阅读说明：本技术 一种制备超硬小磨头的方法 (Method for preparing superhard small grinding head ) 是由 孔帅斐 李翠 李和鑫 于 2019-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种制备超硬小磨头的方法,包括步骤：预制成型先将超硬磨料、陶瓷结合剂、造孔剂、晶须、聚乙烯醇和水混合搅拌成凝胶浆料,再将所述凝胶浆料浇筑至石膏模具中静置,获得小磨头预制坯体；高温烧结在100℃～700℃及常压下,对所述小磨头预制坯体进行烧结处理,制得小磨头烧结坯体；切割成品用激光将所述小磨头烧结坯体切割成预定尺寸的小磨头半成品及并在所述小磨头半成品上切割出小磨头柄连接孔。由上述方法制得所述超硬小磨头,所以,本发明提供的上述方法制造的超硬小磨头不但其中的磨料分布均匀,而且尺寸可控,操作简单,适合于超硬刀具在制造过程中的精准修整。(The invention provides a method for preparing a superhard small grinding head, which comprises the following steps: the method comprises the following steps of performing prefabrication molding, mixing and stirring superhard abrasive, ceramic bond, pore-forming agent, whisker, polyvinyl alcohol and water to form gel slurry, pouring the gel slurry into a gypsum mold, and standing to obtain a small grinding head prefabricated blank; sintering the small grinding head prefabricated blank at the temperature of 100-700 ℃ and under normal pressure at high temperature to obtain a small grinding head sintered blank; and cutting the small grinding head sintered blank into a small grinding head semi-finished product with a preset size by using laser and cutting a small grinding head handle connecting hole on the small grinding head semi-finished product. The superhard small grinding head manufactured by the method has the advantages of uniform abrasive distribution, controllable size and simple operation, and is suitable for precise finishing of superhard cutters in the manufacturing process.)

一种制备超硬小磨头的方法

技术领域

本发明涉及磨具加工技术领域，具体涉及一种制备超硬小磨头的方法。

背景技术

超硬刀具在制造过程中，存在不影响使用的外观缺陷，比如，外观有小突起或小面积刮痕等，此时不适宜进行大面积修整；或者超硬刀具在制造过程中，由于局部的加工缺陷无法进行大面积修整，或进行大面积修整仍然不能满足加工的要求。小磨头由于尺寸小，甚至可以小到2 mm，可以用于修整工件的不影响使用的外观缺陷或上述局部加工缺陷。但是，在超硬刀具生产过程中，由于普通小磨头硬度低的原因无法对超硬材料进行修整，需要硬度较高的超硬小磨头对金刚石、立方氮化硼等超硬材料进行修整。

现有的超硬小磨头主要是采用电镀法制备的，但是，电镀法制备的超硬小磨头上的超硬磨料在电镀过程中处于悬浮状态，无法控制其在小磨头基本表面的沉积状况，而且超硬磨料无法在基本表面均匀沉积，使得超硬磨料在基体上不能均匀分布，使用该电镀小磨头修整超硬刀具时，无法对超硬刀具施加均匀的力，进而也不能对超硬刀具的上述缺陷进行修整；超硬刀具的缺陷无法修整通常就只能废弃，增加超硬刀具的生产成本。

此外，采用电镀法制备的超硬小磨头，超硬磨料采用金属结合剂，而金属结合剂的强度有限，同时超硬磨料在基体上沉积的厚度比较小，所以如此制备出的超硬小磨头上的磨料强度有限，若超硬小磨头的尺寸比较小，则其强度会较低不能用来修整超硬刀具，所以电镀法制备的超硬小磨头的尺寸无法做到比较小。

