一种高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮及其制造方法

摘要

一种高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮的原料由碳化硅磨料、刚玉磨料、稀土陶瓷和常温结合剂组成。各原料的质量百分比：碳化硅磨料30-75wt%，刚玉磨料25-70wt%，稀土陶瓷12-22wt%，常温结合剂3.5-8wt%。该复合砂轮是由锻烧、球磨混料成型烘干烧成等步骤制备而成。本发明的砂轮具有磨削难磨材料磨削力强、磨粒锋利、自锐性好、磨钝磨粒及时脱落、不烧伤工件。比起传统的单一磨料普通陶瓷结合剂砂轮，磨削效率明显提高，比起选用价格昂贵的超硬磨料（人造金刚石或CBN）砂轮，磨削成本显著降低和适应面更广，具有良好的经济效益和社会效益。

权利要求

1.一种高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮，其特征在于：所述高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮所用的原料由碳化硅、刚玉磨料、稀土陶瓷和常温结合剂组成；

所述的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮所用的原料质量百分比是：碳化硅30-75 wt%；刚玉磨料25-70wt%；稀土陶瓷12-22 wt%；常温结合剂3.5-8wt%，所述组分之和为

100%；所述的稀土陶瓷是由稀土氧化铈、粘土、长石、滑石、硼玻璃组成，各组份的添加比例为：5～7:20～35:50～60:4～6:4～15。

2.一种如权利要求1所述的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮，其特征在于：所述的碳化硅的目数为16目-320目，刚玉磨料的目数为16目-320目。

3.一种如权利要求1所述的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮，其特征在于：所述的刚玉磨料为棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、单晶刚玉、微晶刚玉和锆刚玉中的一种或几种。

4.一种如权利要求1所述的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮，其特征在于：所述的常温结合剂为糊精、糊精水溶液或聚乙烯醇PVA水溶液中的一种，其中糊精水溶液的质量浓度为30-40%，聚乙烯醇PVA水溶液的质量浓度为10-20%。

5.一种如权利要求1所述的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮，其特征在于：所述的碳化硅为绿碳化硅和黑碳化硅。

6.一种根据权利要求1所述的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮的制造方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：（1） 锻烧：将碳化硅，刚玉磨料中的一种或几种按配比放入锻烧炉中，按升温曲线达到

900℃后保温2小时，自然冷却至200℃出炉，过筛；

（2） 球磨：按配比将稀土陶瓷材料放入球磨机中球磨8小时，用320目筛网过筛；

（3） 混料：将步骤（2）所得物料按12-22 wt%的比例与步骤（1）所得物料混合均匀，放入混料机，加入常温结合剂，混制25-35分钟，用8-12目筛网过筛；

（4） 成型：将步骤（3）混制好的物料，依照不同砂轮规格所需的物料称重后置入相应的模具中，将料摊均刮平，移入油压机对模具进行双面加压，压力为20-30MPa，保压时间

5-10秒，卸模取出坯料；

（5） 烘干：将步骤（4）成型后的坯料在80-120℃条件下烘干至含水量小于1%；

（6）烧成：将步骤（5）烘干后的坯料装入烧成窑中，按升温曲线达到1350℃±5℃条件下烧成，得到高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮。

7.一种如权利要求6所述的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮的制造方法，其特征在于：所述步骤（1）中将碳化硅，刚玉磨料中的一种或几种按配比放入锻烧炉中900℃煅烧预处理，可以使得膨胀系数不同的二种磨料趋于一致。

8.一种如权利要求6所述的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮的制造方法，其特征在于：所述步骤（6）烧成的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮按尺寸精度要求可进行外表加工，包装后即为成品。

说明书

一种高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于磨料磨具技术领域，更具体涉及一种高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮及其制造方法。

背景技术

[0002] 磨料磨具素有工业牙齿之称，是国民经济尤其是装备制造业不可或缺重要的一部分。磨加工是“车、冼、刨、磨”机械加工方法“四大金刚”中重要的一种，磨加工又是四种加工方法中精密度最高的一种，当今先进制造业对磨加工依赖度越来越高，也促进砂轮行业快速发展，产品品种、产量、质量都在不断增长和提高，市场需求量大幅增加。

[0003] 磨料磨具品种繁多，按产品形态分有：固结磨具(砂轮、磨头、磨石等)、涂附磨具(砂带、砂布等)、游离磨具(研磨砂、研磨膏等) 。砂轮是磨料磨具产品品种中最主要的一种；磨加工行业用的最多的一种。砂轮按磨加工对象、耐用度要求、昂贵性分为普通砂轮(刚玉磨料和碳化硅磨料)和超硬砂轮(人造金刚石磨料和CBN磨料)，超硬砂轮虽然在性能上寿命上都高出普通砂轮许多，但也有磨加工对象的局限性，特别是价格的昂贵限制了它规模化推广应用。所以在相当长时间内，普通砂轮仍然是磨加工行业的首选，其技术发展与产品发明创新影响与推动着机械行业技术水平提高。

