陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型配方及注射成型方法
【专利摘要】陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型配方，由陶瓷体系、高分子体系和润湿剂组成，以陶瓷体系为总量100wt%，高分子体系为陶瓷体系总量的5～30wt%，润湿剂为陶瓷体系总量的5～8wt%；注射成型方法由配料、混料、成型、脱脂和烧成步骤完成，本发明通过高分子粘结剂的配方设计及添加量搭配来改善成型过程中摩擦力，保证成型料的流动性在不经过混炼造粒的情况下注射成型制备出组织均匀性好、质量稳定性高的陶瓷超硬材料磨具制品。
【专利说明】陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型配方及注射成型方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于磨具设计制造领域，具体是一种陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型配方及注射成型方法。
【背景技术】
[0002]陶瓷结合剂超硬材料磨具具有磨削锋利，磨削精度高、温度低，耐用度高，形状保持性好，耐酸耐碱等一系列优点，被广泛应用于汽车、轴承、机床、工具、宝石、石材等各个行业。随着机械加工向高质量、高精度、高效率、低成本、自动化方向的不断发展，陶瓷结合剂超硬材料磨具的应用范围越来越广，用量不断增长。
[0003]目前制造陶瓷结合剂超硬材料磨具的方法包括模压成型、水浇注成型、热蜡注成型等方法。模压成型具有生产效率高，制品密度范围大，适合大、中、小各种程度的批量化生产，但是在成型高径比大(高径比一般指砂轮的高度与径向环宽的比值)的砂轮存在上下部位密度差异较大，组织不均匀的现象；同时对于形状较复杂的异形砂轮来说，采用模压成型存在很大的难度。水浇注成型虽然可以成型异形产品，但该工艺所成型仅能成型磨料粒度20 μ m以细的磨具，当磨具粒度粗于20 μ m时容易产生粒度粗细偏析分布的情况，而且该工艺生产周期长，效率低，湿坯留量大，磨具组织号难以控制。热蜡注成型采用石蜡作为注浆介质，混料均匀，造坯迅速，可成型复杂形状的磨具，但热蜡注工艺复杂，后期脱蜡周期长，容易造成鼓泡、裂纹等废品。
[0004]陶瓷注射成型技术来源于高分子材料的注塑成型，借助高分子聚合物在高温下熔融、低温下凝固的特性来进行成型的，成型之后再把高聚物脱除。它能制造出各种复杂形状，密度均匀，几何尺寸精度高的陶瓷零部件，且易于规模化和自动化生产。但陶瓷注射成型技术在精细陶瓷行业一般仅用于微粉级(<50 μ m)细粒度的成型，而且成型前需要混炼和造粒，精细陶瓷行业应用的注射成型技术对超硬材料磨具行业来说没有通用性，这是因为超硬材料磨具的超硬磨料粒度有粗有细(0.5~300 μ m)，并且超硬磨料硬度很高(金刚石是世界上最硬的物质，CBN硬度仅次于金刚石)，混炼和注射过程对注射机螺杆的机械磨损是非常严重的，这对注射工艺的实现是极为不利的，且造成陶瓷超硬材料成型磨具的组织均匀性差，质量稳定性低。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中采用注射成型技术制造超硬材料磨具时，存在成型磨具组织均匀性差，质量稳定性低，且注射机螺杆的机械磨损严重的问题，本发明提供一种陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型配方及注射成型方法，有效提高成型磨具组织均匀性及稳定性，并降低注射机螺杆的机械磨损。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型配方，由陶瓷体系、高分子体系和润湿剂组成，以陶瓷体系为总量100wt%，高分子体系为陶瓷体系总量的5~30wt%，润湿剂为陶瓷体系总量的5~8wt% ；[0007]所述陶瓷体系由超硬磨料:辅助磨料:陶瓷结合剂的重量比为1:0~1:0.1~0.5组成；
[0008]所述高分子体系由增塑剂:润滑剂:表面活性剂:粘结剂的重量比为3~8:1~5:0.5~1:0.5~I组成。
[0009]陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型方法，包括以下步骤:
[0010]I)配料:当超硬磨料的粒度大于等于170/200时，陶瓷体系的重量比例搭配为超硬磨料:辅助磨料:陶瓷结合剂=1:0~1:0.1~0.3，高分子体系的重量比例搭配为增塑剂:润滑剂:表面活性剂:粘结剂=6~8:1~3:0.5~1:0.5~I ;当超硬磨料的粒度小于170/200时，陶瓷体系的重量比例搭配为超硬磨料:辅助磨料:陶瓷结合剂=1:0~1:
