CN108724025B - 一种有序化排列金属结合剂金刚石砂轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，其中包括1）混料：取金刚石、甘油的乙醇溶液、金属结合剂粉体、硬脂酸的乙醇溶液混合得到混合粉体；2）造粒：将混合粉体滚动造粒得到球形颗粒；3）筛分、选型处理：将球形颗粒烘干，再对球形颗粒进行筛分和选型；4）有序化处理：将筛分和选型后的球形颗粒施加水平和垂直方向的正弦振动，并冷压成型得到砂轮压坯；5）烧结：将砂轮压坯烧结后得到有序化排列的金刚石砂轮。本发明金刚石在金属结合剂中均匀有序排列，提高了砂轮的磨削效率和寿命，工艺可重复性更强、操作难度更低、生产效率更高。

Description

一种有序化排列金属结合剂金刚石砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于超硬材料磨具制备技术领域，具体涉及一种有序化排列金属结合剂金刚石砂轮及其制备方法。

背景技术

表面磨削是材料加工中的重要工序，金属结合剂金刚石砂轮具有磨削效率高、磨削精度高、表面质量好、使用寿命长等优点，适用于非铁系金属、合金等金属材料与半导体材料、陶瓷、玻璃等非金属材料的磨削加工。

通常情况下，多数砂轮中的金刚石在结合剂中随机分布，由于对金刚石的分布状态缺乏有效的控制，不可避免存在金刚石分布的聚集区和稀少区。聚集区内金刚石容易在未起到磨削作用前就脱落或不能有效出刃，从而导致砂轮锋利度下降；稀少区内单颗金刚石受力过大容易破碎或脱落，从而导致砂轮寿命的降低。因此，金刚石砂轮的磨削过程中，能够实现有效磨削的金刚石仅占较少的部分，多余的金刚石严重干扰了砂轮的正常工作，造成砂轮磨削力与磨削温度的升高，磨削效率下降，甚至工件的表面损伤。

为解决金刚石砂轮磨削加工中出现的上述问题，本发明提供一种控制金刚石在金属结合剂金刚石砂轮中的分布，优化金刚石排列的有效方法，通过形成金刚石-金属结合剂的球形结构以及规则震动使球形结构有序化排列，以制作有序化排列的金属结合剂金刚石砂轮。现有专利中公开了使金刚石有序化排列的方法如U.S. Patent 6039641采用的模板法、专利CN 101745877 A采用的负压吸附法、以及专利CN 105415215 A采用的粘结法，但是，上述方法存在操作难度大，工艺可重复性差等问题，而且模板法在布料时会出现扎堆现象、负压吸附法装置过于复杂且吸盘吸附无法达到良好的效果。

发明内容

本发明提供了一种有序化排列金属结合剂金刚石砂轮，所述砂轮中金刚石在金属结合剂中均匀有序排列，提高了砂轮的磨削效率和寿命，并与现有制备方法相比，工艺可重复性更强、操作难度更低、生产效率更高。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案。

形成以金刚石为核心的金属结合剂包覆的球形颗粒，以球形颗粒的自然堆积状态作为振动系统的初始状态，在两个水平方向互为正交与一个垂直方向正弦振动的作用下，球形颗粒做统计学上的规则运动，并填充球形颗粒间隙直到不能继续填充，最终达到球形颗粒的最紧密堆积状态，实现紧密堆积后即得到球形颗粒的有序化排列。

具体实施过程如下，包括以下步骤：

1）混料：取金刚石、甘油的乙醇溶液、金属结合剂粉体、硬脂酸的乙醇溶液混合得到混合粉体。

2）造粒：将混合粉体滚动造粒得到以金刚石颗粒为核心、金属结合剂粉体包覆的球形颗粒。

3）筛分、选型处理：将球形颗粒干燥，再对球形颗粒进行筛分和选型。

4）有序化处理：将筛分和选型后的球形颗粒施加水平和垂直方向的正弦振动，并冷压成型得到砂轮压坯。

5）烧结：将砂轮压坯烧结即得到有序化排列的金刚石砂轮。

进一步地，所述原料混合的具体方式为：在金刚石中加入甘油的乙醇溶液0.05-0.15ml/g后均匀搅拌，在金属结合剂粉体中加入硬脂酸的乙醇溶液0.03-0.05ml/g，然后将金刚石与金属结合剂粉体在三维混料机中均匀混合60-120min后得到混合粉体。

