一种采用多孔陶瓷骨架树脂强化的金刚石磨具丸片的制备方法与流程

本发明属于精密加工研磨抛光领域，涉及一种陶瓷树脂结合剂磨具，具体涉及一种采用多孔陶瓷骨架树脂强化的金刚石磨具丸片的制备方法。
背景技术：
：陶瓷结合剂金刚石磨具具有金刚石和陶瓷结合剂的共同特点，与普通刚玉、碳化硅磨具相比，具有高强度，耐热性能好，切削锋利，磨削力强，磨削效率高，磨削时温度比较低，耐磨性高，磨粒消耗少，特别是在磨很硬又很脆的工件时最明显；可以适应各种冷却液的作用；磨削时磨具的热膨胀量小，且陶瓷结合剂对磨粒粘附力强，棱角保持性能好，形状保持性好，能进行高精度磨削；磨具内有较多的气孔，磨削时有利于排屑和散热，不易堵塞、不易烧伤工件；磨具的自锐性比较好，修整间隔的时间长，修整比较容易，不会产生让刀现象，解决了树脂金刚石磨具的低寿命，磨削效率低，磨具本身在磨削过程中易变形的问题。陶瓷结合剂金刚石磨具主要应用在晶圆，金刚石复合片，金刚石聚晶，金刚石刀具，立方氮化硼，钨钢，新型工程结构陶瓷，宝石，水晶，稀土材料等高硬脆材料的机械加工中，并取得了良好的经济效益。传统陶瓷结合剂磨具的制作方法主要是磨料、陶瓷结合剂粉体、填料、造孔剂混合后，压制，烧结成型，该种方法容易造成胚体组分不均匀。传统金刚石磨具制造方法如：专利号为201110009145.4的专利公开了一种陶瓷-金属结合剂金刚石金刚石磨具及其制备方法，其金属陶瓷结合剂为：si0240-50％、a12038-15％、b20312-20％、li203-6％、na206-12％、k203-6％、zn02-8％、ti1-10％、al1-5％，该种方法为传统干法磨具制作方法。凝胶陶瓷是将含有多种组分的陶瓷胶液，通过物理或化学使分子或离子成核，制成溶胶，在一定条件下，再经凝胶化处理，获得多组分的复合相的凝胶体，经烧结后可获得所需组分的陶瓷基复合材料，该方法制成的陶瓷胚体组分均匀。以下文献将凝胶陶瓷技术引入到了陶瓷结合剂磨具的制作中：专利号为200680044108.4的专利公开了一种具有可渗透结构的磨具，该种磨具介绍了一种通过溶胶-凝胶形成氧化铝磨粒的团聚体的方法，再将磨粒团聚体制备成磨具；专利号为201410464988.7的专利公开了一种磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，该方法通过以硅酸盐溶液作为溶胶-凝胶制备的起始点，在引发剂作用下丙烯酰胺自由基发生聚合的同时与n、n’-亚甲基双丙烯酰胺交链联形成三维立体网络结构，得到低温陶瓷结合剂；专利号为201610090011.2的专利公开了一种陶瓷结合剂细粒度磨具的制备方法，该方法将磨料、陶瓷结合剂、造孔剂和海藻酸钠溶液混合，加入氯化钙溶液中钙化，得到水凝胶，溶胶体中的磨料、陶瓷结合剂和造孔剂被固结在凝胶体中，形成磨具毛坯；同样，湖南大学的胡伟达通过采用溶胶凝胶法所制陶瓷结合剂与金刚石磨料混合后制备成砂轮。上述磨具为单一的陶瓷结合剂磨具，由于陶瓷烧结温度高，无法将磨具填料、添加剂引入导陶瓷磨具中，限制了陶瓷结合剂磨具的性能，本发明首先将凝胶陶瓷和金刚石磨料烧结，形成多孔陶瓷结合剂包覆金刚石磨料的网状骨架体，再将树脂结合剂和填料溶于溶剂中，通过注浆方法填充到网状骨架体中，低温烧结形成磨具丸片，该新型复合磨具骨架为陶瓷结合剂，形状保持性好，能进行高精度磨削，磨具中的金刚石磨料由陶瓷结合剂包覆，陶瓷结合剂对磨粒粘附力强，切削性能好，树脂结合剂提高了磨具强度，填料提高了磨具的自锐、活化、散热等性能，具有陶瓷结合剂磨具和树脂结合剂磨具的双重性能。