本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮及其制备方法。
背景技术：
随着制造业技术水平发展和数控技术以及装备制造业发展，高速磨床逐渐被推广使用。因其可实现高速磨削，加工效率成倍提升，加工质量明显提高，与之相配套的砂轮也需满足高速需求。而目前的陶瓷砂轮普遍都在60m/s线速度下使用，无法满足高速磨削100m/s~200m/s线速度要求。
在砂轮中用于固结主磨料的结合剂有树脂、金属和陶瓷三种材料，其中树脂结合剂自锐性好，砂轮磨削效率高，磨削发热量小，并且可以改善工件表面的粗糙度；金属结合剂砂轮的强度高，工作面几何形状保持性好，寿命长，耐冲击；陶瓷结合剂砂轮经高温烧成，陶瓷结合剂材料热稳定性好，在磨削高温下仍能对主磨料保持较高的把持力，砂轮使用寿命长，磨削能力强、磨削温度低、自锐性强，锋利状态持久，磨削效率高。
但是在陶瓷结合剂砂轮的制备过程中，磨料、陶瓷结合剂的选择、烧成条件等等因素均会影响陶瓷结合剂砂轮的磨削性能，尤其是陶瓷结合剂的性能更为重要，传统的结合剂普遍存在烧结温度高、强度低、对磨料的浸润包覆性差等，直接导致砂轮性能劣化，磨削性能大大降低。
技术实现要素：
本发明目的是针对现有技术的不足之处，提供一种陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮及其制备方法。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮，该砂轮由以下重量份的原料制成：主磨料40-70份，辅助磨料2-20份，陶瓷结合剂15-35份，陶瓷纤维3-9份，甘油1-9份，甲基纤维素0.5-5份，硅酸钠1-7份，聚乙二醇0.5-5份，硬脂酸锌0.25-3份，去离子水35.5-93.5份。
所述主磨料为金刚石或立方氮化硼。
所述辅助磨料为白刚玉或绿碳化硅。
所述陶瓷纤维为碳化硅纤维或氮化硅纤维。
如上述的陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮的制备方法，具体步骤如下：
（1）将甘油、甲基纤维素、硅酸钠、聚乙二醇、硬脂酸锌与去离子水混合，搅拌均匀，得水溶液；
（2）将主磨料、辅助磨料、陶瓷结合剂和陶瓷纤维加入步骤（1）得到的水溶液中，在搅拌机上搅拌，同时加入稀硝酸，调节溶液的ph值在5.5-6.5之间，直到所有粉末均匀分散到水溶液中，形成粘稠浆料；
（3）将步骤（2）所得粘稠浆料在120-160℃条件下烘干，直到粉末中水分含量在低于20%为止；
（4）将步骤（3）所得粉末造粒，再将所得颗粒物填入模具中压制成所需形状，自然放置20-26h后，在75-85℃条件下烘干，再在700-800℃条件下烧结1-2h，得到烧结砂轮块；
（5）将步骤（4）所得烧结砂轮块粘结在金属基体上，得到纤维增强陶瓷结合剂砂轮。
步骤（2）所述稀硝酸为质量浓度为40-50%的硝酸。
相对于现有技术，本发明先制备水溶液，然后将主磨料、辅助磨料、陶瓷结合剂和陶瓷纤维分散在水溶液中，制得粘稠浆料，再烘干、造粒、压制、烧结得烧结砂轮块，再将烧结砂轮块粘结在金属基体上，得到纤维增强陶瓷结合剂砂轮，这种陶瓷结合剂砂轮较常规的陶瓷结合剂具有更高的强度、韧性和更低的烧结温度，高温润湿性更佳，热膨胀系数低，对磨料的把持性好；此外，砂轮生产原料中加入的陶瓷纤维有明显的增强、增韧、耐温、润滑等功效；本发明制备的砂轮耐磨损、耐高温、导热性好，表面润滑，工件磨削精度更高，磨削速度快，磨削效率明显提升。
具体实施方式
陶瓷结合剂为市售，生产厂家为郑州博特硬质材料有限公司。
金刚石、立方氮化硼、白刚玉和绿碳化硅均为市售，粒径为80-4000目。
实施例1：
一种陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮，该砂轮由以下重量份的原料制成：主磨料40-70份，辅助磨料2-20份，陶瓷结合剂15-35份，陶瓷纤维3-9份，甘油1-9份，甲基纤维素0.5-5份，硅酸钠1-7份，聚乙二醇0.5-5份，硬脂酸锌0.25-3份，去离子水35.5-93.5份。
