CN105856089A - 一种研磨复合体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磨料制品领域，尤指可应用于研磨陶瓷工件或蓝宝石等硬脆材料的一种研磨复合体及其制备方法，所述的复合体主要由烧结复合磨料和树脂组成；其中所述烧结复合磨料由金刚石和无机粘结剂组成；所述的金刚石为单晶金刚石或多晶金刚石或它们的组合物，金刚石的颗粒粒度为0.2~380 um；所述烧结复合磨料中，金刚石含量为10%~80%；所述无机粘结剂由氧化硅、氧化铋、氧化硼、氧化铈、氧化锌、氧化铁及氧化铜混合组成；本发明烧结复合磨粒具有极高的硬度和强度，金刚石被紧实粘结，不易脱离，同时烧结复合磨料与树脂的结合力增强，磨削过程中可抵抗脱落，耐受性更强，从而提高了硬脆材料的切削率和延长了固结磨料产品的寿命。

Description

一种研磨复合体及其制备方法

技术领域

本发明涉及磨料制品领域，尤指可应用于研磨陶瓷工件或蓝宝石等硬脆材料的一种研磨复合体及其制备方法。

背景技术

人造蓝宝石是一种具有极高硬度、良好透光性的单晶材料。此材料已经被广泛地用作LED 衬底、导弹整流罩、高档手表表镜、手机窗口屏、摄像机镜头器件中等；人造蓝宝石需要经过抛光处理才具有很好的透明度，但由于其硬度高，研磨抛光难度很大；现有蓝宝石的表面处理一般采用游离式研磨抛光，即涉及使用研磨抛光液；研磨抛光液是一种由超硬磨料和液体配置成的液态体系，将此液体输入至平面研磨设备内，蓝宝石平面工件位于研磨设备中，在磨盘和磨料的运动下，蓝宝石表面的起伏被移除，表面逐渐达到平整；表面粗糙度与磨料的粒度有关，粒度越小，粗糙度越低；游离式抛光工艺获得的材料表面质量很好，划伤率低；但该工艺也存在许多问题，例如加工效率低、能耗大、废液处理难，产能无法提升；另外使用研磨液辅料巨大，成本难以下降。

相对于普通磨料游离式加工而言，固结磨料研磨抛光加工技术在此背景下应运而生；固结磨料主要将磨料颗粒用粘结剂固定，靠表面凸起的磨料粒子与工件相互作用，达到材料去除的效果；采用固结磨料研磨抛光，有较高的加工效率，可减少废液处理工艺和工件的清洗工作，大大减轻了环境污染；更重要的是，固结磨料研磨抛方式不仅可以提升加工效率，还能非常高效地利用磨料，大大减少了价格高昂的超硬磨料的使用量，使得研磨成本大幅下降；使蓝宝石产品的大批量低成本的供应获得可能。

固结磨料抛光技术的具体对应产品很多，有砂轮、研磨盘、研磨垫或研磨头等；这些产品通过将磨料和粘结剂复合后以组装或模具方式成型；固结磨料常用的结合剂有金属结合剂（如中国专利201080032139.4，金属结合剂磨石及其制造方法）、树脂结合剂（如中国专利201110329216.9，一种树脂砂轮及其制备方法）以及陶瓷结合剂（如中国专利200910225700.X，陶瓷结合砂轮）等；这些方案都能很好地将磨料固结并达到研磨效果；金属结合剂和陶瓷结合剂制备的固结磨料制品具有极高的切削效率，但工件表面容易产生划伤，导致产品报废不可修复；树脂结合剂固结磨料制品处理的工件表面良好，但切削效率较低。

树脂型固结磨料产品中，通常使用单分散的超硬材料作为磨料，即按比例称取超硬材料和相应的辅助填料，再混合树脂填入模具成型。例如蓝思科技有限公司的中国发明专利申请201510188055.4，将金刚石粉末与二硫化钼、硅灰石、气相二氧化硅与树脂粘结剂共混，再通过模具成型，制备成复合金刚石磨块；中国发明专利201110329216.9公布的树脂砂轮，将棕刚玉、冰晶石和酚醛树脂共混，制备成树脂砂轮，具有不易堵塞和良好自锐性的优点。

在本领域中，除了使用单独的超硬材料作为磨料之外，也有人将磨粒制备为复合磨粒再做成树脂型固结研磨产品，目的是增加磨料与树脂的粘结力，使树脂固结研磨产品的寿命更长，切削率更高；中国发明专利201310675871.9公布了一种单晶金刚石磨粒的制作方法，将微米级单晶金刚石与金属粉共烧结，金刚石被金属粘结和包覆，所制得的金刚石磨粒呈现独特的粗糙形貌，具有较高的自锐性；中国发明专利201310663857.7公布了一种自锐性金刚石磨粒的制备方法，采用金刚石磨料与铁、钴、锰单质或它们的合金粉末共混烧结，获得自锐性金刚石磨粒；3M 公司的中国发明专利02828130.6公布了一种氧化锆磨粒，采用多晶氧化锆以及多种稳定氧化锆用的金属氧化物共烧结破碎制得；3M 公司的中国发明专利02818937.X还公布了一种熔凝氧化铝磨粒，将氧化铝及二氧化硅等多种金属氧化物共烧结并破碎成不同尺寸粒度的氧化铝复合磨粒；更多的熔凝氧化铝磨粒的制备方法可参考美国专利1161620、1192709，1247337，1268533和2424645；而熔凝氧化铝-氧化锆磨粒的制备方法可在以下美国专利中找到，美国专利3891408，3781172，3893826，4126429，4457767和5143522。美国专利5023212和5336280公布了熔凝氮氧化物磨粒的制作方法。