技术实现要素：一种采用多孔陶瓷骨架树脂强化的金刚石磨具丸片的制备方法，其特征在于，具体制备方法包括以下步骤：步骤1：将有机单体和水混合，配成一定浓度的预混液，以下各成份按重量计，水20～100份、有机单体4～30份；步骤2：将下列成份在预混液中混合，粉状陶瓷10～120份、金刚石磨料30～150份、造孔剂0.5～2份、交联剂0.1～1份、分散剂0.5～1.5份和偶联剂0.2～1份、ph调节剂0.5～2份，制备浓浆料；步骤3：向步骤2中得到的浆料中加入引发剂0.05～0.5份和反应加速剂0.01～0.3份，混合均匀，将其注入模具，引发单体的原位聚合，形成坯体；步骤4：坯体脱模，然后干燥处理，高温烧结，脱脂、有机凝胶挥发，形成形成多孔陶瓷结合剂包覆金刚石磨料的网状骨架体；步骤5：将树脂和填料混合在溶剂中得到树脂混合浆料，将树脂混合浆料注浆到多孔陶瓷结合剂包覆金刚石磨料的网状骨架体中，树脂3～20份，填料5～20份，溶剂10～40份；步骤6：树脂在网状骨架体中干燥，固化，低温烧结，得到金刚石磨具丸片；步骤7：将步骤6所得丸片布置成花纹图案粘结到基盘之上。步骤1所述的有机单体可以是丙烯酰胺(am)、甲基丙烯酰胺(mam)、羟甲基丙烯酰胺(hmam)、烷基丙烯酰胺、丙烯酸(aa)、甲基丙烯酸(maa)、丁二烯、二甲基羟乙基丙烯酸甲酯(hema)、羟丙基丙烯酸甲酯(hpma)、苯乙烯中的一种或多种；步骤2所述的粉状陶瓷可以是氧化锆、氮化硅、碳化硅、氧化钇、碳化钛、氮化硅、氮化钛、氮化铝或氧化锆的一种或多种；步骤2所述的造孔剂可以是发泡剂、精萘、焦炭、木粉、核桃壳、尿素、小苏打中的一种或者多种，其中发泡剂可以是碳酸氢钠，碳酸氢氨，发泡剂ac(偶氮二甲酞胺)，发泡剂h(n,n-二亚硝基五亚甲基四胺)，发泡剂obsh(二苯磺酰肼醚)，发泡剂dab(二偶氮氨基苯)，发泡剂tsh(对甲苯磺酰肼)，发泡剂abin(偶氮二异丁睛)中的任意一种；步骤2所述的交联剂可以是丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、二乙烯基苯、n-羟甲基丙烯酰胺、氮丙啶、碳化二亚胺、双丙酮丙烯酰胺、多异氰酸酯、四异氰酸酯、多元胺类、丙二胺、多元醇类、聚乙二醇、聚丙二醇、三羟甲基丙烷、缩水甘油醚、聚丙二醇缩水甘油醚、氧化锌、氯化铝、硫酸铝、硫黄、硼酸、硼砂、硝酸铬、苯乙烯、a-甲基苯乙烯、丙烯腈、乙二醛、正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、三甲氧基硅烷、对甲苯磺酸、对甲苯磺酰氯、二丙烯酸-1，4-丁二醇酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、tac、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、过氧化二异丙苯，过氧化双2，4一二氯苯甲酰、异丙醇铝、醋酸锌、多功能聚氮丙啶交联剂、多功能聚碳化二亚胺类交联剂、环氧树脂类、2-乙基-4甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-异丙基咪唑、四气邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、三亚乙基四胺、二甲胺基丙胺、二乙胺基丙胺中的一种或者多种；步骤2所述的分散剂