CN110605671A - 一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的制备方法。所述纳米陶瓷结合剂由SiO₂、V₂O₅、Na₂O、Al₂O₃、K₂O组成，添加5%～8%纳米ZrO₂。本发明提供的纳米陶瓷结合剂砂轮，所用结合剂与一般陶瓷结合剂的差别在于，用稀有金属氧化物V₂O₅替代常用的B₂O₃，同时添加纳米ZrO₂，利用稀有金属氧化物能提高结合剂润湿能力的作用，提高砂轮的强度和硬度，使砂轮在保证较高的锋利性同时，具有更好的形状保持性，从而提升磨削速度和修整间隔，大大提升磨削效率和砂轮使用寿命。

Description

一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的制备方法

本发明属于发明名称为一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮及其制备方法、申请日为2017年5月27日、申请号为2017103937293发明申请的分案申请，属于产品制备方法部分。

技术领域

本发明属于超硬磨料磨具技术领域，涉及一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的制备方法。

背景技术

陶瓷cBN砂轮是将陶瓷结合剂与cBN磨料经过高温烧结，形成的一种气孔率高、强度高的多孔耐磨材料。与普通磨料相比，cBN磨料不仅硬度高、导热率高、耐磨性好的优点，同时热、化学稳定性强，因此cBN磨料砂轮逐渐成为高速、高精度磨削的首选。

万向节球道磨削加工时，由于磨削余量大、磨削速度快，且各球道均为一次磨削到位，因此对砂轮的磨损严重，对砂轮锋利性和形状保持性有较高要求。目前国内砂轮由于强度问题，导致砂轮的形状保持性差，修正间隔为1，严重影响磨削效率及砂轮的使用寿命。

发明内容

针对现有技术不足之处，本发明公开了一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮及其制备方法，利用新的陶瓷结合剂，通过稀有金属氧化物提高结合剂润湿性及纳米复合材料的增韧效果，通过用V₂O₅替代常用的B₂O₃及在陶瓷结合剂中添加纳米ZrO₂，保持砂轮锋利性的同时，提高砂轮强度，从而提高磨削速度和修正间隔，大大提高磨削效率和使用寿命。

为达到上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂，其含有基础结合剂以及纳米ZrO₂；所述纳米ZrO₂的用量为基础结合剂的5%～8%；所述基础结合剂包括SiO₂、Al₂O₃、K₂O、Na₂O。

上述技术方案中，所述纳米ZrO₂的粒径为30～50 nm；所述基础结合剂还包括V₂O₅。本发明限定ZrO₂粒度，使得ZrO₂与高温熔液的反应进程得以控制，避免最后破坏了结合剂结构与性能的均匀性。

上述技术方案中，所述基础结合剂的重量百分数组成为，SiO₂ 45～60%、V₂O₅ 20～30%、Al₂O₃ 5～10%、Na₂O 5～16%、K₂O 5～10%。本发明限定组分配比，不仅利于各组分之间的融合渗透，而且制备的陶瓷结合剂本身具有硬度高、耐温好、自锐性好、锋利等特点，因此，可以不用频繁更换修整轮而大大提高修整轮的使用寿命和加工效率。

本发明还公开了一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂的制备方法，将基础结合剂与纳米ZrO₂混合均匀，然后加热至1500℃，然后快速水冷，再球磨3～5小时，然后干燥、过筛，选择600目至800目间的粉末，得到所述纳米陶瓷结合剂；所述纳米ZrO₂的用量为基础结合剂的5%～8%；所述基础结合剂包括SiO₂、Al₂O₃、K₂O、Na₂O、V₂O₅。

本发明还公开了一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮，由基体和磨料层组成；所述磨料层包括上述纳米陶瓷结合剂。

上述技术方案中，所述磨料层的重量百分数组成为，cBN磨料40～60%、Al₂O₃磨料20～30%、纳米陶瓷结合剂15～30%、造孔剂1～5%、临时粘结剂5～10%。

上述技术方案中，所述cBN磨料粒径为100～120 μm；所述Al₂O₃磨料粒径为70～90μm；所述造孔剂的粒径为50～70 μm；所述临时粘结剂为环氧树脂。

本发明方法制备的陶瓷结合剂中，二氧化硅主要为陶瓷结合剂提供由硅氧四面体组成的主架构；五氧化二钒、氧化钾作为晶核剂；由于在基础原料中加入氧化钠以及后续加入氧化锆，增加了整体粉末的比表面积，即表面活化能，从而降低陶瓷结合剂的烧结温度，即耐火度，并增强该陶瓷结合剂的强度，克服现有技术增加陶瓷结合剂强度的同时也提高了陶瓷结合剂耐火度的问题；本发明通过二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钾的比例可以降低陶瓷结合剂的热膨胀系数，从而达到烧结后的陶瓷结合剂与磨料的热膨胀系数相匹配；本发明制备砂轮中各组分比例合理，有利于充分地混合均匀，在今后的制造磨具的烧结过程中能够充分地参与反应，提高磨具各个部位陶瓷结合剂反应的均匀性。

