一种陶瓷结合剂及其制备方法、磨具
阅读说明：本技术 一种陶瓷结合剂及其制备方法、磨具 (Ceramic bonding agent, preparation method thereof and grinding tool ) 是由 刘元峰 张国威 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种陶瓷结合剂及其制备方法、磨具,属于磨料磨具技术领域。本发明的陶瓷结合剂,由以下重量份数的组分组成：由以下重量份数的组分组成：SiO-238～60份、Al-2O-34～15份、B-2O-314～30份、Na-2O 7～14份、Li-2O 2～8份、ZrO-23～10份和氮化物5～20份。本发明的陶瓷结合剂,既保持了以往陶瓷结合剂优良的自锐性、整形性和修整性,又改进了以往陶瓷结合剂强度和韧性的不足,可用于制备高强度高韧性的陶瓷结合剂磨具。(The invention relates to a ceramic bond, a preparation method thereof and a grinding tool, and belongs to the technical field of grinding materials and grinding tools. The ceramic bonding agent disclosed by the invention comprises the following components in parts by weight: the composition comprises the following components in parts by weight: SiO 2 2 38 to 60 portions of Al 2 O 3 4 to 15 parts of B 2 O 3 14 to 30 portions of Na 2 7 to 14 parts of O and Li 2 O2-8 parts, ZrO 2 3 to 10 parts and 5 to 20 parts of nitride. The ceramic bond not only maintains the excellent self-sharpening, shaping and trimming properties of the traditional ceramic bond, but also improves the defects of the strength and toughness of the traditional ceramic bond, and can be used for preparing a high-strength high-toughness ceramic bond grinding tool.)
技术领域
本发明涉及一种陶瓷结合剂及其制备方法、磨具，属于磨料磨具技术领域。
背景技术
传统磨具在制备时需要使用具有适当硬度和组织的结合剂把磨粒固结成型为所要求的形状、尺寸。陶瓷结合剂、树脂结合剂、橡胶结合剂、金属结合剂、电镀结合剂是制备磨具常用的结合剂，可分别制成各种结合剂特有的硬度和组织的磨具。其中陶瓷结合剂既可用于制造以刚玉、碳化硅等作为磨料的普通磨具，也可用于制造以金刚石和立方氮化硼作为磨料的超硬磨具，应用很广泛。
陶瓷结合剂属于玻璃质结合剂，具有脆性较大、易破碎的特点，因而采用陶瓷结合剂的磨具一般具有较好的自锐性、整形性和修整性，在磨加工过程中，能保持良好的锋利度且不易引起堵塞，还能直接在磨床或车床上进行整形和修整，提高加工效率。但脆性大的特点，也使陶瓷结合剂的强度和韧性较差，如现有技术中，申请公布号为CN109015418A的中国发明专利申请中公开了一种陶瓷结合剂，由以下质量百分比的组分组成：二氧化硅50～60％，氧化铝10～15％，氧化硼15～25％，氧化锆1～5％，氧化钠5～10％，氧化锂2～6％。采用上述现有的陶瓷结合剂制得的砂轮使用寿命短，并且这些陶瓷结合剂也无法作为制造厚度≤0.5mm的薄片砂轮的结合剂。
发明内容
本发明的目的是提供一种强度高、韧性好的陶瓷结合剂。
本发明还提供了一种工艺简单的陶瓷结合剂的制备方法。
本发明还提供了一种磨具，采用上述的陶瓷结合剂，具有强度高、韧性好的优点。