可以是氯化钠、硅酸钠、磷酸钠、柠檬酸铵、柠檬酸钠、乙二胺四乙酸钠、二乙酸钠、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、羟甲基纤维素、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸铵、三乙醇胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚甲基丙烯酸中的一种或多种；偶联剂可以是硅烷、钛酸酯、铝酸酯、双金属、磷酸酯、硼酸酯、铬络合物偶联剂中的一种或多种；步骤2所述的ph调节剂可以是磷酸，乙酸，盐酸，碳酸钙，碳酸钠，碳酸钾，氢氧化钠，碳酸氢钠，磷酸氢二钠，氨水的一种或多种。步骤2所述的混合方式可以是球磨机混合、机械搅拌混合、高速乳化机混合、超声振动混合、分散盘混合中的一种或者多种；所制备的浆料陶瓷粉的体积分数范围为50～90％,浆料的粘度值小于1pa·s。步骤3所述的引发剂为自由基型引发剂，可以是酰类过氧化物、氢过氧化物、二烷基过氧化物、烷基过氧化氢物、酯类过氧化物、酮类过氧化物、二碳酸酯过氧化物、过硫酸盐类、偶氮类引发剂、氧化还原引发剂中的一种或多种；反应加速剂是四甲基乙二胺、二甲基胺基丙晴中的一种或两种。步骤3所述的引发单体的原位聚合中的引发聚合条件可以是引发剂引发聚合、热引发聚合、光引发聚合、辐射聚合中的一种或者多种。步骤4所述的干燥处理方式可以是烘箱干燥、真空干燥、喷雾干燥、转鼓干燥、桨叶干燥、桨叶组合干燥中的一种或者多种；步骤4所述的高温烧结的烧结温度范围为500～3000℃；步骤4所述的脱脂方法可以是溶解萃取脱脂、热脱脂、虹吸脱脂、催化脱脂、超临界萃取脱脂、微波脱脂中的一种或者多种。步骤5所述的树脂可以是酚醛树脂、环氧树脂、聚砜树脂、聚酰胺树脂中的一种或者多种；步骤5所述的填料可以是铜包石墨、氧化钙、碳酸钙、氧化铈、氧化铁、氧化铬、氧化锌、石膏粉、石墨粉、冰晶石粉、滑石粉、石英粉、长石粉或铜粉中的一种或者多种组成；步骤5所述的溶剂可以是甲醇，乙醇，异丙醇，水，丙酮，丁酮，丙酮，糠醛以及上述混合液；步骤5所述的注浆方法可以是充填注浆、渗透注浆、挤密注浆和劈裂注浆中的任意一种。步骤6所述的低温烧结温度为100～300℃；步骤7所得丸片布置成花纹图案粘结到基盘之上，其中花纹可以是“同心圆式”、“螺旋式”、“斜条纹式”、“放射线式”图案中的任意图形。本发明制备得到的多孔陶瓷骨架树脂强化的金刚石磨具丸片中陶瓷结合剂包覆金刚石磨料形成网状骨架体，陶瓷结合剂对磨料的把持力强，切削力强，网状骨架体中填充了树脂和填料，增强了磨具丸片整体的强度和磨削效果，附图说明图1为多孔陶瓷骨架树脂强化的金刚石磨具丸片结构图图2为氮化硅基片研磨前后表面显微图，其中(a)为研磨前，(b)为研磨后。具体实施方式实施例1步骤1：将有机单体和水混合，配成一定浓度的预混液，以下各成份按重量计，水20g、有机单体丙烯酰胺(am)5g；步骤2：将下列成份在预混液中混合，平均粒径5微米粉状氧化铝20g、平均粒径2.5微米金刚石磨料30g、造孔剂碳酸氢钠0.5g、交联剂n,n’-亚甲基双丙烯酸酰胺(mbam)0.2g、分散剂改性聚丙烯酸胺pmaa-nh40.5g和硅烷偶联剂0.2g、ph调节剂氨水0.5g，制备浓浆料；步骤3：向步骤2中得到的浆料中加入引发剂过硫酸铵0.06g和反应加速剂四甲基乙二胺(temed)0.05g，混合均匀，将其注入模具，引发单体的原位聚合