CN112692956A - 一种蜂窝状金刚石工具的浆料直写成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂窝状金刚石工具的浆料直写成型方法，该蜂窝状金刚石工具为一直径为80‑150mm且高度为50‑120mm的圆柱体，其上下顶面具有若干六边形蜂窝状通孔，该六边形蜂窝状通孔的边长为2‑3mm，且若干六边形蜂窝状通孔占的总面积为该圆柱体上顶面的总面积的30‑40％。本发明可以制备传统方法难以成型的复杂蜂窝结构，并可以根据磨削要求调整蜂窝孔的打印尺寸，这些多孔蜂窝状结构能提高容屑排屑空间，有效排除磨削产生的碎屑，加快散热，自锐性好，避免堵塞造成的热损伤。
Description
技术领域
本发明属于磨具材料技术领域，具体涉及一种蜂窝状金刚石工具的浆料直写成型方法。
背景技术
随着超精密磨削技术的发展，对砂轮的加工效率、加工质量提出了更高的要求。多孔结构的陶瓷结合剂金刚石砂轮在使用过程中具有自锐性好、排屑空间大、磨削力小等优势，在磨削半导体衬底、硬质合金、新型陶瓷等硬度高、脆性大、精度要求高的材料具有明显优势。现有技术中，金刚石工具主要采用热压成型的方式制备，而传统热压成型的方法利用干法混合容易团聚，人工压制简单形状无法满足高质量磨削轨迹的要求。此外，热压成型通过添加造孔剂，烧结时造孔剂完全分解产生孔隙，制备的气孔属于被动成型，气孔的大小和形状由于造孔剂堆积、燃烧过程中变形等因素难以控制。利用增材制造技术可以制备任何复杂结构，提高自动化程度。
目前常用的3D打印技术包括SLM和SLS，SLM和SLS技术可以打印带有冷内却流道的金刚石工具，但这两种方法均需要采用激光高温烧结至1000℃以上，而金刚石微粉烧结到700℃以上会出现石墨化，且激光逐层烧结存在烧结质量不均等缺陷。利用浆料直写成型技术湿法混合粉末无团聚现象，可打印蜂窝状金刚石工具后进行烧结，一体化成型整体结构。然而目前浆料直写成型技术中常用的陶瓷结合剂粉末以SiO2为主要成分，烧结后形状和尺寸变化大，无法保持良好的蜂窝结构。且这些陶瓷结合剂粉末颗粒为微米级，粉末颗粒甚至大于金刚石磨料，无法完整包裹金刚石微粉，结合强度低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种蜂窝状金刚石工具的浆料直写成型方法。
本发明的技术方案如下：
一种蜂窝状金刚石工具的浆料直写成型方法，该蜂窝状金刚石工具为一直径为80-150mm且高度为50-120mm的圆柱体，其上下顶面具有若干六边形蜂窝状通孔，该六边形蜂窝状通孔的边长为2-3mm，且若干六边形蜂窝状通孔占的总面积为该圆柱体上顶面的总面积的30-40％；
具体包括如下步骤：
(1)将熔点为655-665℃的纳米陶瓷粉和金刚石微米颗粒以70-80wt％∶20-30wt％的比例充分混合，获得混合粉末；该纳米陶瓷粉的原料包括：64-65重量份的硅粉、5.8-6.3重量份的氧化钠、9-12重量份的氧化铝、2.9-3.3重量份的氧化钾和10-11重量份的三氧化二硼；(2)将聚壳糖充分分散于去离子水中，获得浓度为2.8-3.1wt％的聚壳糖溶液；
(3)将步骤(1)制得的混合粉末与步骤(2)所得的聚壳糖溶液混合均匀，获得浆料，该混合粉末与该聚壳糖溶液的体积比为69-70％∶30-31％；
(4)将步骤(3)制得的浆料加入浆料直写成型设备的针筒中，通过逐层叠加的方式打印成设计的形状，获得坯体；
(5)将步骤(4)制得的坯体干燥至恒重，然后进行烧结，即得所述蜂窝状金刚石工具。
在本发明的一个优选实施方案中，所述金刚石微米颗粒的粒径为5-40μm。
在本发明的一个优选实施方案中，所述纳米陶瓷粉的原料由65重量份的硅粉、6重量份的氧化钠、12重量份的氧化铝、3重量份的氧化钾和11重量份的三氧化二硼组成，其熔点为660℃。