虽然基于复合磨粒的树脂固结磨料产品有许多专利，但根据蓝宝石工件的研磨要求和实际使用情况，例如防止工件表面划伤，要求具有高研磨去除率以及较低的表面粗糙度等，研磨工艺仍然需要其他新型的复合磨粒基的固结磨料产品，因此需要独特的材料配方和制造工艺。

蓝宝石是一种成分为氧化铝的硬度极高的晶体材料，其硬度仅次于金刚石，复合磨粒例如熔凝氧化铝磨粒、熔凝氧化铝-氧化锆磨粒、氮氧化物磨粒对蓝宝石的研磨切削效率相对较低；金属共烧金刚石磨粒或其他氧化物共烧的金刚石磨粒具有较高的硬度，切削力较强，但表面划伤问题较多，寿命短；为了防止盘面堵塞，上述复合磨料固结产品在使用时需要经常修整、开槽，操作繁琐，工作量大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种磨料制品领域，尤指可应用于研磨陶瓷工件或蓝宝石等硬脆材料的一种研磨复合体及其制备方法。

本发明主要采用的技术方案：一种研磨复合体，所述的复合体主要由烧结复合磨料和树脂组成；其中所述烧结复合磨料由金刚石和无机粘结剂组成；

所述烧结复合磨料中，金刚石含量为10%~80%；

所述的金刚石为单晶金刚石或多晶金刚石或它们的组合物，金刚石的颗粒粒度为0.2~380 um；

所述无机粘结剂由氧化硅、氧化铋、氧化硼、氧化铈、氧化锌、氧化铁及氧化铜混合组成，各成分按质量百分比配比如下：

氧化硅 20%~50%

氧化铋 10%~20%

氧化硼 4%~8%

氧化铈 5%~8%

氧化锌 3%~9%

氧化铁 1%~3%

氧化铜 10%~15%。

一种研磨复合体的制备方法，所述的制备方法主要包括以下步骤：

第一：制备烧结复合磨料

（一）配料：按此重量比称取原料并用搅拌机混合均匀，金刚石8%~50%，无机粘结剂15%~60%，去离子水30%~50%；

（二）烘料：将搅拌均匀的浆料倒入加热平板面上烘干，获得坯料；

（三）烧结：将坯料装入坩埚中，置于真空炉中，抽真空至20~2Pa，升温至500~1000 ^oC保温1~8小时，保温结束后自然冷却至室温，获得烧结料；

（四）粉体破碎：将烧结料用粉体破碎机破碎，并将不同粒度的烧结复合磨料筛选分级。

第二：制备研磨复合体

（一）配料：按此重量比称取以下原料并用搅拌机混合均匀，烧结复合磨料20%~90%，树脂80%~10%；

（二）将混合料填充至模具内压实，置于25~100 ^oC烘箱内热固化成型，获得研磨复合体。

所述烧结复合磨料粒度为1~2000 um。

所述单个烧结复合磨料颗粒的粒径是单个金刚石颗粒粒径的2倍或2倍以上。

所述树脂为聚氨酯树脂，酚醛树脂、丙烯酸树脂，环氧树脂中的一种或它们的组合。

本发明的有益效果主要体现在：研磨体主要由树脂和烧结复合磨料组成，其中烧结复合磨料由金刚石和无机粘结剂共烧后破碎筛选而成。多颗金刚石被无机粘结剂粘结在一起形成大颗粒团聚，这种烧结复合磨料具有极高的硬度，同时部分金刚石曝露于烧结复合磨料的表面，形成独特的粗糙平面；一方面烧结复合磨粒具有极高的硬度和强度，金刚石被粘结非常紧实，不易被研磨脱离，另一方面烧结复合磨料与树脂的结合力增强，磨料在磨削过程中可抵抗脱落，耐受性更强，从而提高了硬脆材料的切削率和延长了固结磨料产品的寿命。

附图说明

图1为本发明研磨复合体的剖面结构示意图。

图2为本发明研磨复合体的一种典型研磨方式，即圆盘外圆研磨方式。

图3为本发明研磨复合体的另一种典型研磨方式，即圆盘盘面研磨方式。

附图标注说明：100-研磨复合体；101-树脂；102-烧结复合磨料；103-金刚石；104-无机粘结剂。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明专利的实施方式：