，形成坯体；步骤4：坯体脱模，然后烘箱干燥处理，1650℃高温烧结，热脱脂、有机凝胶挥发，形成形成多孔陶瓷结合剂包覆金刚石磨料的网状骨架体；步骤5：将酚醛树脂和填料混合在酒精溶剂中得到树脂混合浆料，将树脂混合浆料在20mpa高压渗透注浆到多孔陶瓷结合剂包覆金刚石磨料的网状骨架体中，其中酚醛树脂4g，填料5g(如表1所示)，酒精10g；表1填料步骤6：树脂在网状骨架体中干燥，固化，160℃低温烧结，得到金刚石磨具丸片；步骤7：将步骤6所得丸片布置成同心圆式花纹图案粘结到基盘之上。磨具丸片如图1所示。实施例2步骤1：将有机单体和水混合，配成一定浓度的预混液，以下各成份按重量计，水20g、有机单体丙烯酸(aa)6g；步骤2：将下列成份在预混液中混合，氧化锆粉25g、平均粒径5微米金刚石磨料35g、造孔剂精萘0.8g、交联剂多异氰酸酯0.3g、聚丙烯酸胺分散剂0.6g和硅烷偶联剂0.2g、ph调节剂氨水0.5g，制备浓浆料；步骤3：向步骤2中得到的浆料中加入引发剂过硫酸铵0.1g和反应加速剂四甲基乙二胺(temed)0.06g，混合均匀，将其注入模具，引发单体的原位聚合，形成坯体；步骤4：坯体脱模，然后干燥处理，1500℃高温烧结，脱脂、有机凝胶挥发，形成形成多孔陶瓷结合剂包覆金刚石磨料的网状骨架体；步骤5：将酚醛树脂和填料混合在乙醇溶剂中得到树脂混合浆料，将树脂混合浆料在25mpa高压渗透注浆到多孔陶瓷结合剂包覆金刚石磨料的网状骨架体中，其中酚醛树脂4g，填料6g(如表1所示)，乙醇10g；表1填料步骤6：树脂在网状骨架体中干燥，固化，160℃低温烧结，得到金刚石磨具丸片；步骤7：将步骤6所得丸片布置成螺旋式花纹图案粘结到基盘之上。实施例3步骤1：将有机单体和水混合，配成一定浓度的预混液，以下各成份按重量计，水25g、有机单体甲基丙烯酸(maa)8g；步骤2：将下列成份在预混液中混合，氧化锆和氧化铝混合粉25g、平均粒径7微米金刚石磨料36g、发泡剂ac(偶氮二甲酞胺)1g、交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯(egdma)0.4g、聚丙烯酸胺分散剂0.6g和硅烷偶联剂kh-5700.2g、ph调节剂碳酸钠0.8g，制备浓浆料；步骤3：向步骤2中得到的浆料中加入引发剂偶氮二异丁腈(aibn)0.08g和反应加速剂四甲基乙二胺(temed)0.05g，混合均匀，将其注入模具，引发单体的原位聚合，形成坯体；步骤4：坯体脱模，然后干燥处理，1650℃高温烧结，脱脂、有机凝胶挥发，形成形成多孔陶瓷结合剂包覆金刚石磨料的网状骨架体；步骤5：将环氧树脂和填料混合在乙醇溶剂中得到树脂混合浆料，将树脂混合浆料在25mpa高压渗透注浆到多孔陶瓷结合剂包覆金刚石磨料的网状骨架体中，环氧树脂5g，填料7g(如表1所示)，乙醇12g；表1填料成分重量(g)铜粉3铜包石墨粉0.5滑石粉0.6冰晶石粉0.5氧化铈0.6二硫化钼0.5氧化钙0.5石英粉0.6碳酸钙0.2步骤6：树脂在网状骨架体中干燥，70℃条件下固化，275℃低温烧结，得到金刚石磨具丸片；步骤7：将步骤6所得丸片布置成螺旋式花纹图案粘结到基盘之上。实施例4采用实施例4得到的金刚石研磨丸片黏贴在平面研磨抛光机基盘上对氮化硅陶瓷基片进行研磨，平面抛光机型号为浙江智邦精工nanopoli100平面抛光机，研磨速度为40rpm，研磨压力为1kg/cm3，研磨1小时后，表面形貌前后变化图如图2所示。当前第1页12