本发明中，所述金刚石中加入甘油的乙醇溶液0.05-0.15ml/g指的是每g金刚石中加入0.05-0.15mL的甘油乙醇溶液；在金属结合剂粉体中加入硬脂酸的乙醇溶液0.03-0.05ml/g指的是每g金属结合剂粉体中加入0.03-0.05ml的硬脂酸乙醇溶液。

所述甘油在乙醇中的含量10-15%，硬脂酸在乙醇中的含量2-5%。

进一步地，所述混合粉体中金刚石的浓度为100-200%，金刚石的粒度不小于120/140；所述金属结合剂为铜锡金属结合剂，成份为75%Cu+15%Sn+2%Ni+8%Co。

进一步地，所述滚动造粒的具体方式为：将混合粉体置于造粒机内造粒，设定造粒机转盘转速为70-120rpm。

进一步地，所述球形颗粒筛分的标准为球形颗粒的平均粒径是金刚石的1.2-1.8倍，平均粒径差不超过±10%；球形颗粒选型的标准为长径比不超过1.3。

进一步地，所述有序化处理的方法为：在电磁振动机上对球形颗粒施加至少两个水平方向互为正交的正弦振动和至多一个垂直方向的正弦振动。

进一步地，所述每个方向正弦振动的振幅为0.7-1.5mm，频率为300-450Hz，振动时间40-60min。

进一步地，所述烧结方法为：在热压机上温度730-780℃，压力40-50MPa条件下烧结10-30min。

本发明所述有序化排列金属结合剂金刚石砂轮能够应用于非铁系金属、合金等金属材料与半导体材料、陶瓷、玻璃等非金属材料的磨削加工，尤其对于陶瓷CBN砂轮、硬质合金的平面的磨削效果良好。

本发明的有益效果：

1）本发明采用的技术方案可实现金刚石在砂轮中的有序化排列，优化了金刚石在砂轮中的分布，并且具有较高的排列精度。

2）本发明采用的技术方案提高了金刚石在磨削过程中的利用率，提高了金刚石砂轮的磨削效率和使用寿命。

3）本发明采用的技术方案与现有技术相比，避免了复杂的精细化操作，降低了生产过程的操作难度，工艺可重复性强，便于流程化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1金刚石在砂轮中的有序化排列及局部放大图；

图2为本发明实施例2（上）和对比例1（下）金刚石在砂轮中的排列效果对比如图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但以下实施例仅用于说明本发明，而不应该为限制本发明的范围。

本发明所述的金刚石和球形颗粒的粒度标准均按照GB/T6406-1996执行；

MBD金刚石、RVD金刚石、甘油、乙醇、硬脂酸均为市售产品；

所述甘油的乙醇溶液和硬脂酸的乙醇溶液按照体积百分比混合；

所述75%Cu+15%Sn+2%Ni+8%Co的铜锡金属结合剂粉体是指粒度400目的Cu、Sn、Ni、Co金属粉体按照质量百分比混合。

实施例1

一种有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：

1）混料：称取40g粒度为40/45的MBD金刚石，加入甘油含量15%（体积分数）的乙醇溶液2mL后均匀搅拌，然后在310g成分为75%Cu+15%Sn+2%Ni+8%Co的铜锡金属结合剂粉体中加入硬脂酸含量5%（体积分数）的乙醇溶液15mL，将金刚石与金属结合剂粉体在三维混料机中均匀混合60min后得到混合粉体。

2）造粒：将混合粉体在GA240型造粒机内造粒，设定转盘转速120rpm，滚动造粒过程中，金刚石颗粒逐步包覆结合剂粉体，得到以金刚石颗粒为核心、结合剂粉体包覆的球形颗粒。

3）筛分、选型处理：将步骤2）中得到的球形颗粒在真空干燥箱内120℃下烘干处理60min，再对球形颗粒进行筛分和选型，其中，筛分球形颗粒的标准为球形颗粒的粒度25/30，粒径差不超过±10%；利用金刚石选型机对球形颗粒选型的标准为长径比不超过1.3。

