硅系陶瓷高效磨削液转让专利
申请号 : CN200710121173.9
文献号 : CN101108897B
文献日 : 2010-10-06
发明人 : 田欣利 , 吴志远
申请人 : 田欣利 , 吴志远
摘要 :
本发明涉及硅系陶瓷磨削液，属于机械加工技术领域。该磨削液主要成分为硅油或硅油乳液。或该磨削液主要成分为硅油与长链烷烃的混合物，该两种成分的重量百分比为：硅油∶长链烷烃＝(0.5-100％)∶(99.5-0％)。本发明具有成分简单、容易制备，砂轮钝化率低的显著特点，特别适用于硅系陶瓷，如氮化硅 碳化硅 二氧化硅 单晶硅 多晶硅等难加工的材料。
权利要求 :
1.一种硅系陶瓷磨削液，其特征在于，该磨削液主要成分为硅油与长链烷烃的混合物，该两种成分的重量百分比为：硅油∶长链烷烃＝(10-90％)∶(90-10％)；所述长链烷烃采用碳原子数大于14的烷烃。
2.如权利要求1所述的硅系陶瓷磨削液，其特征在于，所述长链烷烃为直链或直链与支链或环烷的混合物。
3.如权利要求1所述的硅系陶瓷磨削液，其特征在于，所述硅油与长链烷烃为乳液。
4.如权利要求1所述的硅系陶瓷磨削液，其特征在于，所述硅油的分子结构中至少包含一个以上的硅原子，且硅原子和碳原子数之和大于12。
5.如权利要求1所述的硅系陶瓷磨削液，其特征在于，所述硅油的分子结构中包含氨基基团、羟基基团或苯环基团。
说明书 :
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，特别涉及陶瓷等难加工材料的磨削液。
背景技术
磨削是目前工程陶瓷的主要加工方法，各国都在大力开发新的高效、低成本、低损伤的陶瓷磨削方法。由于陶瓷的高硬度和高脆性，在陶瓷的磨削加工过程中，材料去除方式包括晶粒去除、剥落、脆性断裂、破碎、晶界微破碎等脆性去除方式、粉末化去除和塑性成形去除方式等。这种材料去除方式会在加工表面留有裂纹，并且由于陶瓷的高硬度和陶瓷粉末堵塞使得一些磨削加工中砂轮钝化迅速，磨削效率很低。
人们在不同年代尝试了用各种各样的无机化合物来辅助加工陶瓷，但效果并不令人满意。例如，据报道，1979年Yasynaga等人(Yasynaga et al.，Mechanism and Applicationof the Machanochemical Polishing Using Soft powder[J]，NBS SP 561 1979)用碳酸盐粉末来改善陶瓷工件的光洁度，并已经证实可用Fe2O3和MgO来抛光石英。Vora等人在1982年也描述了用Fe2O3和Fe3O4可抛光氮化硅等陶瓷材料(Vora etal，.Mechanochemical Polishing of Silicon Nitride[J].Am.cer.Soc.，p.C140.，1982)。有些学者认为，应用某些无机粉末材料对陶瓷材料进行研磨抛光，可在陶瓷表面产生一层厚约的薄膜，这些薄膜容易去除，去除时不伤害表面。这些加工方法可以减小表面粗糙度，但不能提高材料去除率。事实上，他们大多减小了材料去除率，从目前来看，还没有一种加工方法能使加工效率高于传统的金刚石砂轮磨削。
