一种晶簇型无机结合剂及其制备方法
阅读说明：本技术 一种晶簇型无机结合剂及其制备方法 (Cluster type inorganic bonding agent and preparation method thereof ) 是由 谢德龙 潘晓毅 林峰 肖乐银 陈超 陈家荣 莫培程 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种晶簇型无机结合剂及其制备方法,该结合剂按重量百分比计,由以下组分制成：SiO-220～60wt％、Al-2O-35～23wt％、B-2O-35～15wt％、K-2O 1～5wt％、Li-2O 1～8wt％、Na-2O 0～8wt％、ZnO 1～4wt％、BaO 0～5wt％、MgO 0～5wt％、晶簇成核剂1～7wt％。本发明在熔炼过程中利用先在高温下熔炼再急速降温至相对较低的温度下保温一段时间再水淬的过冷条件使熔融态材料成核,形成大量微小的形核点,再结合阶梯式升温的烧结过程使硅酸盐氧阴离子基团沉积、堆垛在形核点上,形成类似络合型的“晶簇”结构,从而实现微晶玻璃的增强增韧。(The invention discloses a crystal cluster type inorganic bonding agent and a preparation method thereof, wherein the bonding agent is prepared from the following components in percentage by weight: SiO 2 2 20～60wt％、Al 2 O 3 5～23wt％、B 2 O 3 5～15wt％、K 2 O 1～5wt％、Li 2 O 1～8wt％、Na 2 0-8 wt% of O, 1-4 wt% of ZnO, 0-5 wt% of BaO, 0-5 wt% of MgO and 1-7 wt% of a cluster nucleating agent. In the smelting process, the molten material is nucleated to form a large number of micro nucleation points by utilizing the supercooling condition that the molten material is firstly smelted at a high temperature, then rapidly cooled to a relatively low temperature, kept warm for a period of time and then quenched by water, and then the silicate oxygen is combined with the sintering process of stepped temperature rise to ensure that the silicate oxygen is oxidizedAnion groups are deposited and stacked on nucleation points to form a complex-type 'crystal cluster' structure, so that the reinforcement and toughening of the glass ceramics are realized.)
技术领域
本发明涉及超硬材料结合剂，具体涉及一种晶簇型无机结合剂及其制备方法。
背景技术
超硬材料磨具主要是指以金刚石或立方氮化硼为磨粒，借助于金属、陶瓷无机物或树脂等结合剂，制备出的一种具有一定形状和强度的磨削工具。相对于金属结合剂和树脂结合剂，陶瓷无机结合剂制品具有加工效率高、形貌保持性好、自锐性强、高温稳定性好等突出优点，在磨削加工领域有着广泛的应用。
在当前的陶瓷无机结合剂超硬磨具中，通用型的陶瓷结合剂主体成分是玻璃。由于玻璃是脆性材料，强度较差，用作结合剂后超硬磨块的整体强度不足，不能完全胜任高速超高速磨削要求，并且玻璃易软化，因此烧结过程必须严格控制烧结工艺，否则容易造成烧结块的变形，影响磨具的整体质量。超硬磨具也有部分使用微晶玻璃结合剂，其通常是通过后期烧结工艺使其析出晶粒，用于强化磨具性能，其析晶量和晶粒尺寸对磨具性能影响较大。
