一种金刚石工具的浆料直写成型方法

本发明属于磨具材料
技术领域：
，具体涉及一种金刚石工具的浆料直写成型方法。
背景技术：
：金刚石磨具属于超硬材料磨具的一种，金刚石的硬度极高，磨削能力强，磨具磨损小，广泛应用于砂轮、磨盘、修刀板等磨削工具中。金刚石磨具中，结合剂是另一个重要的组成部分。常用结合剂主要分为树脂结合剂、金属结合剂和陶瓷结合剂三大类。其中，陶瓷结合剂通过玻璃或陶瓷类物质经过烧结将金刚石磨料固结起来，在磨削条件下陶瓷结合剂与金刚石磨料有较好的结合强度。陶瓷结合剂金刚石磨具气孔较多，有利于冷却、容屑排屑。磨具的自锐性好，易于修整，磨削效率高。传统金刚石磨具制备主要有干法模具压制成型，利用干法混和微米级金刚石和纳米陶瓷结合剂粉末易产生团聚，且手工填料压制成型结块均匀性差，形状简单，需要进一步拼接，自动化程度低。简单的砂轮结构无法满足不同的轨迹磨削要求，利用3d打印可以一次性成型任何复杂形状，提高制备效率。目前常用的3d打印技术包括slm和sls，两种方法均需要采用激光高温烧结至1000℃以上，而金刚石烧结到700℃以上会出现石墨化，且激光逐层烧结存在烧结质量不一致等缺陷。利用浆料直写成型技术湿法混合粉末无团聚现象，可打印任意形状后进行烧结，结块整体均匀性好。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，烧结后尺寸收缩率大(约为20％-30％)，形状发生明显变化，不利于最终产品的质量控制。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种金刚石工具的浆料直写成型方法。本发明的技术方案如下：一种金刚石工具的浆料直写成型方法，包括如下步骤：(1)将熔点为670-690℃的纳米陶瓷粉、pmma和w10-w40的金刚石微米颗粒以60-75wt％∶5-20wt％∶15-25wt％的比例充分混合，获得混合粉末；该纳米陶瓷粉的原料由69-70重量份的硅粉、4.8-5.2重量份的氧化钠、10-13重量份的氧化铝、2.8-3.2重量份的氧化钾和9.8-10.3重量份的三氧化二硼组成；(2)将黄原胶充分分散于去离子水中，获得浓度为2.8-3.1wt％的黄原胶溶液；(3)将步骤(1)制得的混合粉末与步骤(2)所得的黄原胶溶液混合均匀，获得浆料，该混合粉末与该黄原胶溶液的体积比为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，即得所述金刚石工具。在本发明的一个优选实施方案中，所述纳米陶瓷粉、pmma和金刚石微米颗粒的比例为65-75wt％∶5-15wt％∶20wt％。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70重量份的硅粉、5重量份的氧化钠、12重量份的氧化铝、3重量份的氧化钾和10重量份的三氧化二硼组成，其熔点为680℃。在本发明的一个优选实施方案中，所述黄原胶溶液的浓度为3wt％。在本发明的一个优选实施方案中，所述混合粉末与该黄原胶溶液的体积比为70％∶30％。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1-3℃/min的升温速度从室温升温至300-310℃，并保温55-65min；接着在氩气气氛下，以3-5℃/min的升温速度升温至675-685℃，保温烧结55-65min；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℃/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680℃，保温烧结60min；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20-48h。本发明的有益效果是：1、本发明克服了现有技术的不足，通过添加pmma造出的气孔均匀，在磨削的过程中起良好的冷却、容屑排屑及促使砂轮自锐的作用。2、本发明通过添加特定浓度和特定体积的黄原胶溶液，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。3、本发明通过在纳米陶瓷粉的原料中添加特定含量的氧化钾和三氧化二硼，使该纳米陶瓷粉的熔点达到675-685℃。4、本发明中的纳米陶瓷粉以硅粉为主要成分，烧结过程中硅粉部分氧化成二氧化硅体积膨胀以抵消水分蒸发造成的体积收缩，烧结后金刚石工具尺寸变化率小于1％。5、本发明利用浆料直写成型可以一次性制造成具有复杂结构的金刚石工具，该金刚石工具有高度一致性、合适的力学性能、可控的气孔率和高的形状精度。附图说明图1为本发明实施例1和3中的烧结曲线图。图2为本发明实施例3制得的金刚石工具的扫描电镜照片。图3为本发明实施例3制得的金刚石工具的共聚焦拉曼测试结果图。图4为本发明实施例4中的不同黄原胶含量(a)以及不同羧甲基纤维素钠含量(b)的浆料的粘度随剪切速率变化关系。图5为本发明实施例4中的含有不同比例的羧甲基纤维素钠溶液和黄原胶溶液的浆料进行浆料直写成型后的情况照片，其中，(a)28％羧甲基纤维素钠溶液，(b)30％羧甲基纤维素钠溶液，(c)35％羧甲基纤维素钠溶液，(d)28％黄原胶溶液，(e)30％黄原胶溶液，(f)35％黄原胶溶液。