4）有序化处理：将步骤3）处理后的球形颗粒150g装入钢模具中，并固定在电磁振动机上，施加两个水平方向互为正交的正弦振动和一个垂直方向的正弦振动，设置电磁振动机三个振动方向的振幅为1.5mm，频率为300Hz，振动时间40min，随后将钢模具置于油压机上冷压成型，成型压力90MPa，得到直径Ø120mm的砂轮压坯。

5）烧结：将步骤4）中得到的砂轮压坯装入石墨模具中，在热压机上温度780℃，压力40MPa条件下烧结15min，即得到有序化排列的金刚石砂轮，金刚石颗粒在砂轮中的有序化排列及局部放大图如图1所示。

实施例2

一种有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：

1）混料：称取60g粒度为40/45的MBD金刚石，加入甘油含量15%（体积分数）的乙醇溶液4mL后均匀搅拌，然后在230g成分为75%Cu+15%Sn+2%Ni+8%Co的铜锡金属结合剂粉体中加入硬脂酸含量5%（体积分数）的乙醇溶液10mL，将金刚石与金属结合剂粉体在三维混料机中均匀混合60min后得到混合粉体；

2）造粒：将混合粉体在GA240型造粒机内造粒，设定转盘转速100rpm，滚动造粒过程中，金刚石颗粒逐步包覆结合剂粉体，得到以金刚石颗粒为核心、结合剂粉体包覆的球形颗粒。

3）筛分、选型处理：将步骤2）中得到的球形颗粒在真空干燥箱内120℃下烘干处理60min，再对球形颗粒进行筛分和选型，其中，筛分球形颗粒的标准为球形颗粒的粒度30/35，粒径差不超过±10%；利用金刚石选型机对球形颗粒选型的标准为长径比不超过1.3。

4）有序化处理：将步骤3）处理后的球形颗粒210g装入钢模具中，并固定在电磁振动机上，施加两个水平方向互为正交的正弦振动，设置电磁振动机两个振动方向的振幅为1.0mm，频率为380Hz，振动时间20min，随后将钢模具置于油压机上冷压成型，成型压力90MPa，得到直径Ø120mm的砂轮压坯。

5）烧结：将步骤4）中得到的砂轮压坯装入石墨模具中，在热压机上温度780℃，压力40MPa条件下烧结15min，即得到有序化排列的金刚石砂轮。

对比例1

和实施例2的不同之处在于省略步骤（2）、（3）、（4），其余按实施例2执行，即直接取步骤（1）质量210g的混合粉体装入石墨模具后按步骤（5）的工艺烧结，得到相同规格尺寸的无序化排列的金刚石砂轮。

对比例1和实施例2的金刚石颗粒在砂轮中的排列效果对比如图2所示。

将实施例2与对比例1的砂轮进行对比，本实施例实现了砂轮中金刚石颗粒的均匀有序化排列，对比例1砂轮中金刚石颗粒在结合剂中趋于随机分布，且存在金刚石分布的聚集区和稀少区。

将实施例1、实施例2与对比例1的金刚石砂轮在相同条件下用于陶瓷CBN砂轮的修整，得到表1所示数据。

用平均修整时间和重新开刃前的修整次数作为金刚石砂轮磨削效率的评价指标，用累计修整次数作为金刚石砂轮寿命的评价指标，从表1中可以看出，实施例1与实施例2相比于对比例1，平均修整时间分别缩短了34%和29%，重新开刃前的修整次数提高到30次以上，累计修整次数分别提高了73%和108%，因此，本实施例得到的有序排列金刚石砂轮的磨削效率和寿命均优于无序排列金刚石砂轮。

实施例3

一种有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：

1）混料：称取400g粒度为120/140的RVD金刚石，加入甘油含量10%（体积分数）的乙醇溶液50mL后均匀搅拌，然后在2200g成分为75%Cu+15%Sn+2%Ni+8%Co的铜锡金属结合剂粉体中加入硬脂酸含量2%（体积分数）的乙醇溶液70mL，将金刚石与金属结合剂粉体在三维混料机中均匀混合120min后得到混合粉体。

2）造粒：将混合粉体在GA240型造粒机内造粒，设定转盘转速70rpm，滚动造粒过程中，金刚石颗粒逐步包覆结合剂粉体，得到以金刚石颗粒为核心、结合剂粉体包覆的球形颗粒。