如图1所示，研磨复合体(100)由树脂(101)及烧结复合磨料(102)组成，其中烧结复合磨料 (102) 由金刚石（103）和无机粘结剂（104）组成，所述研磨复合体的制备方法如下：

具体实施例一

第一：制备烧结复合磨料

（一）配置无机粘结剂（104）：按此重量比称取氧化物粉末并搅拌均匀，获得无机粘结剂（104）粉末。氧化硅 50%、氧化铋 20%、氧化硼 5%、氧化亚锡 5%、氧化锌 3%、氧化铁 2%、氧化铜 15%。

（二）按此重量比称取原料并用搅拌机混合均匀，金刚石（103）30%，无机粘结剂（104）20%，去离子水50%；金刚石（103）粒度为26~36 um。

（三）烘料：将搅拌均匀的浆料倒入加热平板面上烘干，获得坯料；

（四）烧结：将坯料装入坩埚中，置于真空炉中，抽真空至10Pa，升温至800 ^oC保温8小时，保温结束后自然冷却至室温，获得烧结料；

（五）粉体破碎：将烧结料用粉体破碎机破碎，并将不同粒度的烧结复合磨料筛选分级；筛选出粒度为60~100 um的烧结复合磨料备用。

第二：制备研磨复合体

（一）配料：按此重量比称取以下原料并用搅拌机混合均匀，烧结复合磨料90%，环氧树脂10%；

（二）将混合料填充至模具内压实，置于25 ^oC~100 ^oC烘箱内热固化成型，获得研磨复合体。成型后的研磨复合体典型外观形式如图2和图3所示。图2展示了一种砂轮产品，将研磨复合体制备在圆轮的外圆，以外圆对工件进行研磨或抛光。图3展示了一种平面研磨盘，将研磨复合体制备在圆盘的盘面上，以圆盘盘面对工件进行研磨或抛光。

具体实施例二

第一：制备烧结复合磨料

与实施例一中的第一步骤相同，区别仅在于：实施例二中使用粒度为1~5 um 的金刚石（103）与无机粘结剂（104）共烧；另外烧结复合磨料的粒度筛选为10~100 um 使用；

第二：制备研磨复合体

与实施例一中的第二步骤相同，区别仅在于：实施例二中使用聚氨酯作为树脂；

具体实施例三

第一：制备烧结复合磨料

与实施例一中的第一步骤相同，区别仅在于：实施例三中使用粒度为0.1~1 um 的金刚石（103）与无机粘结剂（104）共烧；另外烧结复合磨料的粒度筛选为1~10 um 使用；

第二：制备研磨复合体

与实施例一中的第二步骤相同，区别仅在于：实施例三中使用酚醛树脂作为树脂。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种研磨复合体，其特征在于：所述的复合体主要由烧结复合磨料和树脂组成；其中所述烧结复合磨料由金刚石和无机粘结剂组成；

所述的金刚石为单晶金刚石或多晶金刚石或它们的组合物，金刚石的颗粒粒度为0.2~380 um；

所述烧结复合磨料中，金刚石含量为10%~80%；

所述无机粘结剂由氧化硅、氧化铋、氧化硼、氧化铈、氧化锌、氧化铁及氧化铜混合组成，各成分按质量百分比配比如下：

氧化硅 20%~50%

氧化铋 10%~20%

氧化硼 4%~8%

氧化铈 5%~8%

氧化锌 3%~9%

氧化铁 1%~3%

氧化铜 10%~15%。

2.一种研磨复合体的制备方法，其特征在于：所述的制备方法主要包括以下步骤：

第一：制备烧结复合磨料

（一）配料：按此重量比称取原料并用搅拌机混合均匀，金刚石8%~50%，无机粘结剂15%~60%，去离子水30%~50%；

（二）烘料：将搅拌均匀的浆料倒入加热平板面上烘干，获得坯料；

（三）烧结：将坯料装入坩埚中，置于真空炉中，抽真空至20~2Pa，升温至500~1000 ^oC保温1~8小时，保温结束后自然冷却至室温，获得烧结料；

（四）粉体破碎：将烧结料用粉体破碎机破碎，并将不同粒度的烧结复合磨料筛选分级；

第二：制备研磨复合体

（一）配料：按此重量比称取以下原料并用搅拌机混合均匀，烧结复合磨料20%~90%，树脂80%~10%；

（二）将混合料填充至模具内压实，置于25~100 ^oC烘箱内热固化成型，获得研磨复合体。

3.根据权利要求1或2所述的一种研磨复合体，其特征在于：所述烧结复合磨料粒度为1~2000 um。

4.根据权利要求1或2所述的一种研磨复合体，其特征在于：所述单个烧结复合磨料颗粒的粒径是单个金刚石颗粒粒径的2倍或2倍以上。

5.根据权利要求1或2所述的一种研磨复合体，其特征在于：所述树脂为聚氨酯树脂，酚醛树脂、丙烯酸树脂，环氧树脂中的一种或它们的组合。