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)将黄原胶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％的黄原胶溶液；(3)将步骤(1)制得的纳米陶瓷粉与步骤(2)所得的黄原胶溶液混合均匀，获得浆料，该混合粉末与该黄原胶溶液的体积比为70％∶30％；(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℃/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680℃，保温烧结60min；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(℃)10.1857.550.670020.1658.652.771030.1559.654.372540.1262.557.775050.1953.247.566060.1656.250.268070.1459.353.5690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170512310267512310364512310461512310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)10.1656.250.220.2854.349.330.3752.847.140.4550.745.9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680℃，该纳米陶瓷粉的具体配方为：70重量份的硅粉、5重量份的氧化钠、12重量份的氧化铝、3重量份的氧化钾和10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、pmma和w10金刚石微米颗粒以下表5所示的比例用混料机在600r/min的转速下混合4h，获得混合粉末；表5序号纳米陶瓷粉(％)w10金刚石(％)造孔剂pmma(％)175205270201036520154602020(2)将黄原胶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％的黄原胶溶液；(3)将步骤(1)制得的混合粉末与步骤(2)所得的黄原胶溶液混合均匀，获得浆料，该混合粉末与该黄原胶溶液的体积比为70％∶30％；(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/s，喷嘴半径为1.5mm，剪切速率为10.6/s，流量120％，温度25℃；上述剪切速率其中：qv：悬浮液流动速率s：挤出速度r：喷嘴半径(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℃/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680℃，保温烧结60min；然后随炉冷却至室温，即得所述金刚石工具，如图2所示，所制得的金刚石工具的气孔形状和尺寸规则，且不同配方的混合粉末所制得的金刚石工具的性能如下表6所示；表6编号尺寸变化率(％)抗弯强度(mpa)抗压强度(mpa)孔隙率(％)10.2754.846.226.520.3552.745.828.330.4250.645.229.840.4750.344.930.2(6)如图3所示，用共聚焦拉曼测试检测上述金刚石工具，可见其中的金刚石无团聚和石墨化现象。实施例4(1)将130g实施例2确定的纳米陶瓷粉、30gpmma和40gw40金刚石微米颗粒用混料机在600r/min的转速下混合4h，获得混合粉末；(2)将羧甲基纤维素钠和黄原胶分别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)，获得浓度均为3wt％的羧甲基纤维素钠溶液和黄原胶溶液；(3)将步骤(1)制得的混合粉末分别与步骤(2)所得的羧甲基纤维素钠溶液和黄原胶溶液混合均匀，获得浆料，该羧甲基纤维素钠溶液与该混合粉末的体积百分比分别为28％∶72％、30％∶70％和35∶65％，该黄原胶溶液与该混合粉末的体积百分比分别为28％∶72％、30％∶70％和35∶65％；(4)至(6)同实施例1。如图4(a)所示，对应上述黄原胶溶液的浆料的粘度依次为46212mpa·s，41960mpa·s，24967mpa·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4(b)所示，对应上述羧甲基纤维素钠溶液的浆料的粘度依次为39125mpa·s，36083mpa·s，22169mpa·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5所示，本实施例中对应羧甲基纤维素溶液的体积百分比为28％(a)、30％(b)、35％(c)的浆料制得的金刚石工具打印后整体塌陷，出现明显变形。本实施例中对应黄原胶溶液的体积百分比为30％(e)的浆料制得的金刚石工具可以稳定成型，且形状保持良好。黄原胶溶液的体积百分比为28％(d)的浆料粘度偏大，打印后存在部分裂纹；黄原胶溶液的体积百分比为35％(f)的浆料粘度偏小，打印后整体塌陷，底层挤出的浆料无法承受住上一层而发生坍塌。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。当前第1页12