0.2~0.5，高分子体系的重量比例搭配为增塑剂:润滑剂:表面活性剂:粘结剂=3~6:3 ~5:0.5 ~1:0.5 ~I ; [0011]2)混料:当超硬磨料的粒度大于等于170/200时，先将超硬磨料和辅助磨料依次加入三维混料机中，混合10~20min,倒入润湿剂进行润湿,混合10~20min,加入陶瓷结合剂混合搅拌30~50min，然后加入增塑剂、润滑剂、表面活性剂、粘结剂的混合粉料，混合搅拌30~50min，将混合成型料过24#筛2~5遍；当超硬磨料的粒度小于170/200时，先将超硬磨料、辅助磨料、陶瓷结合剂混合搅拌，过100#筛网2~5遍后加入三维混料机中，倒入润湿剂混合搅拌30~50min、然后加入增塑剂、润滑剂、表面活性剂、粘结剂的混合粉，混合搅拌30~50min,再将混合成型料过46#筛2~5遍；
[0012]3)成型:将过筛的混合成型料加入到注射成型机机筒中，把机筒温度升到130~1700C，注射成型区模具温度升到60~80°C，保温30~60min，当成型料呈现粘流状态时进行注射成型,成型压力为80~180MPa，注射完成即可脱模得磨具坯体；
[0013]4)脱脂:将磨具坯体置入炉中进行加热脱脂，脱脂始温度为100°C，每升温50°C保温I~4h，升温速率3~5°C /min,脱脂终温度为300~500°C ；
[0014]5)烧成:脱脂后的砂轮坯体根据陶瓷结合剂的烧成温度在700~900°C下进行烧成。
[0015]所述超硬磨料为金刚石、立方氮化硼或者二者的混合物；
[0016]所述辅助磨料为白刚玉、棕刚玉、单晶刚玉、锆刚玉、微晶刚玉、绿碳化硅、黑碳化硅中的任一种或至少两种的混合物。
[0017]所述增塑剂为低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚乙酸乙烯酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚四氟乙烯；
[0018]所述润滑剂为石蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、微晶蜡、棕榈蜡、蜂蜡或聚酰胺蜡；
[0019]所述表面活性剂为硬脂酸、硬脂醇、棕榈酸、石墨粉、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸镁、硬脂酸醇、硬脂酸酰胺、硬脂酸丁脂或单硬脂酸甘油酯；
[0020]所述粘结剂为酚醛树脂、聚醛树脂、环氧树脂、阿拉伯胶、脲醛树脂、松香树脂或丁
腈橡胶。
[0021]所述润湿剂为羧甲基纤维素钠水溶液、甘油、海藻酸钠溶液、琼脂溶液或聚乙二醇水溶液之一，浓度为3~50%。
[0022]所述的高分子体系以粉料形式加入。
[0023]所述的注射成型机的螺杆为钢结硬质合金材质。[0024]与现有技术相比，本发明具有以下优势:1)本方法以粉料的形式加入高分子粘结剂，通过高分子粘结剂的配方设计及添加量搭配来改善成型过程中摩擦力，保证成型料的流动性，对粗细磨料均适合使用；注射成型机通过采用钢结硬质合金材质螺杆，提高螺杆的耐磨性，在不经过混炼造粒的情况下注射成型制备出组织均匀性好、质量稳定性高的陶瓷超硬材料磨具制品。
[0025]2)采用注射成型技术制备陶瓷结合剂超硬材料磨具，通过注射压力大小和机筒温度的调整来控制注射量，在注射压力和机筒温度一定的情况下，成型磨具的组织均匀性有较大程度的提高，克服了大高径比砂轮轴向密度均匀性差的问题；本发明设计的砂轮配方成型后坯体强度高，形状保持性好，解决了异型砂轮不能一次成型到位的问题，极大地节省了成本，提高了生产效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为超硬磨料粒度大于等于170/200陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型流程图；
[0027]图2为超硬磨料粒度小于170/200以细陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型流程图。
【具体实施方式】
[0028]实施例1
[0029]筒形陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，高径比砂轮高度与壁厚的比值为15。
[0030]1.配方设计:此种砂轮设计密度为2.2g/cm3，设计陶瓷体系为总量IOOwt %，高分子体系占总量的16被％，润湿剂为浓度为20%的聚乙二醇水溶液，占陶瓷体系的6wt%。其中陶瓷体系中，超硬磨料:辅助磨料:陶瓷结合剂=1:0.1:0.3 ;高分子体系中，低密度聚乙烯:石蜡:硬脂酸:酚醛=6:2:1:1。
[0031]此配方中，超硬磨料为立方氮化硼，粒度号为60/70，粒径为213~271 μ m;辅助磨料为白刚玉，粒度号80#，平均粒径为200 μ m。
[0032]计划成型30个砂轮，按照如下配方表计算原材料:
[0033] 表1为筒形陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮的配料表
[0034]
【权利要求】