发明内容

有鉴于此，本发明确有必要提供一种制备超硬小磨头的方法，以解决上述问题。

本发明通过采用低温陶瓷结合剂和溶胶凝胶法相结合，利用浇筑法和烧结法制备出超硬小磨头。具体地，本发明提供一种制备超硬小磨头的方法，包括步骤：

预制成型先将超硬磨料、陶瓷结合剂、造孔剂、晶须、聚乙烯醇和水混合搅拌成凝胶浆料，再将所述凝胶浆料浇筑至石膏模具中静置，获得小磨头预制坯体；

高温烧结在100℃～700℃及常压下，对所述小磨头预制坯体进行烧结处理，制得小磨头烧结坯体；

切割成品用激光将所述小磨头烧结坯体切割成预定尺寸的小磨头半成品及并在所述小磨头半成品上切割出小磨头柄连接孔。

基于上述，所述凝胶浆料包括：超硬磨料浓度为100%～150%，所述陶瓷结合剂450～550 g，所述晶须3～8 g且粒径0.5～3 μm，所述造孔剂1～3 g且粒径2～4 μm，聚乙烯醇50～70 g，水450～550 ml。

基于上述，所述超硬磨料为金刚石或立方氮化硼。

基于上述，所述晶须为氧化铝晶须、碳纳米管、石墨烯、氮化硅晶须或碳化硅晶须，主要是为了增加所述超硬小磨头的强度。

基于上述，所述造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、精萘、焦炭、木粉和碳酸钠中的一种或几种。所述造孔剂主要是在后续所述高温烧结的过程中发生反应形成气体，从而在小磨头表面形成微孔结构，以增加小磨头的表面积。

基于上述，所述陶瓷结合剂由以下质量份的原料组成：氧化铝14-16份、碳酸钾3-5份、碳酸钠8-10份、硼酸8-20份、氧化硅46-48份、碳酸锂2-4份和氧化钙0-2份。

基于上述，所述陶瓷结合剂的制备方法包括：将所述陶瓷结合剂的原料混合后置于熔炼炉中在1200℃～1400℃熔融，然后用水急冷制得玻璃料；对所述玻璃料进行球磨处理，过300目筛，烘干，制得所述陶瓷结合剂。其中，所述陶瓷结合剂的原料混合后应进行多次熔融和水急冷处理，以便其中的原料充分均匀混合。该步骤中，所述玻璃料进行球磨的目的主要是为了破碎玻璃料制得符合要求的陶瓷结合剂颗粒，所以，所述玻璃料可以采用干式球磨法或湿式球磨法，优选地，采用湿式球磨法，其中，湿式球磨法可以采用水、酒精或丙酮等作为介质。

基于上述，所述石膏模具是由石膏板拼接成长方体形的器具。其中，所述石膏模具的材质为石膏，具有吸水性，能够吸收凝胶浆料中的水分，并使凝胶浆料定型；另外，石膏板易得、价格便宜，容易拼接成预定形状，使得所述石膏模具的制作方便而且成本低。

基于上述，所述高温烧结的步骤包括：将所述小磨头预制坯体置于马弗炉中，先在45～75 min内从室温升至100℃～120℃，并第一次恒温45～75 min；然后在45～75 min内升温至400℃～450℃，并第二次恒温100～150 min；之后在45～75 min内升温至630℃～700℃，并第三次恒温100～150 min；最后在150～200 min内降至室温，制得所述小磨头烧结坯体。

所述超硬小磨头在制备过程中，加入一定量的聚乙烯醇作为临时粘结剂能够增加所述凝胶浆料的粘性，使所述凝胶浆料的粘度保持在适度范围内，呈凝胶状，也使得所述石膏模具能够吸附浇筑其中的凝胶浆料中的水分，使凝胶浆料凝固成型，制得所述小磨头预制坯体；所述小磨头预制坯体在100℃～700℃的温度下烧结，其中的聚乙烯醇和所述造孔剂被分解或氧化成气体挥发掉，从而在所述小磨头烧结坯体上形成大量微孔；所述小磨头烧结坯体采用激光可以切割成任意尺寸。

