為1~50T的磁場(chǎng)中進(jìn)行磁化，得磁 化漿料；
[0028] 3)將步驟2)所得磁化漿料進(jìn)行干燥后脫模得素還，將素坯燒結(jié)固化，即得。
[0029] Kimura理論認(rèn)為：在強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)磁化能Δ E1= - Δ X VB 2/2 μ。大于熱能Δ E 2 = KbT時(shí)，陶瓷晶體將發(fā)生定向排列。其中，Δ X :晶體兩軸的磁化率差；V :晶粒的體積；B :石茲 場(chǎng)強(qiáng)度；真空導(dǎo)磁率；ΚΒ:玻爾茲曼常數(shù)；T :溫度。陶瓷材料的△ X -般很小，所以通 常的磁場(chǎng)不能使之定向，但在強(qiáng)磁場(chǎng)下，將會(huì)產(chǎn)生明顯的磁效應(yīng)。
[0030] 強(qiáng)磁場(chǎng)下電磁力的作用可達(dá)到原子尺度，因此非鐵磁性材料，比如陶瓷晶粒這種 弱磁性體也可在強(qiáng)磁場(chǎng)中表現(xiàn)出明顯的磁效應(yīng)。在磁場(chǎng)中，具有磁各向異性的晶粒，不同方 向所受的磁化能不同，因此晶粒在磁力作用下具有發(fā)生旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，直到所受的磁性力達(dá) 到最小為止，這是磁場(chǎng)中磁各向異性晶體的旋轉(zhuǎn)趨向基本原理。在強(qiáng)磁場(chǎng)誘導(dǎo)下，即便是圓 形的陶瓷晶粒也能定向排列，打破了傳統(tǒng)定向排列技術(shù)的不足。
[0031] 常用的超硬磨料一般是單晶體，晶型各向異性，具有各向異性的磁化率，磁各向異 性的磨料晶粒在磁場(chǎng)中會(huì)自動(dòng)調(diào)整為磁化能最低的狀態(tài)，即垂直于磁場(chǎng)方向，從而產(chǎn)生定 向排列的結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)超硬磨料的定向排布。近年來(lái)，超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)相關(guān)技術(shù)及設(shè)備研究取 得了較大發(fā)展，特別是強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置已經(jīng)商品化，價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單，體積小，適用于工 業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，這也使得制備磨料定向排布的超硬砂輪成為可能。
[0032] 本發(fā)明的磨料定向排布的陶瓷結(jié)合劑磨具，是將磨料、陶瓷結(jié)合劑、分散劑及溶劑 混合均勻制成漿料，將漿料注入模具后，將其靜置在高強(qiáng)磁場(chǎng)中，在電磁力的作用下，磨料 發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生定向排列；磁化后進(jìn)行干燥、脫模，使定向排列的磨料燒結(jié)固化，即得磨料定 向排布的陶瓷結(jié)合劑磨具；采用膠態(tài)成型，通過(guò)磨料的定向排布，制備出磨料定向排布的陶 瓷結(jié)合劑磨具，增加了磨具磨削時(shí)的有效切削刃，提高了磨具的磨削能力，改善了磨削表面 質(zhì)量。
[0033] 本發(fā)明的磨料定向排布的陶瓷結(jié)合劑磨具的制備方法，具有以下有益效果：
[0034] 1)通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)誘導(dǎo)定向，實(shí)現(xiàn)了陶瓷結(jié)合劑磨具的磨料定向排列，大大提高了磨 具磨削時(shí)有效磨削刃的數(shù)量，提高了磨具磨削能力，磨具壽命、磨削表面質(zhì)量等都具有顯著 的提尚；
[0035] 2)利用強(qiáng)磁場(chǎng)誘導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了磨料這種弱磁性體的定向排布，不需對(duì)磨料進(jìn)行 表面鍍覆，定向效果更加顯著；
[0036] 3)傳統(tǒng)定向排布技術(shù)要求材料是片狀、針狀，超硬磨料由于晶型較規(guī)整而不適用； 強(qiáng)磁場(chǎng)誘導(dǎo)定向無(wú)此限制，只需晶體各向異性就可，非常適用于超硬磨料的定向排布。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1為砂輪成型漿料磁化定向過(guò)程示意圖；
[0038] 圖2為磨料定向排列的陶瓷結(jié)合劑超硬砂輪斷面示意圖；
[0039] 圖3為磨料隨機(jī)排列的陶瓷結(jié)合劑超硬砂輪斷面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0041] 實(shí)施例1
[0042] 本實(shí)施例的磨料定向排布的陶瓷結(jié)合劑超硬磨具，