在本发明的一个优选实施方案中，所述聚壳糖溶液的浓度为3wt％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述混合粉末与该聚壳糖溶液的体积比为69％∶31％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述打印的工艺参数为：针头打印速度3-10mm/s，喷嘴半径为1.4-1.6mm，剪切速率为10-30/s，流量80-120％，温度20-35℃。
进一步优选的，所述打印的工艺参数为：针头打印速度4mm/s，喷嘴半径为1.5mm，剪切速率为10.6/s，流量120％，温度25℃。
在本发明的一个优选实施方案中，所述烧结具体为：将干燥至恒重的坯体送入烧结气氛炉中，在空气气氛下，以2-3℃/min的升温速度从室温升温至300-320℃，并保温50-60min；接着在氩气气氛下，以3-5℃/min的升温速度升温至655-665℃，保温烧结60-90min；然后随炉冷却至室温。
进一步优选的，所述烧结具体为：将干燥至恒重的坯体送入烧结气氛炉中，送入烧结气氛炉中，在空气气氛下，以2.5℃/min的升温速度从室温升温至300℃，并保温60min；接着在氩气气氛下，以4℃/min的升温速度升温至660℃，保温烧结90min；然后随炉冷却至室温。
在本发明的一个优选实施方案中，所述干燥为在空气中干燥20-40h。
本发明的有益效果是：
1、本发明可以制备传统方法难以成型的复杂蜂窝结构，并可以根据磨削要求调整蜂窝孔的打印尺寸，这些多孔蜂窝状结构能提高容屑排屑空间，有效排除磨削产生的碎屑，加快散热，自锐性好，避免堵塞造成的热损伤。
2、本发明通过在纳米陶瓷粉中添加一定比例的氧化钾和三氧化二硼，使该纳米陶瓷粉的熔点达到655-665℃；本发明中的纳米陶瓷粉以硅粉为主要成分，烧结过程中部分硅粉氧化成二氧化硅体积膨胀以抵消其他成分造成的体积收缩，烧结后金刚石工具尺寸变化率小于0.5％。
3、本发明通过添加特定浓度和特定体积的聚壳糖溶液，能够提高粉体浆料的粘度和储能模量，达到挤出成型的要求，且保证成形体不塌陷。
4、本发明的材料利用率高。
附图说明
图1为本发明实施例3中的不同聚壳糖含量的浆料的粘度随剪切速率变化关系图。
图2为本发明实施例3和4制备的蜂窝状金刚石工具的结构示意图。
图3为本发明实施例3中的含有不同比例的聚壳糖溶液的浆料进行浆料直写成型后的情况照片，其中，(a)28％聚壳糖溶液，(b)30％聚壳糖溶液，(c)35％聚壳糖溶液。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
(1)将硅粉、氧化钠、氧化铝、氧化钾和三氧化二硼以下表1所示的重量份用混料机在600r/min的转速下混合4h，获得纳米陶瓷粉；
表1
(2)将聚壳糖充分分散于去离子水中(利用搅拌机在800r/min的转速下搅拌90min)，获得浓度为3wt％的聚壳糖溶液；
(3)将步骤(1)制得的纳米陶瓷粉与步骤(2)所得的聚壳糖溶液混合均匀，获得浆料，该混合粉末与该聚壳糖溶液的体积比为69％∶31％；
(4)将步骤(3)制得的浆料加入浆料直写成型设备的针筒中，通过逐层叠加的方式打印成设计的形状，获得坯体；该打印的工艺参数为：针头打印速度4mm/min，喷嘴半径为1.5mm，剪切速率为10.6/s，流量120％，温度25℃；
(5)将步骤(4)制得的坯体在空气气氛下干燥48h至恒重，然后送入烧结气氛炉中，如图1所示，在空气气氛下，以2.5℃/min的升温速度从室温升温至300℃，并保温60min；接着在氩气气氛下，以4℃/min的升温速度升温至660℃，保温烧结90min；然后随炉冷却至室温，即得金刚石工具(无蜂窝状通孔)，该金刚石工具为一直径为120mm且高度为60mm的圆柱体。表1中不同配方的纳米陶瓷粉所制得的金刚石工具的性能如下表2所示：
表2
| 编号 | 尺寸变化率(％) | 抗弯强度(MPa) | 抗压强度(MPa) | 熔点(℃) |
| 1 | 0.19 | 58.6 | 51.3 | 700 |
| 2 | 0.17 | 59.5 | 53.4 | 710 |
| 3 | 0.16 | 60.2 | 54.5 | 725 |
| 4 | 0.13 | 63.7 | 58.2 | 750 |