所以，与现有技术相比，本发明提供的上述制备超硬小磨头的方法通过在预制成型的步骤中将所有原料均匀搅拌混合成凝胶浆料，且所述超硬磨料均匀分散其中，再利用浇筑法使所述凝胶浆料在石膏模具中静置制得小磨头预制坯体，该小磨头预制坯体经过常压下的高温烧结处理，并利用激光切割处理，从而制得所述超硬小磨头，该制备方法简单，容易工业化实施。由于所述超硬磨料均匀分散在所述凝胶浆料中，该凝胶浆料经过静置和高温烧结后，所述超硬磨料均匀分散在所述小磨头烧结坯体中，进而所述超硬磨料能够均匀分散在所述超硬小磨头中，所以，所述超硬小磨头在使用过程中，可以对超硬刀具施加均匀的压力，从而能够对超硬刀具进行修整，尤其是对不影响超硬刀具使用的缺陷进行修整，进而降低了超硬刀具的生产成本。

本发明提供的上述方法制备的超硬小磨头中的超硬磨料采用粘结强度大的陶瓷粘结剂，可以使得小磨头烧结坯体自身具有足够的强度和自支撑性能，即使用激光将其切割到比较小的尺寸，如2 mm，仍具有较高的强度，所以，本发明提供的上述制备超硬小磨头的方法不但能够控制小磨头的尺寸，还能将小磨头的尺寸做到比较小。

因此，本发明提供的上述方法制造的超硬小磨头不但其中的磨料分布均匀，而且尺寸可控，操作简单，适合超硬刀具在制造过程中的精准修整，避免或减少超硬刀具因不影响使用的外观缺陷或加工缺陷被废弃，有利于降低超硬刀具的生产成本。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种制备金刚石超硬小磨头的方法，包括以下步骤：

制备陶瓷结合剂 将所述陶瓷结合剂的原料混合后置于熔炼炉中在1350℃进行熔融处理，然后用水急冷制得初始玻璃料；将制得的所述初始玻璃料烘干后再按照上述操作进行一次熔融处理及水急冷处理，制得二次玻璃料，以便所述陶瓷结合剂的原料混合更加均匀；采用球磨机并以水为介质对所述二次玻璃料进行湿式球磨，球磨所用球为氧化锆陶瓷球，氧化锆陶瓷球的比例为直径分别为6 mm、8 mm和10 mm，比例为1:2:3，球磨后过300目筛网，然后烘干得到陶瓷结合剂粉体；其中，所述陶瓷结合剂由以下质量份的原料组成：氧化铝15份、碳酸钾4份、碳酸钠9份、硼酸14份、氧化硅47份、碳酸锂3份和氧化钙1份；

预制成型先将制备超硬小磨头的原料混合搅拌1 h获得凝胶浆料；将石膏板拼接成长方体形石膏模具，再将所述凝胶浆料浇筑至石膏模具中静置，所述石膏模具吸收所述凝胶浆料中的水分，使得所述凝胶浆料凝固成型，制得小磨头预制坯体；其中，所述凝胶浆料包括：金刚石浓度为100%，所述陶瓷结合剂500 g，1 μm氧化铝晶须5 g，平均粒径3 μm的PMMA造孔剂2 g，聚乙烯醇50 g，水500 ml；

高温烧结将所述小磨头预制坯体置于马弗炉中，先在60 min内从室温升至100℃，并于100℃恒温60 min，以进一步除去小磨头预制坯体中的水分；然后在60 min内升温至420℃，并于420℃恒温120 min，使小磨头预制坯体中的PMMA和聚乙烯醇被氧化分解形成气体挥发于环境中；之后在60 min内升温至650℃，并于650℃恒温120 min使小磨头预制坯体中剩余的原料烧结在一起；最后在180 min内从650℃降至室温，制得所述小磨头烧结坯体；

切割成品用激光将所述小磨头烧结坯体切割成粒径5 mm的小磨头半成品及并在所述小磨头半成品上切割出小磨头柄连接孔，用于安置小磨头柄，该小磨头柄为金属棒。

实施例2

本实施例提供一种制备金刚石超硬小磨头的方法，包括以下步骤：

制备陶瓷结合剂 将所述陶瓷结合剂的原料混合后置于熔炼炉中在1250℃进行熔融处理，然后用水急冷制得初始玻璃料；将制得的所述初始玻璃料烘干后再按照上述操作进行一次熔融处理及水急冷处理，制得二次玻璃料，以便所述陶瓷结合剂的原料混合更加均匀；采用球磨机并以水为介质对所述二次玻璃料进行湿式球磨，球磨所用球为氧化锆陶瓷球，氧化锆陶瓷球的比例为直径分别为6mm、8mm和10mm，比例为1:2:3，球磨后过300目筛网，然后烘干得到陶瓷结合剂粉体；其中，所述陶瓷结合剂由以下质量份的原料组成：氧化铝15份、碳酸钾4份、碳酸钠9份、硼酸14份、氧化硅48份和碳酸锂3份；