[0004] 普通砂轮按结合剂不同分为陶瓷结合剂砂轮、树脂结合剂砂轮和橡胶结合剂砂轮，树脂结合剂砂轮主要用于金属材料切断、修磨、荒磨等，橡胶结合剂砂轮主要釆用细粒度磨料用于精磨抛光。而代表机械磨削加工几种形态和技术水平的外圆磨、内圆磨、平面磨、无芯磨、工具磨、齿轮磨等是陶瓷结合剂砂轮，它在机械磨削加工中占有最重要地位，它具有耐高温、物理化学性能稳定、量大面广等特点。但随着新材料技术和先进制造业的发展，各种高强度、高硬度、高韧性新型难磨材料不断出现，陶瓷结合剂砂轮按传统分类的以棕刚玉（A）、白刚玉（WA）为代表的刚玉系砂轮和以绿碳化硅（GC）、黑碳化硅（C）为代表的碳化硅系单一磨料砂轮已不能适应新型材料的磨削要求。单一磨料特点是被磨削材料化学结构也较单一，如棕刚玉较适合于磨45＃及A3等普通钢，白刚玉较适合于磨淬火钢及工具钢，绿碳化硅较适合于磨硬质合金及玻璃等，黑碳化硅较适合于磨铸铁及铜铅等。而高强度、高硬度、高韧性材料化学结构复杂、材料性能优异，具有磨削效率低、磨削力大、磨削温度高、工件容易产生塑性变形、烧伤、材质变异、砂轮磨损大、磨屑粘附砂轮、砂轮修整频繁等高难磨性特点。这些新型难磨材料的不断出现和机械加工向高效化发展，对砂轮制造技术提出更高要求，迫切需要与之相适应新型高效砂轮问世，以解决目前我国机械加工工艺跟不上材料技术发展的困境。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮及其制造方法，解决现有单一磨料普通陶瓷结合剂砂轮不能适应新型难磨材料的磨削加工要求的问题。本发明的原料配方和工艺方法科学合理，得到的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮具有磨削难磨材料磨削力强、磨粒锋利、自锐性好、磨钝磨粒及时脱落、不烧伤工件。比起传统的单一磨料陶瓷结合剂砂轮，磨削效率明显提高，比起选用价格昂贵的超硬磨料（人造金刚石或CBN）砂轮，磨削成本显著降低和适应面更广，具有良好的经济效益和社会效益。 一种高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮的原料由碳化硅磨料、刚玉磨料、稀土陶瓷和常温结合剂组成，各原料的质量百分比：碳化硅磨料30-75 wt%；刚玉磨料25-70wt%；稀土陶瓷12-22 wt%；常温结合剂3.5-8wt%；所述的刚玉磨料为棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、单晶刚玉、微晶刚玉和锆刚玉中的一种或几种；所述的稀土陶瓷是由稀土氧化铈、粘土、长石、滑石、硼玻璃组成，各组份的添加比例为：5~7:20~35:50~60:4~6:4~15；所述的常温结合剂为糊精、糊精水溶液或聚乙烯醇PVA水溶液中的一种，其中糊精水溶液的质量浓度为30-40%，聚乙烯醇PVA水溶液的质量浓度为10%-20%；所述的碳化硅为绿碳化硅和黑碳化硅。

[0006] 一种高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮的制造方法的具体步骤为：

[0007] 1) 锻烧：将碳化硅，刚玉磨料中的一种或几种按配比放入锻烧炉中，按升温曲线达到900℃后保温2小时，自然冷却至200℃出炉，过筛；

[0008] 2) 球磨：按配比将稀土陶瓷材料放入球磨机中球磨8小时，用320目筛网过筛；

[0009] 3) 混料：将步骤（2）所得物料按12-22 wt%的比例与步骤（1）所得物料混合均匀，加入常温结合剂，混制25-35分钟，用8-12目筛网过筛；

[0010] 4) 成型：将步骤（3）混制好的物料，依照不同砂轮规格所需的物料称重后置入相应的模具中，将料摊均刮平，移入油压机对模具进行双面加压，压力为20-30MPa，保压时间5-10秒，卸模取出坯料；

[0011] 5) 烘干：将步骤（4）成型后的坯料在80-120℃条件下烘干至含水量小于1%；

[0012] 6）烧成：将步骤（5）烘干后的坯料装入烧成窑中，按升温曲线达到1350℃±5℃条件下烧成，得到高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮。