公开号为CN106219983A的发明专利，公开了一种低烧结温度微晶玻璃结合剂，具体是由以下质量百分比的组分组成：SiO2 50～70％，B2O3 3～10％，Al2O3 10～25％，Na2O0.5～5％，MgO 2～8％，Li2O 1～10％，ZrO2 1～5％，TiO2 1～5％，La2O3 1～3％，Sb2O3 1～3％；制备方法包括：1)各原料混合后于1200～1400℃条件下熔融，经水淬、干燥、研磨，得玻璃粉体；2)所得玻璃粉体在830～850℃条件下烧结析晶，得微晶玻璃粉体；3)所得微晶玻璃粉体进行高能球磨(转速不低于1200r/min，时间不低于75min)，即得微晶玻璃结合剂。该发明通过调节配方结合先整体制成微晶玻璃再高能球磨制成微晶玻璃结合剂的方法降低粘合剂的烧结温度，且烧结后具有较高的抗弯强度，由其中图8可知，850℃烧结时抗弯强度约为62MPa。但该发明在进行烧结之后还需要增加一道高能球磨工序，工艺复杂且能耗高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、自身抗弯强度高的晶簇型无机结合剂及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种晶簇型无机结合剂，按重量百分比计，由以下组分制成：
SiO2 20～60wt％、Al2O3 5～23wt％、B2O3 5～15wt％、K2O 1～5wt％、Li2O 1～8wt％、Na2O 0～8wt％、ZnO 1～4wt％、BaO 0～5wt％、MgO 0～5wt％、晶簇成核剂1～7wt％。
上述晶簇型无机结合剂的配方中，SiO2作为配方中的基质网络形成体，除SiO2和晶簇成核剂之外的组分均为改性成分，SiO2、改性成分和晶簇成核剂的总量之和为100％。所述的晶簇成核剂为现有技术中的常规选择，具体可以是选自ZrO2、TiO2和P2O5中的一种或两种以上任意配比的组合。
上述各组分的配比优选为：
SiO2 25～40wt％、Al2O3 15～23wt％、B2O3 8～12wt％、K2O 1～2wt％、Li2O 3～6wt％、Na2O 3～5wt％、ZnO 2～4wt％、BaO 2～4wt％、MgO 1～3wt％、晶簇成核剂3～6wt％。
上述晶簇型无机结合剂的制备方法，包括：先按配方称取各组分，混合均匀后进行熔炼，然后进行水淬、球磨，所得物料再进行烧结，即得到所述的晶簇型无机结合剂；其中：
所述熔炼的工艺为：先升温至1350～1600℃保温60～180min，然后降温至1200～1480℃保温30～60min；
所述烧结的工艺为：先升温至80～120℃保温30～180min，然后升温至200～300℃保温10～180min，之后升温至600～700℃保温60～120min，再升温至700～850℃保温90～240min。
上述制备方法的熔炼工艺中，优选是以3～10℃/min的速率升温至1350～1600℃，之后在降温时，再以于大于升温时的速率降温至1200～1480℃。进一步优选是以5～15℃/min的速率温至1200～1480℃。
上述制备方法的烧结工艺中，各阶段升温的速率优选控制在1～5℃/min。
上述制备方法中，完成水淬后直接将物料进行球磨，优选是控制球磨后得到水淬结合剂的粒度范围为0.01～50μm。
本发明所述粘合剂应用于超硬材料磨具时，其与超硬磨料(金刚石或立方氮化硼等)的配比与现有技术相同，通常为24～35wt％：65～76wt％。在将粘合剂与超硬磨料混合均匀后制备超硬材料磨具时采用的烧结工艺与结合剂的烧结工艺保持一致。
与现有技术相比，本发明在熔炼过程中利用先在高温下熔炼再急速降温至相对较低的温度下保温一段时间再水淬的过冷条件使熔融态材料成核，形成大量微小的形核点，然后再结合后续阶梯式升温的烧结过程使硅酸盐氧阴离子基团沉积、堆垛在形核点上，形成类似络合型的“晶簇”结构，从而实现微晶玻璃的增强增韧，最终获得自身抗弯强度优良且对超硬磨料把持力好的粘合剂。与传统的纯粹依靠后期烧结进行析晶的结合剂相比，本发明所述方法制备的粘合剂具有晶核数量更多更微小，形核及晶粒尺寸易控制等优点。
附图说明
图1为本发明实施例2制得的结合剂与市面上某品牌陶瓷结合剂进行烧结后所得试样的断口的扫描电镜图，其中(a)为市面上某品牌陶瓷结合剂；(b)为实施例2制得的结合剂。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述，以更好地理解本发明的内容，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：制备用于金刚石磨具的高硅型无机结合剂
①配方：
SiO2 60wt％、Al2O3 5wt％、B2O3 15wt％、K2O 1wt％、Li2O 1wt％、Na2O 8wt％、ZnO1wt％、BaO 1wt％、MgO 1wt％、ZrO2 4wt％、TiO2 3wt％。
②制备方法：