本发明进一步公开了一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的制备方法，包括以下步骤：

（1）将基础结合剂与纳米ZrO₂混合均匀，然后加热至1500℃，然后快速水冷，再球磨3～5小时，然后干燥、过筛，选择600目至800目间的粉末，得到纳米陶瓷结合剂；

（2）将磨料、纳米陶瓷结合剂、造孔剂、临时粘接剂混合均匀，然后干燥、过120目标准筛，得到混合料；所述磨料含有cBN；

（3）将混合料干压成型，得到生坯；所述生坯经过热处理得到磨料层；

（4）将磨料层与基体结合，得到万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮。

上述技术方案中，所述基础结合剂的重量百分数组成为，SiO₂ 45～60%、V₂O₅ 20～30%、Al₂O₃ 5～10%、Na₂O 5～16%、K₂O 5～10%；所述混合料的重量百分数组成为，cBN磨料40～60%、Al₂O₃磨料20～30%、纳米陶瓷结合剂15～30%、造孔剂1～5%、临时粘结剂5～10%。

上述技术方案中，所述纳米ZrO₂的粒径为30～50 nm；所述cBN磨料粒径为100～120 μm；所述Al₂O₃磨料粒径为70～90 μm；所述造孔剂的粒径为50～70 μm；所述临时粘结剂为环氧树脂。造孔剂优选氧化铝空心球。

上述技术方案中，步骤（2）中，混合均匀在有机溶剂存在下进行；步骤（3）中，干压成型的压力为10MPa，温度为常温。热处理为3小时升温至350℃，保温2小时，再3小时升温至850℃，保温2小时，最后自然冷却；步骤（4）中，用环氧树脂胶将磨料层与基体结合。该工艺特点可操作性强，稳定性好，利于生产结构和性能稳定可靠的陶瓷结合剂砂轮。

本发明的陶瓷结合剂含有稀有金属氧化物V₂O₅的玻璃体系SiO₂-V₂O₅-Al₂O₃；并添加限定量的氧化锆，保持砂轮锋利性的同时，提高砂轮强度，从而提高磨削速度和修正间隔，大大提高磨削效率和使用寿命。

比如本发明公开的万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的制备方法，具体可以包括以下步骤：

(1)将SiO₂、V₂O₅、Al₂O₃、Na₂O、K₂O和ZrO₂按重量比混合均匀，在熔块炉中加热至1500℃，快速水冷，球磨3～5小时，干燥，过筛，选择600目至800目间的粉末，所得即为所需陶瓷结合剂；

(2)按重量比称取cBN磨料、Al₂O₃磨料结合剂、氧化铝空心球、环氧树脂，加入丙酮搅拌至混合均匀，烘干，将混合料过120目标准筛；

(3)过筛后将混合料投入模具中，干压成型，得到生坯；

(4)将生坯放入电炉中，3小时升温至350℃，保温2小时，再3小时升温至850℃，保温2小时，最后随炉冷却，得到磨料层；

(5)用环氧树脂胶将烧结后的磨料层与基体粘接，固化后按照尺寸要求在车床和磨床上加工，最终得到纳米陶瓷结合剂cBN砂轮。车加工内容为根据图纸，加工出尺寸合格、精度满足要求的砂轮基体；磨加工内容包括磨砂轮端面及外圆。

本发明具有以下优点：

1. 本发明采用含有稀有金属氧化物的玻璃体系SiO₂-V₂O₅-Al₂O₃及添加纳米ZrO₂形成新的陶瓷结合剂，得到的结合剂强度提高，对磨料的润湿性好，从而制备的砂轮形状保持性高；

2. 本发明公开的陶瓷结合剂组成合理，结合剂烧结温度低，使得砂轮能够低温烧结，保护磨料强度不受高温影响，同时降低能源损耗；

3. 本发明制备的纳米陶瓷cBN砂轮在保持锋利性的同时，具有较高的强度，使砂轮在磨加工万向节球道时，虽然磨削余量大，但砂轮形状依然能够保持不变，达到磨削精度要求，提高磨削效率和使用寿命，取得了意想不到的技术效果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明：