[0013] 所述步骤（1）中将碳化硅，刚玉磨料中的一种或几种按配比放入锻烧炉中900℃煅烧预处理，可以使得膨胀系数不同的二种磨料趋于一致；所述步骤（6）烧成的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮按尺寸精度要求可进行外表加工，包装后即为成品。

[0014] 本发明的优点是：根据难磨材料难磨共性，撷取碳化硅和刚玉磨料适磨性优点，进行磨料组分配比设计。由于碳化硅和刚玉线膨胀系数不一致，简单的混合磨料釆用传统“粘土-长石-滑石-硼玻璃系，即SiO2-K2O-MgO-B2O3系”陶瓷结合剂制成砂轮，烧成晶体结构脆弱，微裂纹多，混合磨料的优点被结合剂不匹配所抵消，甚至出现强度不良，无法保证安全使用。所以选择混合磨料只是基础，优化工艺并找到合适的结合剂更为重要。本发明釆用混合磨料锻烧预处理工艺，使碳化硅和刚玉线膨胀系数趋于一致；在传统“粘土-长石-滑石-硼玻璃系”陶瓷结合剂中引入稀土元素“氧化铈CeO2”成分，提高了传统“粘土-长石-滑石-硼玻璃系”陶瓷结合剂高温浸润性、线膨胀系数匹配性、反应能力等高温化学活性；使磨料和结合剂结合得恰到好处，参与磨削的磨粒数大为增加，砂轮磨削力和自锐性处于最佳状态，充分发挥出混合磨料特性。解决了现有单一磨料普通陶瓷结合剂砂轮磨削难磨材料磨削效率低、表面质量差等磨加工难题，深受磨加工行业好评，市场前景广阔。

具体实施方式

[0015] 一种高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮的原料由碳化硅、刚玉磨料、稀土陶瓷和常温结合剂组成，各原料的质量百分比：碳化硅磨料30-75 wt%；刚玉磨料25-70wt%；稀土陶瓷12-22 wt%；常温结合剂3.5-8wt%；所述的刚玉磨料为棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、单晶刚玉、微晶刚玉和锆刚玉中的一种或几种；所述的稀土陶瓷是由稀土氧化铈、粘土、长石、滑石、硼玻璃组成，各组份的添加比例为：5~7:20~35:50~60:4~6:4~15；所述的常温结合剂为糊精、糊精水溶液或聚乙烯醇PVA水溶液中的一种，其中糊精水溶液的质量浓度为30-40%，聚乙烯醇PVA水溶液的质量浓度为10%-20%；所述的碳化硅为绿碳化硅和黑碳化硅。

[0016] 一种高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮的制造方法的具体步骤为：

[0017] 1) 锻烧：将碳化硅，刚玉磨料中的一种或几种按配比放入锻烧炉中，按升温曲线达到900℃后保温2小时，自然冷却至200℃出炉，过筛；

[0018] 2) 球磨：按配比将稀土陶瓷材料放入球磨机中球磨8小时，用320目筛网过筛；

[0019] 3) 混料：将步骤（2）所得物料按12-22 wt%的比例与步骤（1）所得物料混合均匀，加入常温结合剂，混制25-35分钟，用8-12目筛网过筛；

[0020] 4) 成型：将步骤（3）混制好的物料，依照不同砂轮规格所需的物料称重后置入相应的模具中，将料摊均刮平，移入油压机对模具进行双面加压，压力为20-30MPa，保压时间5-10秒，卸模取出坯料；

[0021] 5) 烘干：将步骤（4）成型后的坯料在80-120℃条件下烘干至含水量小于1%；

[0022] 6) 烧成：将步骤（5）烘干后的坯料装入烧成窑中，按升温曲线达到1350℃±5℃条件下烧成，得到高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮。

[0023] 实施例1

[0024] 1) 锻烧：称取75%的绿碳化硅和25%的白刚玉混在一起放入锻烧炉，按升温曲线达到900℃后保温2小时，自然冷却至200℃出炉，用30目筛网过筛。

[0025] 2) 球磨：将稀土氧化铈、粘土、长石、滑石、硼玻璃按5.2∶32∶55∶3.8∶4按比例混合，一起放入球磨机中球磨8小时，用320目筛网过筛。

[0026] 3) 混料：将步骤1）和步骤2）物料及糊精和30%糊精水溶液，按78 wt%、16.3 wt%、1.2 wt%、4.5 wt%，一起放入混料机中混制35分钟，用8目筛网过筛。

[0027] 4) 成型：按砂轮不同硬度和组织号对应的成型密度计算好成型单重，将步骤3）混制好的物料，依照不同砂轮规格所需的物料称重后置入相应的模具中，将料摊均刮平，移入油压机对模具进行双面加压，压力为20MPa，保压时间10秒，卸模取出坯料。