所述主磨料为金刚石或立方氮化硼。
所述辅助磨料为白刚玉或绿碳化硅。
所述陶瓷纤维为碳化硅纤维或氮化硅纤维。
如上述的陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮的制备方法，具体步骤如下：
（1）将甘油、甲基纤维素、硅酸钠、聚乙二醇、硬脂酸锌与去离子水混合，搅拌均匀，得水溶液；
（2）将主磨料、辅助磨料、陶瓷结合剂和陶瓷纤维加入步骤（1）得到的水溶液中，在搅拌机上搅拌，同时加入稀硝酸，调节溶液的ph值在5.5-6.5之间，直到所有粉末均匀分散到水溶液中，形成粘稠浆料；
（3）将步骤（2）所得粘稠浆料在120-160℃条件下烘干，直到粉末中水分含量在低于20%为止；
（4）将步骤（3）所得粉末造粒，再将所得颗粒物填入模具中压制成所需形状，自然放置20-26h后，在75-85℃条件下烘干，再在700-800℃条件下烧结1-2h，得到烧结砂轮块；
（5）将步骤（4）所得烧结砂轮块粘结在金属基体上，得到纤维增强陶瓷结合剂砂轮。
步骤（2）所述稀硝酸为质量浓度为40-50%的硝酸。
实施例2：
一种陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮，该砂轮由以下重量份的原料制成：金刚石40kg，白刚玉2kg，陶瓷结合剂15kg，碳化硅纤维3kg，甘油1kg，甲基纤维素0.5kg，硅酸钠1kg，聚乙二醇0.5kg，硬脂酸锌0.25kg，去离子水35.5kg。
如上述的陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮的制备方法，具体步骤如下：
（1）将甘油、甲基纤维素、硅酸钠、聚乙二醇、硬脂酸锌与去离子水混合，搅拌均匀，得水溶液；
（2）将主磨料、辅助磨料、陶瓷结合剂和陶瓷纤维加入步骤（1）得到的水溶液中，在搅拌机上搅拌，同时加入质量浓度为40%的稀硝酸，调节溶液的ph值为5.5，直到所有粉末均匀分散到水溶液中，形成粘稠浆料；
（3）将步骤（2）所得粘稠浆料在120℃条件下烘干，直到粉末中水分含量为12%为止；
（4）将步骤（3）所得粉末造粒，再将所得颗粒物填入模具中压制成所需形状，自然放置20h后，在75℃条件下烘干，再在700℃条件下烧结1h，得到烧结砂轮块；
（5）将步骤（4）所得烧结砂轮块粘结在金属基体上，得到纤维增强陶瓷结合剂砂轮。
本实施例制备得到的砂轮性能指标如下：
测试中被磨削材料为高强度合金钢，磨削方式为外圆磨削方式，砂轮圆周速度：130m/s，工作台速度：0.06m/s，磨削深度0.050mm。
本实施例制备的砂轮较传统的金刚石砂轮磨削比平均提高140%，磨损量平均降低46.3%，高强度合金钢表面的粗糙度仅为0.072μm，磨削速度可达170m/s。
实施例3：
一种陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮，该砂轮由以下重量份的原料制成：金刚石50kg，白刚玉10kg，陶瓷结合剂20kg，碳化硅纤维5kg，甘油4kg，甲基纤维素2kg，硅酸钠3kg，聚乙二醇2kg，硬脂酸锌1kg，去离子水50kg。
如上述的陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮的制备方法，具体步骤如下：
（1）将甘油、甲基纤维素、硅酸钠、聚乙二醇、硬脂酸锌与去离子水混合，搅拌均匀，得水溶液；
（2）将主磨料、辅助磨料、陶瓷结合剂和陶瓷纤维加入步骤（1）得到的水溶液中，在搅拌机上搅拌，同时加入质量浓度为43%的稀硝酸，调节溶液的ph值为5.8，直到所有粉末均匀分散到水溶液中，形成粘稠浆料；
（3）将步骤（2）所得粘稠浆料在140℃条件下烘干，直到粉末中水分含量为13%为止；
（4）将步骤（3）所得粉末造粒，再将所得颗粒物填入模具中压制成所需形状，自然放置22h后，在78℃条件下烘干，再在720℃条件下烧结1.4h，得到烧结砂轮块；
（5）将步骤（4）所得烧结砂轮块粘结在金属基体上，得到纤维增强陶瓷结合剂砂轮。