1.陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型配方，其特征在于:由陶瓷体系、高分子体系和润湿剂组成，以陶瓷体系为总量100wt%，高分子体系为陶瓷体系总量的5~30wt%，润湿剂为陶瓷体系总量的5~8wt% ； 所述陶瓷体系由超硬磨料:辅助磨料:陶瓷结合剂的重量比为1:0~1:0.1~0.5组成； 所述高分子体系由增塑剂:润滑剂:表面活性剂:粘结剂的重量比为3~8:1~5:`0.5~1:0.5~I组成。
2.根据权利要求1所述的陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)配料:当超硬磨料的粒度大于等于170/200时，陶瓷体系的重量比例搭配为超硬磨料:辅助磨料:陶瓷结合剂=1:0~1:0.1~0.3，高分子体系的重量比例搭配为增塑剂:润滑剂:表面活性剂:粘结剂=6~8:1~3:0.5~1:0.5~I ;当超硬磨料的粒度小于170/200时，陶瓷体系的重量比例搭配为超硬磨料:辅助磨料:陶瓷结合剂=1:0~1:0.2~`0.5，高分子体系的重量比例搭配为增塑剂:润滑剂:表面活性剂:粘结剂=3~6:3~5:`0.5 ~1:0.5 ~I ; 2)混料:当超硬磨料的粒度大于等于170/200时，先将超硬磨料和辅助磨料依次加入三维混料机中，混合10~20min,倒入润湿剂进行润湿,混合10~20min,加入陶瓷结合剂混合搅拌30~50min，然后加入增塑剂、润滑剂、表面活性剂、粘结剂的混合粉料，混合搅拌30~50min，将混合成型料过24#筛2~5遍；当超硬磨料的粒度小于170/200时，先将超硬磨料、辅助磨料、陶瓷结合剂混合搅拌，过100#筛网2~5遍后加入三维混料机中，倒入润湿剂混合搅拌30~50min、然后加入增塑剂、润滑剂、表面活性剂、粘结剂的混合粉，混合搅拌30~50min,再将混合成型料过46#筛2~5遍； 3)成型:将过筛的混合成型料加入到注射成型机机筒中，把机筒温度升到130~1700C，注射成型区模具温度升到60~80°C，保温30~60min，当成型料呈现粘流状态时进行注射成型,成型压力为80~180MPa，注射完成即可脱模得磨具坯体； 4)脱脂:将磨具坯体置入炉中进行加热脱脂，脱脂始温度为100°C，每升温50°C保温I~4h，升温速率3~5°C /min,脱脂终温度为300~500°C ； `5)烧成:脱脂后的砂轮坯体根据陶瓷结合剂的烧成温度在700~900°C下进行烧成。
3.根据权利要求2所述的陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型方法，其特征在于:所述超硬磨料为金刚石、立方氮化硼或者二者的混合物。
4.根据权利要求2所述的陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型方法，其特征在于:所述辅助磨料为白刚玉、棕刚玉、单晶刚玉、锆刚玉、微晶刚玉、绿碳化硅、黑碳化硅中的任一种或至少两种的混合物。
5.根据权利要求2所述的陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型方法，其特征在于:所述增塑剂为低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚乙酸乙烯酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚四氟乙烯； 所述润滑剂为石蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、微晶蜡、棕榈蜡、蜂蜡或聚酰胺蜡； 所述表面活性剂为硬脂酸、硬脂醇、棕榈酸、石墨粉、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸镁、硬脂酸醇、硬脂酸酰胺、硬脂酸丁脂或单硬脂酸甘油酯；所述粘结剂为酚醛树脂、聚醛树脂、环氧树脂、阿拉伯胶、脲醛树脂、松香树脂或丁腈橡胶。
6.根据权利要求2所述的陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型方法，其特征在于:所述润湿剂为羧甲基纤维素钠水溶液、甘油、海藻酸钠溶液、琼脂溶液或聚乙二醇水溶液之一，浓度为3~50%。
7.根据权利要求2所述的陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型方法，其特征在于:所述的高分子体系以粉料形式加入。
8.根据权利要求2所述的陶瓷结合剂超硬材料磨具注射成型方法，其特征在于:所述的注射成型机的螺杆为钢结硬质合金材质。
【文档编号】C04B35/532GK103922747SQ201410181358
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】杨威, 王志起 申请人:郑州磨料磨具磨削研究所有限公司