将上述原材料分别研磨过100目筛网，然后按化学配比称料，搅拌均匀后再次过3次100目筛网，最后将筛后原材料装于氧化铝坩锅内，放于高温熔炼炉内熔炼，熔炼工艺为：先以10℃/min的升温速率加热至1350℃，保温60min；然后以15℃/min的速率降至1200℃，保温30min后快速倒料，淬水、球磨得到一定粒度的水淬结合剂(50μm)。将球磨后的物料进行烧结，烧结工艺为：先以1℃/min的升温速率至120℃，保温30min；然后以3℃/min的升温速率至200℃，保温10min；之后以5℃/min的升温速率至600℃，保温60min；再以1℃/min的升温速率至750℃，保温90min；保温结束后随炉自然冷却，完成烧结，得到所述的晶簇型无机结合剂。
将本实施例制备的粘合剂和市面上常见的某品牌陶瓷结合剂进行烧结后的试样块的三点抗拉强度进行测试，结果如下述表1所示。
再将本实施例制备的粘合剂和市面上常见的某品牌陶瓷结合剂分别与金刚石(80/100目)按30wt％：70wt％进行配比后再按本实施例的烧结工艺进行烧结后所得的试样块的三点抗拉强度进行测试，结果如下述表1所示。
表1：
由表1可知，从实施效果来看，本发明所述结合剂无论是自身强度或是在烧结后对金刚石颗粒的固结能力，都有明显提升。
实施例2：制备用于立方氮化硼(cBN)磨具的高铝型无机结合剂
①配方：
SiO2 20wt％、Al2O3 23wt％、B2O3 15wt％、K2O 5wt％、Li2O 8wt％、Na2O 8wt％、ZnO4wt％、BaO 5wt％、MgO 5wt％、ZrO2 2wt％、TiO2 3wt％、P2O5、2wt％。
②制备方法：
将上述原材料分别研磨过100目筛网，然后按化学配比称料，搅拌均匀后再次过3次100目筛网，最后将筛后原材料装于氧化铝坩锅内，放于高温熔炼炉内熔炼，熔炼工艺为：先以3℃/min的升温速率加热至1600℃，保温180min；然后以5℃/min速率降至1480℃，保温60min后快速倒料，淬水、球磨得到一定粒度的水淬结合剂(15μm)。将球磨后的物料进行烧结，烧结工艺为：先3℃/min升温速率至80℃，保温180min；然后以5℃/min升温速率至300℃，保温180min；之后以1℃/min升温速率至700℃，保温120min；再以5℃/min升温速率至850℃，保温240min；保温结束后随炉自然冷却，完成烧结，得到所述的晶簇型无机结合剂。
将本实施例制备的粘合剂和市面上常见的某品牌陶瓷结合剂进行烧结后的试样块的三点抗拉强度进行测试，结果如下述表2所示。所得试样断口的形貌如图1所示。图由1可知，普通陶瓷结合剂烧结后的试样断口呈光滑致密状，只存在部分在烧结过程中由于收缩引起的圆型孔。而本发明所述晶簇型结合剂形成了大量微细分布的斑点状颗粒，这是硅酸盐离子不断形核-沉积-堆垛形成的典型“簇型”结构。
再将本实施例制备的粘合剂和市面上常见的某品牌陶瓷结合剂分别与cBN磨料(100/120目)按30wt％：70wt％进行配比后再按本实施例的烧结工艺进行烧结后所得的试样块的三点抗拉强度进行测试，结果如下述表2所示。
表2：
由表2可知，从实施效果上看，本发明所述结合剂无论是自身强度或是在烧结后对cBN磨料的固结能力，都有明显提升。
实施例3：制备用于精密磨削加工用金刚石工具陶瓷结合剂
①配方：
SiO2 45wt％、Al2O3 15wt％、B2O3 10wt％、K2O 1wt％、Li2O 4wt％、Na2O 5wt％、ZnO4wt％、BaO 5wt％、MgO 5wt％、ZrO2 2wt％、TiO2 4wt％。
②制备方法：
将上述原材料分别研磨过100目筛网，然后按化学配比称料，搅拌均匀后再次过3次100目筛网，最后将筛后原材料装于氧化铝坩锅内，放于高温熔炼炉内熔炼，熔炼工艺为：先以5℃/min的升温速率加热至1400℃，保温120min；然后以12℃/min速率降至1250℃，保温40min后快速倒料，淬水、球磨得到一定粒度的水淬结合剂(0.01μm)。将球磨后的物料进行烧结，烧结工艺为：先2℃/min升温速率至100℃，保温50min；然后以5℃/min升温速率至250℃，保温100min；之后以3℃/min升温速率至650℃，保温80min；再以5℃/min升温速率至730℃，保温120min；保温结束后随炉自然冷却，完成烧结，得到所述的晶簇型无机结合剂。
将本实施例制备的粘合剂和市面上常见的某品牌陶瓷结合剂进行烧结后的试样块的三点抗拉强度进行测试，结果如下述表3所示。
再将本实施例制备的粘合剂和市面上常见的某品牌陶瓷结合剂分别与金刚石微粉(5μm)按28wt％：72wt％进行配比后再按本实施例的烧结工艺进行烧结后所得的试样块的三点抗拉强度进行测试，结果如下述表3所示。
表3：
由表3可知，从实施效果上看，本发明所述结合剂无论是自身强度或是在烧结后对cBN磨料的固结能力，都有明显提升。