本实施例制备得到的砂轮性能指标如下：
测试中被磨削材料为硬质合金，磨削方式为内圆磨削方式，砂轮圆周速度：150m/s，工作台速度：0.05m/s，磨削深度0.035mm。
本实施例制备的砂轮较传统的金刚石砂轮磨削比平均提高130%，磨损量平均降低51.7%，硬质合金表面的粗糙度仅为0.06μm，磨削速度可达190m/s。
实施例4：
一种陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮，该砂轮由以下重量份的原料制成：立方氮化硼60kg，绿碳化硅15kg，陶瓷结合剂30kg，氮化硅纤维7kg，甘油6kg，甲基纤维素3kg，硅酸钠5kg，聚乙二醇3kg，硬脂酸锌2kg，去离子水70kg。
如上述的陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮的制备方法，具体步骤如下：
（1）将甘油、甲基纤维素、硅酸钠、聚乙二醇、硬脂酸锌与去离子水混合，搅拌均匀，得水溶液；
（2）将主磨料、辅助磨料、陶瓷结合剂和陶瓷纤维加入步骤（1）得到的水溶液中，在搅拌机上搅拌，同时加入质量浓度为46%的稀硝酸，调节溶液的ph值为6.0，直到所有粉末均匀分散到水溶液中，形成粘稠浆料；
（3）将步骤（2）所得粘稠浆料在150℃条件下烘干，直到粉末中水分含量为15%为止；
（4）将步骤（3）所得粉末造粒，再将所得颗粒物填入模具中压制成所需形状，自然放置24h后，在80℃条件下烘干，再在750℃条件下烧结1.7h，得到烧结砂轮块；
（5）将步骤（4）所得烧结砂轮块粘结在金属基体上，得到纤维增强陶瓷结合剂砂轮。
本实施例制备得到的砂轮性能指标如下：
测试中被磨削材料为陶瓷，磨削方式为平面磨削方式，砂轮圆周速度：145m/s，工作台速度：0.055m/s，磨削深度0.025mm。
本实施例制备的砂轮较传统的金刚石砂轮磨削比平均提高160%，磨损量平均降低57.0%，陶瓷表面的粗糙度仅为0.055μm，磨削速度可达185m/s。
实施例5：
一种陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮，该砂轮由以下重量份的原料制成：立方氮化硼70kg，绿碳化硅20kg，陶瓷结合剂35kg，氮化硅纤维9kg，甘油9kg，甲基纤维素5kg，硅酸钠7kg，聚乙二醇5kg，硬脂酸锌3kg，去离子水93.5kg。
如上述的陶瓷纤维增强的陶瓷结合剂砂轮的制备方法，具体步骤如下：
（1）将甘油、甲基纤维素、硅酸钠、聚乙二醇、硬脂酸锌与去离子水混合，搅拌均匀，得水溶液；
（2）将主磨料、辅助磨料、陶瓷结合剂和陶瓷纤维加入步骤（1）得到的水溶液中，在搅拌机上搅拌，同时加入质量浓度为50%的稀硝酸，调节溶液的ph值为6.5，直到所有粉末均匀分散到水溶液中，形成粘稠浆料；
（3）将步骤（2）所得粘稠浆料在160℃条件下烘干，直到粉末中水分含量为16%为止；
（4）将步骤（3）所得粉末造粒，再将所得颗粒物填入模具中压制成所需形状，自然放置26h后，在85℃条件下烘干，再在800℃条件下烧结2h，得到烧结砂轮块；
（5）将步骤（4）所得烧结砂轮块粘结在金属基体上，得到纤维增强陶瓷结合剂砂轮。
本实施例制备得到的砂轮性能指标如下：
测试中被磨削材料为大理石，磨削方式为平面磨削方式，砂轮圆周速度：150m/s，工作台速度：0.05m/s，磨削深度0.02mm。
本实施例制备的砂轮较传统的金刚石砂轮磨削比平均提高170%，磨损量平均降低55.3%，陶瓷表面的粗糙度仅为0.05μm，磨削速度可达180m/s。
对比例使用的陶瓷结合剂砂轮购自郑州聚创磨具有限公司，型号为12v9。
从表1中我们可以看出，用本发明制备的陶瓷结合剂砂轮的去除效率、磨耗比和强度要比对比例的高得多，说明用本发明制备的陶瓷结合剂制备的金刚石砂轮具有较高热稳定性，耐热性好，损耗低，耐磨性好，磨削效率高，使用寿命长。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。