实施例一

一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮，包括基体和磨料层。磨料层的成分按重量百分比如下：cBN磨料50%，Al₂O₃磨料20%，陶瓷结合剂20%，氧化铝空心球4%，环氧树脂6%。

基体为钢基，上述cBN磨料粒径为100～120 μm，Al₂O₃磨料粒径为70～90 μm，氧化铝空心球粒径为50～70 μm。陶瓷结合剂组成按重量百分比为SiO₂ 53%，V₂O₅ 25%，Al₂O₃ 7%，Na₂O 9%，K₂O 6%，再添加重量百分比为8%的纳米ZrO₂，ZrO₂的粒径为30～50 nm。

上述砂轮的制备流程如下：

(1)将SiO₂、V₂O₅、Al₂O₃、Na₂O、K₂O和ZrO₂按重量比混合均匀，在熔块炉中加热至1500℃，快速水冷，球磨3～5小时，干燥，过筛，选择600目至800目间的粉末，所得即为所需结合剂；

(2)按重量比称取cBN磨料、结合剂、碳粉、环氧树脂，加入丙酮搅拌至混合均匀，烘干，将混合料过120目标准筛；

(3)过筛后将混合料投入模具中，干压成型，得到生坯；

(4)将生坯放入电炉中，3小时升温至350℃，保温2小时，再3小时升温至850℃，保温2小时，最后随炉冷却，得到磨料层；

(5)用环氧树脂胶将烧结后的磨料层与基体粘接，固化后按照尺寸要求在车床和磨床上加工，最终得到纳米陶瓷结合剂cBN砂轮。

本发明的纳米陶瓷结合剂cBN砂轮加工材质为CF53的万向节球道时，与目前市场上国产的砂轮（17.56*22.5*M8）相比，在相同的600 mm/min磨削速度下，修正间隔从1件/修提升至3件/修，寿命提升2倍。

上述砂轮加工材质为20CrMnTi钢的万向节钟形壳时，与目前市场上国产的砂轮（17.56*22.5*M8）相比，磨削速度从500 mm/min提升至600 mm/min，同时寿命提升2倍。

不添加氧化锆制备的陶瓷结合剂砂轮，与现有砂轮相比，磨削速度能达到600 mm/min，但寿命无法提高；不用五氧化二钒替代氧化硼，只能在低磨削速度500 mm/min下寿命提高1倍。

实施例二

一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮，包括基体和磨料层。磨料层的成分按重量百分比如下：cBN磨料47%，Al₂O₃磨料23%，结合剂22%，氧化铝空心球2%，环氧树脂6%。

基体为钢基，上述cBN磨料粒径为100～120 μm，Al₂O₃磨料粒径为70～90 μm，氧化铝空心球粒径为50～70 μm。陶瓷结合剂组成按重量百分比为SiO₂ 53%，V₂O₅ 25%，Al₂O₃ 7%，Na₂O 9%，K₂O 6%，添加重量百分比为6%的纳米ZrO₂，ZrO₂的粒径为30～50 nm。

砂轮制备的工艺过程与实施例一相同。

制备出的砂轮加工材质为CF53的万向节钟形壳时，与目前市场上国内的砂轮（17.56*22.5*M8）相比：磨削速度从450 mm/min提升至550 mm/min，修整间隔从一件提高至两件，砂轮使用寿命提升2倍。

不添加氧化锆制备的陶瓷结合剂砂轮，与现有砂轮相比，磨削速度能达到550 mm/min，但寿命无法提高；不用五氧化二钒替代氧化硼，只能在低磨削速度450 mm/min下寿命提高1倍。

实施例三

一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮，包括基体和磨料层。磨料层的成分按重量百分比如下：cBN磨料47%，Al₂O₃磨料23%，结合剂22%，氧化铝空心球2%，环氧树脂6%。

基体为钢基，上述cBN磨料粒径为100～120 μm，Al₂O₃磨料粒径为70～90 μm，氧化铝空心球粒径为50～70 μm。陶瓷结合剂组成按重量百分比为SiO₂ 53%，V₂O₅ 25%，Al₂O₃ 7%，Na₂O 9%，K₂O 6%，添加重量百分比为5%的纳米ZrO₂，ZrO₂的粒径为30～50 nm。

砂轮制备的工艺过程与实施例一相同。

制备出的砂轮加工材质为CF53的万向节钟形壳时，与目前市场上国内的砂轮（16.85*22.5*M8）相比：磨削速度从450 mm/min提升至540 mm/min，修整间隔从一件提高至两件，砂轮使用寿命提升1.5倍。