通过加注特殊磨削液的方法来提高陶瓷加工效率比较成功的例子是美国九十年代的两个专利成果(Jerry C.Wang，Stephen M.Hsu.Chemically Assisted Process for the Machiningof Ceramics Patent No：US5447466和Stephen Hsu.Methods For Machining Hard MaterialsUsing Alcohols.Patent No：US 6206764)。其中专利No：US5447466中的多卤化的碳氢化合物不但可以加速切削效率而且可以改善陶瓷表面质量。通过进一步研究美国学者hsu于2001年研制了一种含长碳链醇的切削液，主要成分是包含16个碳以上的长碳链醇，并通过试验对切削液的有效性进行了验证。一个是切割试验，在恒力金刚石切割机上进行，结果显示其对陶瓷的切割效率较普通商用冷却液提高10倍。另一个是在专门设计的由计算机控制全封闭的自动磨削机中进行的试验，试样为标准碳化钨材料。这个实验也表明此切削液可以延长金刚石砂轮的修磨周期，从而提高加工效率，磨削效率较普通乳化液高33％。
对于磨削效率的评价，目前国内外普遍采用的方法是恒力磨削条件下单位时间去除材料的体积。恒压力磨削在磨削过程中相对于工件保持恒定压力，因此可以按照工件和砂轮的情况，自动变换进给速度，如果砂轮锋利，则进给速度大，当砂轮磨钝后，进给速度自动降低，工艺系统弹性变形小。因此恒力磨削可以将磨削维持在一个比较良好的磨削状态下，并且恒力条件也可以为各种评价方法提供了一个可靠的参考系。因此，常常被用来作为磨削液评价机构的设计方式。通过一系列的试验，可以发现在恒力条件下材料去除率随着砂轮的不断钝化是一个变量。磨除单位体积材料所需的时间成单调增的趋势，并且变化较快。因此，评价指标为正常磨损阶段的曲率(钝化率)变化速度，即材料去除率的变化速度作为主要评价指标。相对于单个点的评价，这种方法可以更加准确的得到不同磨削液的磨削效率的真实趋势。钝化率用k来表示。k可以通过origin软件进行曲线拟合而得到，也可以通过自编软件实现。
人们在不同年代尝试了用各种各样的无机化合物来辅助加工陶瓷，但效果并不令人满意。例如，据报道，1979年Yasynaga等人(Yasynaga et al.，Mechanism and Applicationof the Machanochemical Polishing Using Soft powder[J]，NBS SP 561 1979)用碳酸盐粉末来改善陶瓷工件的光洁度，并已经证实可用Fe2O3和MgO来抛光石英。Vora等人在1982年也描述了用Fe2O3和Fe3O4可抛光氮化硅等陶瓷材料(Vora etal，.Mechanochemical Polishing of Silicon Nitride[J].Am.cer.Soc.，p.C140.，1982)。有些学者认为，应用某些无机粉末材料对陶瓷材料进行研磨抛光，可在陶瓷表面产生一层厚约的薄膜，这些薄膜容易去除，去除时不伤害表面。这些加工方法可以减小表面粗糙度，但不能提高材料去除率。事实上，他们大多减小了材料去除率，从目前来看，还没有一种加工方法能使加工效率高于传统的金刚石砂轮磨削。
通过加注特殊磨削液的方法来提高陶瓷加工效率比较成功的例子是美国九十年代的两个专利成果(Jerry C.Wang，Stephen M.Hsu.Chemically Assisted Process for the Machiningof Ceramics Patent No：US5447466和Stephen Hsu.Methods For Machining Hard MaterialsUsing Alcohols.Patent No：US 6206764)。其中专利No：US5447466中的多卤化的碳氢化合物不但可以加速切削效率而且可以改善陶瓷表面质量。