| 5 | 0.18 | 54.4 | 48.3 | 660 |
| 6 | 0.16 | 56.3 | 51.2 | 680 |
| 7 | 0.14 | 59.8 | 54.5 | 690 |
实施例2
(1)将硅粉、氧化钠、氧化铝、氧化钾和三氧化二硼以下表3所示的重量份用混料机在600r/min的转速下混合4h，获得纳米陶瓷粉；
表3
| 序号 | 硅粉 | 氧化钠 | 氧化铝 | 氧化钾 | 三氧化二硼 |
| 1 | 65 | 6 | 12 | 3 | 11 |
| 2 | 63 | 6 | 12 | 3 | 11 |
| 3 | 61 | 6 | 12 | 3 | 11 |
| 4 | 59 | 6 | 12 | 3 | 11 |
步骤(2)至步骤(5)同实施例1，表3中不同配方的纳米陶瓷粉所制得的金刚石工具的性能如下表4所示：
表4
| 编号 | 尺寸变化率(％) | 抗弯强度(MPa) | 抗压强度(MPa) |
| 1 | 0.17 | 56.3 | 51.2 |
| 2 | 0.29 | 55.1 | 49.6 |
| 3 | 0.38 | 53.7 | 48.9 |
| 4 | 0.46 | 50.6 | 46.2 |
结合实施例1的数据，确定本发明所选用的纳米陶瓷粉的熔点为660℃，该纳米陶瓷粉的具体配方为：65重量份的硅粉、6重量份的氧化钠、12重量份的氧化铝、3重量份的氧化钾和11重量份的三氧化二硼。
实施例3
(1)将实施例2确定的纳米陶瓷粉和W10金刚石微米颗粒(10μm)以75wt％∶25wt％的比例在600r/min的转速下混合4h，获得混合粉末；
(2)将聚壳糖充分分散于去离子水中(利用搅拌机在800r/min的转速下搅拌90min)，获得浓度为3wt％的聚壳糖溶液；
(3)将步骤(1)制得的混合粉末与步骤(2)所得的聚壳糖溶液混合均匀，获得浆料，该壳聚糖溶液与该混合粉末的体积百分比分别为28％∶72％、31％∶69％和35∶65％；
(4)将步骤(3)制得的浆料加入浆料直写成型设备的针筒中，通过逐层(层厚1mm)叠加的方式打印成设计的形状，获得坯体；该打印的工艺参数为：针头打印速度4mm/s，喷嘴半径为1.5mm，剪切速率为10.6/s，流量120％，温度25℃；
(5)将步骤(4)制得的坯体在空气气氛下干燥48h至恒重，然后送入烧结气氛炉中，在氩气气氛下，以2.5℃/min的升温速度从室温升温至300℃，并保温60min，接着以4℃/min的升温速度升温至660℃，保温烧结90min；然后随炉冷却至室温，即得所述蜂窝状金刚石工具，如图2所示，该蜂窝状金刚石工具为一直径为120mm且高度为60mm的圆柱体，其上下顶面具有若干六边形蜂窝状通孔，该六边形蜂窝状通孔的边长为2mm。如图1所示，所对应的浆料的粘度依次为46524mPa·s，41862mPa·s，25763mPa·s，浆料粘度随剪切速率的增加而减小，显示出剪切变稀行为。如图3所示，本实施例中对应聚壳糖溶液的体积百分比为31％的浆料制得的金刚石工具可以稳定成型，且形状保持良好。聚壳糖溶液的体积百分比为28％的浆料粘度偏大，打印后存在部分裂纹；聚壳糖溶液的体积百分比为35％的浆料粘度偏小，打印后整体无法成型。
实施例4
(1)将实施例2确定的纳米陶瓷粉和W10金刚石微米颗粒(10μm)以75wt％∶25wt％的比例在600r/min的转速下混合4h，获得混合粉末；
(2)将聚壳糖充分分散于去离子水中(利用搅拌机在800r/min的转速下搅拌90min)，获得浓度为3wt％的聚壳糖溶液；
(3)将步骤(1)制得的混合粉末与步骤(2)所得的聚壳糖溶液混合均匀，获得浆料，该混合粉末与该壳聚糖溶液的体积比为69％∶31％；
(4)将步骤(3)制得的浆料加入浆料直写成型设备的针筒中，通过逐层(层厚1mm)叠加的方式打印成设计的形状，获得坯体；该打印的工艺参数为：针头打印速度4mm/s，喷嘴半径为1.5mm，剪切速率为10.6/s，流量120％，温度25℃；