为了实现以上目的，本发明的陶瓷结合剂所采用的技术方案是：
一种陶瓷结合剂，由以下重量份数的组分组成：SiO2 38～60份、Al2O3 4～15份、B2O3 14～30份、Na2O 7～14份、Li2O 2～8份、ZrO2 3～10份和氮化物5～20份。
本发明的陶瓷结合剂，通过在SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、Li2O中同时掺入ZrO2和氮化物，其中氧化锆具有相变增韧作用，原因在于陶瓷结合剂在制备时历经高温冷却的过程中，温差诱导氧化锆从四方相转变为单斜相，均匀分散在陶瓷结合剂内部的氧化锆颗粒产生体积变化，使陶瓷结合剂内部产生分布均匀的微裂纹，当采用本发明的陶瓷结合剂的磨具受力时，主裂纹扩展过程中碰到原有微裂纹会分叉和改变方向，从而分散主裂纹尖端能量，提高了断裂能，起到相变增韧的作用。氮化物的加入起到了弥散增强作用，原因在于氮化物的硬度和弹性模量较高并且均匀分散在陶瓷结合剂中，采用本发明的陶瓷结合剂的磨具受力产生裂纹时，裂纹扩展过程中碰到氮化物颗粒，便会受到阻碍而停止扩展，从而起到弥散增强作用。因此，ZrO2和氮化物的加入可以极大提高采用本发明的陶瓷结合剂的磨具的韧性和强度，并且采用本发明的陶瓷结合剂可成功制造厚度≤0.5mm的薄片陶瓷砂轮。
本发明的陶瓷结合剂，既保持了以往陶瓷结合剂优良的自锐性、整形性和修整性，又改进了以往陶瓷结合剂强度和韧性不足的缺点，可用于制备高强度高韧性的陶瓷结合剂磨具。本发明的陶瓷结合剂既可用于普通磨料磨具的制造，也可用于超硬金刚石、CBN磨具的制造。
为了进一步提高陶瓷结合剂的强度和韧性性能，优选的，上述的陶瓷结合剂，由以下重量份数的组分组成：SiO2 38～60份、Al2O3 4～15份、B2O3 14.1～30份、Na2O 7～13份、Li2O 2.4～8份、ZrO2 3～10份和氮化物5～20份。例如上述的陶瓷结合剂可由以下重量份数的组分组成：SiO2 42～52份、Al2O3 8～11份、B2O3 14～22份、Na2O 7～11份、Li2O 2～4份、ZrO2 3～4份和氮化物10～13份。
所述氮化物可以为各种耐高温分解的无机氮化物。优选的，所述氮化物选自AlN、TiN、BN、Si3N4中的一种或任意组合。进一步的，所述氮化物为AlN、TiN、BN、Si3N4的组合；AlN、TiN、BN、Si3N4的质量比为2～4:3～4:2～3:3。进一步的，上述的陶瓷结合剂由以下重量份数的组分组成：SiO2 42份、Al2O3 8份、B2O3 21.4份、Na2O 10.5份、Li2O 3.2份、ZrO2 4份、AlN 4份、TiN 3份、BN 3份和Si3N4 3份。
优选的，所述陶瓷结合剂的粒径为38～48μm。
本发明的陶瓷结合剂的制备方法所采用的技术方案为：
一种上述的陶瓷结合剂的制备方法，包括以下步骤：取SiO2、Al2O3、B2O3前驱体、Na2O前驱体、Li2O前驱体、ZrO2和氮化物研磨均匀后，熔炼、急冷，得到玻璃料，将得到的玻璃料进行研磨，然后过筛，即得。
本发明的陶瓷结合剂的制备方法，工艺简单，便于推广应用。取料时可根据陶瓷结合剂的组成计算出B2O3前驱体、Na2O前驱体、Li2O前驱体的用量。
优选的，所述B2O3前驱体为H3BO3。所述Na2O前驱体为Na2CO3。所述Li2O前驱体为Li2CO3。采用H3BO3、Na2CO3、Li2CO3分别作为B2O3、Na2O和Li2O的前驱体在熔炼过程发生分解，生成的B2O3、Na2O和Li2O保留在体系中。
所述研磨可以采用本领域常用的研磨方法，如球磨、砂磨等。熔炼前进行的研磨、对玻璃料进行的研磨均优选为球磨。对玻璃料进行球磨时采用的料球比优选为1:1.5～3.5，装机容量为70～80％，球磨时间为60～80h。对玻璃料进行球磨时采用的磨球优选为刚玉球。
优选的，所述熔炼的温度为1350～1400℃。所述熔炼的时间为30～50min。
优选的，上述的陶瓷结合剂的制备方法，还包括以下步骤：在将玻璃料进行研磨前，将玻璃料进行干燥处理；所述急冷为水淬；所述干燥处理是将玻璃料在100～140℃保温6～10h，然后自然冷却至室温。
本发明的磨具所采用的技术方案为：
一种磨具，包括结合剂和磨料；所述结合剂为上述的陶瓷结合剂。