3）筛分、选型处理：将步骤2）中得到的球形颗粒在真空干燥箱内120℃下烘干处理60min，再对球形颗粒进行筛分和选型，其中，筛分球形颗粒的标准为球形颗粒的粒度60/70，粒径差不超过±10%；利用金刚石选型机对球形颗粒选型的标准为长径比不超过1.3。

4）有序化处理：将步骤3）处理后的球形颗粒1800g装入钢模具中，并固定在电磁振动机上，施加两个水平方向互为正交的正弦振动，设置电磁振动机两个振动方向的振幅为0.7mm，频率为450Hz，振动时间60min，随后将钢模具置于油压机上冷压成型，成型压力90MPa，得到直径Ø250mm的砂轮压坯。

5）烧结：将步骤4）中得到的砂轮压坯装入石墨模具中，在热压机上温度730℃，压力50MPa条件下烧结30min，即得到有序化排列的金刚石砂轮。

对比例2

和实施例3的不同之处在于省略步骤（2）、（3）、（4），其余按实施例3执行，即直接取步骤（1）质量1800g的混合粉体装入石墨模具后按步骤（5）的工艺烧结，得到相同规格尺寸的无序化排列的金刚石砂轮。

将实施例3与对比例2的砂轮进行对比，本实施例实现了砂轮中金刚石颗粒的均匀有序化排列，对比例2砂轮中金刚石颗粒在结合剂中趋于随机分布，且存在金刚石分布的聚集区和稀少区。

将实施例3与对比例2的金刚石砂轮在相同条件下用于硬质合金的平面磨削，得到表2所示数据。

从表2中可以看出，实施例3相比于对比例2，磨削比提高了62%，磨削功率降低了31%，工件表面粗糙度一致，因此本实施例得到的有序排列金刚石砂轮的磨削效率优于无序排列金刚石砂轮。

以上所述，仅是本发明的较佳实施示例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施示例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施示例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）混料：取金刚石、甘油的乙醇溶液、金属结合剂粉体、硬脂酸的乙醇溶液混合得到混合粉体；

2）造粒：将混合粉体滚动造粒得到以金刚石颗粒为核心、金属结合剂粉体包覆的球形颗粒；

3）筛分、选型处理：将球形颗粒干燥，再对球形颗粒进行筛分和选型；

4）有序化处理：将筛分和选型后的球形颗粒施加水平和垂直方向的正弦振动，并冷压成型得到砂轮压坯；

5）烧结：将砂轮压坯烧结即得到有序化排列的金刚石砂轮。

2.如权利要求1所述有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中原料混合的具体方式为：在金刚石中加入甘油的乙醇溶液0.05-0.15ml/g金刚石后均匀搅拌，在金属结合剂粉体中加入硬脂酸的乙醇溶液0.03-0.05ml/g金属结合剂粉体，然后将金刚石与金属结合剂粉体在三维混料机中均匀混合60-120min后得到混合粉体；

其中，甘油在乙醇中的体积百分比为10-15%，硬脂酸在乙醇中的体积百分比为2-5%。

3.如权利要求2所述有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，金刚石的粒度不小于120/140；所述金属结合剂粉体为成份75%Cu+15%Sn+2%Ni+8%Co的铜锡金属结合剂。

4.如权利要求1所述有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中滚动造粒的具体方式为：将混合粉体置于造粒机内造粒，设定造粒机转盘转速为70-120rpm。

5.如权利要求1所述有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，球形颗粒筛分的标准为球形颗粒的平均粒径是金刚石的1.2-1.8倍，平均粒径差不超过±10%；球形颗粒选型的标准为长径比不超过1.3。

6.如权利要求1所述有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中有序化处理的方法为：施加至少两个水平方向互为正交的正弦振动和至多一个垂直方向的正弦振动。

7.如权利要求6所述有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述每个方向正弦振动的振幅为0.7-1.5mm，频率为300-450Hz，振动时间40-60min。

8.如权利要求1所述有序化排列金属结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述步骤5）中，烧结方法为：在热压机上温度730-780℃，压力40-50MPa条件下烧结10-30min。

9.按照权利要求1-8任一所述制备方法得到有序化排列金属结合剂金刚石砂轮。

Images