预制成型先将制备超硬小磨头的原料混合搅拌1 h获得凝胶浆料；将石膏板拼接成长方体形石膏模具，再将所述凝胶浆料浇筑至石膏模具中静置，所述石膏模具吸收所述凝胶浆料中的水分，使得所述凝胶浆料凝固成型，制得小磨头预制坯体；其中，所述凝胶浆料包括：金刚石浓度150%，所述陶瓷结合剂450 g，1 μm碳纳米管5 g，平均粒径3 μm的焦炭造孔剂3 g，聚乙烯醇70 g，水500 ml。

高温烧结将所述小磨头预制坯体置于马弗炉中，先在75 min内从室温升至120℃，并于120℃恒温60 min，以进一步除去小磨头预制坯体中的水分；然后在75 min内升温至450℃，并于450℃恒温120 min，使小磨头预制坯体中的焦炭和聚乙烯醇被氧化分解形成气体挥发于环境中；之后在75 min内升温至680℃，并于680℃恒温120 min使小磨头预制坯体中剩余的原料烧结在一起；最后在180 min内从680℃降至室温，制得所述小磨头烧结坯体；

切割成品用激光将所述小磨头烧结坯体切割成粒径3 mm的小磨头半成品及并在所述小磨头半成品上切割出用于小磨头柄安装的小磨头柄连接孔。

实施例3

本实施例提供一种制备立方氮化硼超硬小磨头的方法，包括以下步骤：

制备陶瓷结合剂 将所述陶瓷结合剂的原料混合后置于熔炼炉中在1300℃进行熔融处理，然后用水急冷制得初始玻璃料；将制得的所述初始玻璃料烘干后再按照上述操作进行一次熔融处理及水急冷处理，制得二次玻璃料，以便所述陶瓷结合剂的原料混合更加均匀；采用球磨机并以水为介质对所述二次玻璃料进行湿式球磨，球磨所用球为氧化锆陶瓷球，氧化锆陶瓷球的比例为直径分别为6mm、8mm和10mm，比例为1:2:3，球磨后过300目筛网，然后烘干得到陶瓷结合剂粉体；其中，所述陶瓷结合剂由以下质量份的原料组成：氧化铝14、碳酸钾5、碳酸钠8、硼酸18、氧化硅48、碳酸锂4和氧化钙2；

预制成型先将制备超硬小磨头的原料混合搅拌1 h获得凝胶浆料；将石膏板拼接成长方体形石膏模具，再将所述凝胶浆料浇筑至石膏模具中静置，所述石膏模具吸收所述凝胶浆料中的水分，使得所述凝胶浆料凝固成型，制得小磨头预制坯体；其中，所述凝胶浆料包括：立方氮化硼浓度为100%，所述陶瓷结合剂500 g，1 μm石墨烯5 g，平均粒径3 μm的PMMA造孔剂3 g，聚乙烯醇60 g，水500 ml。

高温烧结将所述小磨头预制坯体置于马弗炉中，先在60 min内从室温升至100℃，并于100℃恒温60 min，以进一步除去小磨头预制坯体中的水分；然后在60 min内升温至450℃，并于450℃恒温120 min，使小磨头预制坯体中的PMMA和聚乙烯醇被氧化分解形成气体挥发于环境中；之后在60 min内升温至700℃，并于700℃恒温120 min使小磨头预制坯体中剩余的原料烧结在一起；最后在180 min内从700℃降至室温，制得所述小磨头烧结坯体；

切割成品用激光将所述小磨头烧结坯体分别切割成粒径7 mm和2 mm小磨头半成品及并在所述小磨头半成品上切割出小磨头柄连接孔，用于安装小磨头柄。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。