(5)将步骤(4)制得的坯体在空气气氛下干燥48h至恒重，然后送入烧结气氛炉中，在氩气气氛下，以2.5℃/min的升温速度从室温升温至300℃，并保温60min，接着以4℃/min的升温速度升温至660℃，保温烧结90min；然后随炉冷却至室温，即得所述蜂窝状金刚石工具，如图2所示，该蜂窝状金刚石工具为一直径为120mm且高度为60mm的圆柱体，其上下顶面具有若干六边形蜂窝状通孔，该六边形蜂窝状通孔的边长为2mm。重复步骤(1)至(5)制备无六边形蜂窝状通孔的金刚石工具，将两种金刚石工具的性能进行对比，具体如下表5所示，且本实施例制得的蜂窝状金刚石工具相比无六边形蜂窝状通孔的金刚石工具，节省原材料31％。
表5
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种蜂窝状金刚石工具的浆料直写成型方法，其特征在于：
该蜂窝状金刚石工具为一直径为80-150mm且高度为50-120mm的圆柱体，其上下顶面具有若干六边形蜂窝状通孔，该六边形蜂窝状通孔的边长为2-3mm，且若干六边形蜂窝状通孔占的总面积为该圆柱体上顶面的总面积的30-40％；
具体包括如下步骤：
(1)将熔点为655-665℃的纳米陶瓷粉和金刚石微米颗粒以70-80wt％∶20-30wt％的比例充分混合，获得混合粉末；该纳米陶瓷粉的原料由64-65重量份的硅粉、5.8-6.3重量份的氧化钠、9-12重量份的氧化铝、2.9-3.3重量份的氧化钾和10-11重量份的三氧化二硼组成；
(2)将聚壳糖充分分散于去离子水中，获得浓度为2.8-3.1wt％的聚壳糖溶液；
(3)将步骤(1)制得的混合粉末与步骤(2)所得的聚壳糖溶液混合均匀，获得浆料，该混合粉末与该聚壳糖溶液的体积比为69-70％∶30-31％；
(4)将步骤(3)制得的浆料加入浆料直写成型设备的针筒中，通过逐层叠加的方式打印成设计的形状，获得坯体；
(5)将步骤(4)制得的坯体干燥至恒重，然后进行烧结，即得所述蜂窝状金刚石工具。
2.如权利要求1所述的浆料直写成型方法，其特征在于：所述金刚石微米颗粒的粒径为5-40μm。
3.如权利要求1所述的浆料直写成型方法，其特征在于：所述纳米陶瓷粉的原料由65重量份的硅粉、6重量份的氧化钠、12重量份的氧化铝、3重量份的氧化钾和11重量份的三氧化二硼组成，其熔点为660℃。
4.如权利要求1所述的浆料直写成型方法，其特征在于：所述聚壳糖溶液的浓度为3wt％。
5.如权利要求1所述的浆料直写成型方法，其特征在于：所述混合粉末与该聚壳糖溶液的体积比为69％∶31％。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的浆料直写成型方法，其特征在于：所述打印的工艺参数为：针头打印速度3-10mm/s，喷嘴半径为1.4-1.6mm，剪切速率为10-30/s，流量80-120％，温度20-35℃。
7.如权利要求6所述的浆料直写成型方法，其特征在于：所述打印的工艺参数为：针头打印速度4mm/s，喷嘴半径为1.5mm，剪切速率为10.6/s，流量120％，温度25℃。
8.如权利要求1至5中任一权利要求所述的浆料直写成型方法，其特征在于：所述烧结具体为：将干燥至恒重的坯体送入烧结气氛炉中，在氩气气氛下，以2-3℃/min的升温速度从室温升温至300-320℃，并保温50-60min，接着以3-5℃/min的升温速度升温至655-665℃，保温烧结60-90min，然后随炉冷却至室温。
9.如权利要求8所述的浆料直写成型方法，其特征在于：所述烧结具体为：将干燥至恒重的坯体送入烧结气氛炉中，送入烧结气氛炉中，在氩气气氛下，以2.5℃/min的升温速度从室温升温至300℃，并保温60min，接着以4℃/min的升温速度升温至660℃，保温烧结90min；然后随炉冷却至室温。
10.如权利要求1至5中任一权利要求所述的浆料直写成型方法，其特征在于：所述干燥为在空气中干燥20-40h。
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