通过进一步研究美国学者hsu于2001年研制了一种含长碳链醇的切削液，主要成分是包含16个碳以上的长碳链醇，并通过试验对切削液的有效性进行了验证。一个是切割试验，在恒力金刚石切割机上进行，结果显示其对陶瓷的切割效率较普通商用冷却液提高10倍。另一个是在专门设计的由计算机控制全封闭的自动磨削机中进行的试验，试样为标准碳化钨材料。这个实验也表明此切削液可以延长金刚石砂轮的修磨周期，从而提高加工效率，磨削效率较普通乳化液高33％。
对于磨削效率的评价，目前国内外普遍采用的方法是恒力磨削条件下单位时间去除材料的体积。恒压力磨削在磨削过程中相对于工件保持恒定压力，因此可以按照工件和砂轮的情况，自动变换进给速度，如果砂轮锋利，则进给速度大，当砂轮磨钝后，进给速度自动降低，工艺系统弹性变形小。因此恒力磨削可以将磨削维持在一个比较良好的磨削状态下，并且恒力条件也可以为各种评价方法提供了一个可靠的参考系。因此，常常被用来作为磨削液评价机构的设计方式。通过一系列的试验，可以发现在恒力条件下材料去除率随着砂轮的不断钝化是一个变量。磨除单位体积材料所需的时间成单调增的趋势，并且变化较快。因此，评价指标为正常磨损阶段的曲率(钝化率)变化速度，即材料去除率的变化速度作为主要评价指标。相对于单个点的评价，这种方法可以更加准确的得到不同磨削液的磨削效率的真实趋势。钝化率用k来表示。k可以通过origin软件进行曲线拟合而得到，也可以通过自编软件实现。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种新的硅系陶瓷磨削液，具有成分简单、容易制备，砂轮钝化率低的显著特点，特别适用于硅系陶瓷，如氮化硅碳化硅二氧化硅单晶硅多晶硅等难加工的材料。
本发明提出的硅系陶瓷磨削液，其特征在于，该磨削液主要成分为硅油或硅油乳液。
所述硅油的分子结构中至少包含一个以上的硅原子，且硅原子和碳原子数之和大于12(如：二甲基硅油)。
所述硅油的分子结构中可以包含氨基基团羟基基团以及苯环等基团(如：苯基硅油、羟基硅油、氨基硅油)。
本发明提出的另一种硅油硅系陶瓷磨削液，其特征在于，该磨削液主要成分为硅油与长链烷烃的混合物，该两种成分的重量百分比为：
硅油∶长链烷烃＝(0.5-100％)∶(99.5-0％)；
所述长链烷烃采用碳原子数大于14的各种烷烃；
所述长链烷烃可以是直链也可以是直链与支链或环烷的混合物(如煤油、柴油和基础油)但最好为直链，例如液体石蜡。
所述硅油与长链烷烃也可以是乳液，即可以单独使用硅油乳液或按比例的硅油乳液与长链烷烃乳液混合使用。
本发明的制备方法：
由于硅油与烷烃有很好的相溶性，因此，将硅油与长链烷烃(或者两者的乳液)通过简单的搅拌装置搅拌即可。还可加入一些常规磨削液的辅助成分。如防锈剂(如钼-硼复合剂)、偶联剂(如多元醇)、络合剂(如乙二胺四乙酸盐)等。由于硅油有很好的消泡作用，因此磨削液中不需要附带添加消泡剂。
本发明的特点及效果：
本发明采用硅油或硅油与长链烷烃为磨削液的主要成分，其中硅油中的硅与硅系陶瓷中的硅有良好的亲和作用，因此硅油对于硅系陶瓷可以起到良好的浸润和减摩作用。在磨削过程中可以起到良好的润滑冷却效果，实际应用过程中可以起到提高加工效率和降低砂轮磨损的作用。
本发明具有成分简单、容易制备，砂轮钝化率低的显著特点，特别适用于硅系陶瓷，如氮化硅碳化硅二氧化硅单晶硅多晶硅等难加工的材料。
本发明提出的硅系陶瓷磨削液，其特征在于，该磨削液主要成分为硅油或硅油乳液。