本发明的磨具属于陶瓷结合剂磨具，陶瓷结合剂磨具的强度主要取决于陶瓷结合剂本身的强度高低和结合剂与磨粒间的结合强度，而陶瓷结合剂的化学组成是影响结合剂自身强度以及结合剂桥与磨粒连接强度的决定性因素。本发明的磨具采用上述的陶瓷结合剂，可以极大地提高磨具的强度和韧性。
所述磨料可以为磨料磨具领域的任何磨料，如磨料为金刚石、立方氮化硼、刚玉、碳化硅中的一种或任意组合。进一步的，刚玉为白刚玉、单晶刚玉、微晶陶瓷刚玉(SG磨料)中的一种或任意组合。
优选的，所述结合剂与磨料的质量比10～20:80～90。
具体实施方式
以下结合具体实施方式本发明的技术方案作进一步的说明。
陶瓷结合剂的实施例
实施例1～6
实施例1～6的陶瓷结合剂均由SiO2份、Al2O3、B2O3、Na2O、Li2O、ZrO2和氮化物组成。各实施例的陶瓷结合剂中氮化物的具体物质、各组分的重量份数以及陶瓷结合剂的平均粒径见表1。
表1实施例1～6的陶瓷结合剂的组成及粒径
以上实施例1～6中的陶瓷结合剂均可以采用下述实施例7～9中的方法进行制备。
陶瓷结合剂的制备方法的实施例
实施例7
本实施例的陶瓷结合剂的制备方法，包括以下步骤：
1)混料：取SiO2、Al2O3、H3BO3、Na2CO3、Li2CO3、ZrO2和氮化物，在球磨机中混合均匀，2h后过筛，得到混合料；
2)熔炼、水淬：将步骤1)中制得的混合料倒入坩埚中，放入高温炉加热至1380℃，保温40分钟后取出倒入水中，得到玻璃料；
3)干燥：将步骤2)中制得的玻璃料在140℃条件下保温8h，自然冷却至室温；
4)球磨：将步骤3)中干燥后的玻璃料同刚玉瓷球一起放入球磨机进行球磨，其中料球质量比为1:3，装机容量为75％，球磨时间为72h。
5)过筛：将步骤(4)中球磨好的玻璃料过300目筛网，即得到陶瓷结合剂。
实施例8
本实施例的陶瓷结合剂的制备方法，与实施例7中的陶瓷结合剂的制备方法的区别仅在于：
步骤2)中，熔炼过程中保温的温度为1350℃，保温的时间为50min；
步骤3)中，干燥时采用的温度为100℃，时间为10h；
步骤4)中，球磨的装机容量为70％。
实施例9
本实施例的陶瓷结合剂的制备方法，与实施例7中的陶瓷结合剂的制备方法的区别仅在于：
步骤2)中，熔炼过程中保温的温度为1400℃，保温的时间为30min；
步骤3)中，干燥时采用的温度为140℃，时间为6h；
步骤4)中，球磨的装机容量为80％。
磨具的实施例
实施例10～16
实施例10～16的磨具，均包括磨料和陶瓷结合剂，具体采用的磨料及陶瓷结合剂的种类见表2。实施例10～16的磨具均采用包括以下步骤的方法进行制备：首先称取磨料，加入适量糊精液混合均匀，再加入制备好的陶瓷结合剂，均匀混合过筛制备出成型料，然后在液压机台上成型，接着在窑炉内烧成，最后加工成磨具成品。
表2实施例10～16的磨具采用的磨料和陶瓷结合剂
实验例
分别对实施例10～16中的磨具的抗折强度、断裂韧性KIC值进行测试，并比较与市场上同等规格的磨具在相同磨削条件下的磨削效率和使用寿命进行对比，结果见表4。
其中，抗折强度测试采用三点弯曲法(ASTM C1161 Standard Test Method forFlexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature)，在通用万能材料试验机上进行测试，试件尺寸为18mm×18mm×100mm的长方柱体；
断裂韧性KIC值采用三点弯曲试样法(ASTM C1421 Standard Test MethodsforDetermination of Fracture Toughness of Advanced Ceramics at AmbientTemperature)，在通用万能材料试验机上进行测试，试件尺寸为18mm×20mm×100mm的长方柱体，在试件中间位置刻一尖口，深10mm；
将实施例10～16的磨具与市场上购买的同等规格磨具在实验室同样磨削条件(见表3，磨具规格中“V”代表陶瓷结合剂)下，对单位时间内磨削工件的重量进行测量来对比磨具磨削效率，对单位时间内磨具的尺寸消耗进行测量来对比磨具使用寿命，结果见表4。
表3磨具规格及磨削测试条件表
表4磨具的性能测试结果
由表4中的数据可知采用本发明的陶瓷结合剂制造的磨具具有较高的强度和韧性，磨具的磨削效率和使用寿命，相比市场上现有产品提升非常明显。