不添加氧化锆制备的陶瓷结合剂砂轮，与现有砂轮相比，磨削速度能达到540 mm/min，但寿命无法提高；不用五氧化二钒替代氧化硼，只能在低磨削速度450 mm/min下寿命提高1倍。

实施例四

一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮，包括基体和磨料层。磨料层的成分按重量百分比如下：cBN磨料47%，Al₂O₃磨料23%，结合剂22%，氧化铝空心球2%，环氧树脂6%。

基体为钢基，上述cBN磨料粒径为100～120 μm，Al₂O₃磨料粒径为70～90 μm，氧化铝空心球粒径为50～70 μm。陶瓷结合剂组成按重量百分比为SiO₂ 48%，V₂O₅ 28%，Al₂O₃ 7%，Na₂O 12%，K₂O 5%，添加重量百分比为6%的纳米ZrO₂，ZrO₂的粒径为30～50 nm。

砂轮制备的工艺过程与实施例一相同。

制备出的砂轮加工材质为20CrMnTi钢的万向节钟形壳时，与目前市场上国内的砂轮（16.85*22.5*M8）相比：磨削速度从450 mm/min提升至580 mm/min，修整间隔从1件提高至4件，砂轮使用寿命提升2.5倍。

不添加氧化锆制备的陶瓷结合剂砂轮，与现有砂轮相比，磨削速度能达到580 mm/min，但寿命无法提高；不用五氧化二钒替代氧化硼，只能在低磨削速度450 mm/min下寿命提高1.5倍。

实施例五

一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮，包括基体和磨料层。磨料层的成分按重量百分比如下：cBN磨料55%，Al₂O₃磨料24%，结合剂15%，氧化铝空心球1%，环氧树脂5%。

基体为钢基，上述cBN磨料粒径为100～120 μm，Al₂O₃磨料粒径为70～90 μm，氧化铝空心球粒径为50～70 μm。陶瓷结合剂组成按重量百分比为SiO₂ 55%，V₂O₅ 23%，Al₂O₃ 7%，Na₂O 9%，K₂O 6%，添加重量百分比为7%的纳米ZrO₂，ZrO₂的粒径为30～50 nm。

砂轮制备的工艺过程与实施例一相同。

本发明的纳米陶瓷结合剂cBN砂轮加工材质为CF53的万向节星形套时，与目前市场上国产的砂轮（17.56*22.5*M8）相比，在相同的600 mm/min磨削速度下，修正间隔从1件/修提升至4件/修，寿命提升3倍。上述砂轮加工材质为20CrMnTi钢的万向节星形套时，与目前市场上国产的砂轮（17.56*22.5*M8）相比，磨削速度从500 mm/min提升至620 mm/min，同时寿命提升2倍。不添加氧化锆制备的砂轮，只能在500 mm/min的低磨削速度下提升寿命；不用五氧化二钒替代氧化硼，寿命无法提高。

Claims (4)

1.一种万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将基础结合剂与纳米ZrO₂混合均匀，然后加热至1500℃，然后快速水冷，再球磨3～5小时，然后干燥、过筛，选择600目至800目间的粉末，得到纳米陶瓷结合剂；

（2）将磨料、纳米陶瓷结合剂、造孔剂、临时粘接剂混合均匀，然后干燥、过120目标准筛，得到混合料；所述磨料含有cBN；

（3）将混合料干压成型，得到生坯；所述生坯经过热处理得到磨料层；

（4）将磨料层与基体结合，得到万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮。

2.根据权利要求1所述万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的制备方法，其特征在于，所述基础结合剂的重量百分数组成为，SiO₂ 45～60%、V₂O₅ 20～30%、Al₂O₃ 5～10%、Na₂O5～16%、K₂O 5～10%；所述混合料的重量百分数组成为，cBN磨料40～60%、Al₂O₃磨料20～30%、纳米陶瓷结合剂15～30%、造孔剂1～5%、临时粘结剂5～10%。

3.根据权利要求1所述万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的制备方法，其特征在于，所述纳米ZrO₂的粒径为30～50 nm；所述cBN磨料粒径为100～120 μm；所述Al₂O₃磨料粒径为70～90 μm；所述造孔剂的粒径为50～70 μm；所述临时粘结剂为环氧树脂。

4.根据权利要求1所述万向节球道磨用纳米陶瓷结合剂cBN砂轮的制备方法，其特征在于，所述纳米ZrO₂的用量为基础结合剂的5%～8%。