所述硅油的分子结构中至少包含一个以上的硅原子，且硅原子和碳原子数之和大于12(如：二甲基硅油)。
所述硅油的分子结构中可以包含氨基基团羟基基团以及苯环等基团(如：苯基硅油、羟基硅油、氨基硅油)。
本发明提出的另一种硅油硅系陶瓷磨削液，其特征在于，该磨削液主要成分为硅油与长链烷烃的混合物，该两种成分的重量百分比为：
硅油∶长链烷烃＝(0.5-100％)∶(99.5-0％)；
所述长链烷烃采用碳原子数大于14的各种烷烃；
所述长链烷烃可以是直链也可以是直链与支链或环烷的混合物(如煤油、柴油和基础油)但最好为直链，例如液体石蜡。
所述硅油与长链烷烃也可以是乳液，即可以单独使用硅油乳液或按比例的硅油乳液与长链烷烃乳液混合使用。
本发明的制备方法：
由于硅油与烷烃有很好的相溶性，因此，将硅油与长链烷烃(或者两者的乳液)通过简单的搅拌装置搅拌即可。还可加入一些常规磨削液的辅助成分。如防锈剂(如钼-硼复合剂)、偶联剂(如多元醇)、络合剂(如乙二胺四乙酸盐)等。由于硅油有很好的消泡作用，因此磨削液中不需要附带添加消泡剂。
本发明的特点及效果：
本发明采用硅油或硅油与长链烷烃为磨削液的主要成分，其中硅油中的硅与硅系陶瓷中的硅有良好的亲和作用，因此硅油对于硅系陶瓷可以起到良好的浸润和减摩作用。在磨削过程中可以起到良好的润滑冷却效果，实际应用过程中可以起到提高加工效率和降低砂轮磨损的作用。
本发明具有成分简单、容易制备，砂轮钝化率低的显著特点，特别适用于硅系陶瓷，如氮化硅碳化硅二氧化硅单晶硅多晶硅等难加工的材料。
具体实施方式
本发明提出的磨削液结合实施例进一步说明如下：
本发明的各种实施例的组成及效果如表1所示。
表1
序号 成分1 成分2 比例 砂轮钝 化率 1 10％羟基硅油乳液 100％ 1.04 2 10％氨基硅油乳液 10％液体石蜡乳液 1∶19 1.038 3 10％二甲基硅油乳液 10％柴油乳液 1∶9 1.036 4 10％羟基硅油乳液 10％液体石蜡乳液 3∶7 1.03 5 10％二甲基硅油乳液 10％液体石蜡乳液 5∶5 1.032 6 苯基三甲基硅油 液体石蜡 7∶3 1.027 7 羟基硅油 液体石蜡 9∶1 1.024 8 羟基硅油 基础油 0.5∶99.5 1.03 9 羟基硅油 100％ 1.029
已有技术的效果情况如表2所示。
表2
成分1 主成分来源 砂轮钝化率 42号氯化石蜡乳液 US5447466 1.06 油醇乳液 US6206764 1.05
从表1和表2对比可看出本发明的硅系陶瓷磨削液的砂轮钝化率低于已有产品。
本发明的各种实施例的组成及效果如表1所示。
表1
序号 成分1 成分2 比例 砂轮钝 化率 1 10％羟基硅油乳液 100％ 1.04 2 10％氨基硅油乳液 10％液体石蜡乳液 1∶19 1.038 3 10％二甲基硅油乳液 10％柴油乳液 1∶9 1.036 4 10％羟基硅油乳液 10％液体石蜡乳液 3∶7 1.03 5 10％二甲基硅油乳液 10％液体石蜡乳液 5∶5 1.032 6 苯基三甲基硅油 液体石蜡 7∶3 1.027 7 羟基硅油 液体石蜡 9∶1 1.024 8 羟基硅油 基础油 0.5∶99.5 1.03 9 羟基硅油 100％ 1.029
已有技术的效果情况如表2所示。
表2
成分1 主成分来源 砂轮钝化率 42号氯化石蜡乳液 US5447466 1.06 油醇乳液 US6206764 1.05
从表1和表2对比可看出本发明的硅系陶瓷磨削液的砂轮钝化率低于已有产品。