[0028] 5) 烘干：将步骤4）成型后的坯料在80-120℃条件下烘干至含水量小于1%。

[0029] 6) 烧成：将步骤5）烘干后的坯料装入烧成窑中，按升温曲线达到1350℃±5℃条件下烧结成型，得到所述高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮。

[0030] 7) 检测：将步骤6）烧成的高效碳化硅刚玉稀土陶瓷复合砂轮按尺寸精度要求进行加工，按技术要求进行检测，包装后即为成品。

[0031] 所得制品的主要性能指标如下：

[0032] 回转强度≥35米/秒；静平衡K系数≤0.25；硬度L级；组织号7.5；磨削钢结硬质合金材料磨除率可达2.6 mm3/(mm .s)以上，比选用传统的单一绿碳化硅磨料陶瓷结合剂砂轮磨削效率提高30%以上。

[0033] 实施例2

[0034] 1) 锻烧：称取30%的绿碳化硅和70%的单晶刚玉混在一起放入锻烧炉，按升温曲线达到900℃后保温2小时，自然冷却至200℃出炉，用60目筛网过筛

[0035] 2) 球磨：将稀土氧化铈、粘土、长石、滑石、硼玻璃按6∶22∶55∶5∶12比例一起放入球磨机中球磨8小时，用320目筛网过筛。

[0036] 3) 混料：将步骤1）和步骤2）物料及糊精和10%PVA水溶液，比例分别按81.5 wt%、13.5 wt%、1.5 wt%、3.5 wt%，一起放入混料机中混制32分钟，用10目筛网过筛。

[0037] 4) 成型的压力为30MPa，保压时间10秒，卸模取出坯料。

[0038] 其余操作步骤同实施例1。

[0039] 所得制品的主要性能指标如下：

[0040] 回转强度≥35米/秒；静平衡K系数≤0.25；硬度K级；组织号7；磨削奥氏体不锈钢材料磨除率可达3.8 mm3/(mm .s)以上，比选用传统的单一单晶刚玉磨料陶瓷结合剂砂轮磨削效率提高32%以上。

[0041] 实施例3

[0042] 1) 锻烧：取绿碳化硅和铬刚玉按75∶25比例混在一起放入锻烧炉，按升温曲线达到900℃后保温2小时，自然冷却至200℃出炉，用36目筛网过筛。

[0043] 2) 球磨：将稀土氧化铈、粘土、长石、滑石、硼玻璃按5.5∶31∶55∶4∶4.5比例，一起放入球磨机中球磨8小时，用320目筛网过筛。

[0044] 3) 混料：将步骤1）和步骤2）物料及糊精和30%糊精水溶液，比例分别按78 wt%、15.3 wt%、1.7 wt%、5 wt%，一起放入混料机中混制35分钟，用10目筛网过筛。

[0045] 4) 4.成型：压力为25MPa，保压时间7秒，卸模取出坯料。

[0046] 其余操作步骤同实施例1

[0047] 所得制品的主要性能指标如下：

[0048] 回转强度≥35米/秒；静平衡K系数≤0.25；硬度J级；组织号7.8；磨削钛合金材料磨除率可达2.8 mm3/(mm .s)以上，比选用传统的单一绿碳化硅或白刚玉磨料陶瓷结合剂砂轮磨削效率提高35%以上。

[0049] 实施例4

[0050] 1) 锻烧：取黑碳化硅和锆刚玉按40∶60比例混在一起放入锻烧炉，按升温曲线达到900℃后保温2小时，自然冷却至200℃出炉，用36目筛网过筛。

[0051] 2) 球磨：将稀土氧化铈、粘土、长石、滑石、硼玻璃按5∶35∶50∶5∶5比例，一起放入球磨机中球磨8小时，用320目筛网过筛。

[0052] 3) 混料：将步骤1和步骤2物料及35%糊精水溶液，15%聚乙烯醇PVA水浓液，比例分别按72 wt%、20 wt%、4wt%，4wt%一起放入混料机中混制35分钟，用12目筛网过筛。

[0053] 4) 4.成型：压力为25MPa，保压时间7秒，卸模取出坯料。

[0054] 其余操作步骤同实施例1

[0055] 实施例5

[0056] 1) 锻烧：取黑碳化硅和棕刚玉按35∶65比例混在一起放入锻烧炉，按升温曲线达到900℃后保温2小时，自然冷却至200℃出炉，用36目筛网过筛。

[0057] 2) 球磨：将稀土氧化铈、粘土、长石、滑石、硼玻璃按7∶20∶60∶6∶7比例，一起放入球磨机中球磨8小时，用320目筛网过筛。